Regulacja Ekspresji Genów

Regulacja Ekspresji Genów

Wprowadzenie o Ekspresja genu jest to złożony proces jego transkrypcji do mrna, o Obróbki tego mrna, a następnie o Translacji do białka. 4/17/2019 2

4/17/2019 3

E 1 GEN 3 Promotor (kasety bogate w AT) E 1 I 1 E 2 I 2 E n START GEN EUKARIOTYCZNY Elementy regulatorowe typu cis ATG SEKWENCJE KODUJĄCE [EXONY] (jest podzielony) GEN PROKARIOTYCZNY (jest ciągły) GEN 1 Elementy regulatorowe typu trans E x I x SEKWENCJE NIEKODUJĄCE [INTRONY] STOP UAA UAG UGA Promotor E 1 E 1 GEN 4 ATG STOP E 1 GEN 2

Znaczenie regulacji ekspresji genów Ekspresja genu musi być regulowana, ze względu na: Dostosowanie do warunków środowiska Różnicowanie i proliferację komórek Rozwój i rozmnażanie organizmu 4/17/2019 5

Kontrola ekspresji genów Komórki ssacze posiadają około 1000 razy więcej informacji genetycznej niż bakteria Escherichia coli. Duża część tej dodatkowej informacji genetycznej prawdopodobnie bierze udział w regulacji ekspresji genów podczas różnicowania tkanek w procesach biologicznych w organizmie wielokomórkowym oraz w zapewnieniu, że organizm może reagować na złożone wyzwania środowiskowe. 4/17/2019 6

Jak zachodzi ta kontrola? Aktywność genu jest kontrolowana przede wszystkim na poziomie transkrypcji. Znaczna część tej kontroli jest uzyskiwana poprzez wzajemne oddziaływanie między białkami, które wiążą się ze specyficznymi sekwencjami DNA i ich miejscami wiązania DNA. Może to mieć pozytywny lub negatywny wpływ na transkrypcję. 4/17/2019 7

Kontrola c.d. Kontrola transkrypcji może skutkować ekspresją genów specyficzną dla tkanki. Oprócz kontroli poziomu transkrypcji, ekspresję genów można również modulować przez amplifikację genu, rearanżację genów, modyfikacje potranskrypcyjne i stabilizację RNA. 4/17/2019 8

Typy genów ulegających ekspresji Gen indukowalny - gen indukowalny to taki, którego ekspresja wzrasta w odpowiedzi na induktor lub aktywator - specyficzny pozytywny sygnał regulacyjny. Indukowane geny mają stosunkowo niskie podstawowe szybkości transkrypcji 4/17/2019 9

Typy genów ulegających ekspresji Geny konstytutywne - są wyrażane w dość stałym tempie i nie podlegają złożonej regulacji. Są one często określane jako geny porządkowe (housekeeping genes). 4/17/2019 10

Typy genów ulegających ekspresji W wyniku mutacji niektóre indukowalne produkty genowe ulegają konstytutywnej ekspresji. Mutacja powodująca konstytutywną ekspresję tego, co wcześniej było regulowanym genem, nazywana jest mutacją konstytutywną 4/17/2019 11

Regulacja ekspresji genów prokariotycznych Kontrolowanie ekspresji genów jest jedną z metod regulowania metabolizmu. Prokarionty muszą zużywać składniki odżywcze i syntetyzować makrocząsteczki wystarczająco szybko, aby zaspokoić swoje potrzeby. 4/17/2019 12

Regulacja ekspresji genów prokariotycznych Geny metabolizujące enzymy ulegają ekspresji tylko w obecności składników odżywczych. Jeśli enzymy nie są potrzebne, geny są wyłączane. Pozwala to na oszczędzanie zasobów komórki. 4/17/2019 13

Cechy ekspresji genów u Prokaryota U prokariontów geny zaangażowane w szlak metaboliczny są często obecne w liniowym układzie zwanym Operonem, np. Operon lac. Operon może być regulowany przez pojedynczy promotor lub region regulacyjny. Cistron jest najmniejszą jednostką ekspresji genetycznej. 4/17/2019 14

Cistron Niektóre enzymy i inne cząsteczki białka składają się z dwóch lub więcej nieidentycznych podjednostek. W tym przypadku koncepcja jeden gen, jeden enzym niekoniecznie jest prawdziwa. Cistron to jednostka genetyczna kodująca strukturę podjednostki cząsteczki białka 4/17/2019 15

Cistron Pojedynczy mrna przenosi informacje dla wielu białek Ten typ mrna nazywany jest policistronowym mrna i jest całkowicie unikalny dla prokariontów Policistronowy mrna Lac Operon ulega translacji na trzy oddzielne białka U Eucaryota m-rna jest monocistronowy 4/17/2019 16

Model Operonu Lac W 1961 r Jacob i Monod opisali swój model Operonu. Ich hipoteza była w dużej mierze oparta na obserwacjach dotyczących regulacji metabolizmu laktozy przez bakterię jelitową E. coli. 4/17/2019 17

Operon Lac podstawowa koncepcja Bakterie takie jak E. coli zwykle polegają na glukozie jako źródle węgla i energii. Jednak gdy glukozy jest za mało, E. coli może wykorzystywać laktozę jako źródło węgla, nawet jeśli ten disacharyd nie uczestniczy w głównym szlaku metabolicznym. Niezbędnym enzymem w metabolizmie laktozy jest β-galaktozydaza, która hydrolizuje laktozę do galaktozy i glukozy 4/17/2019 18

Operon Lac podstawowa koncepcja 4/17/2019 19

Indukowalny Operon Lac Komórka E. coli rosnąca na źródle węgla, takim jak glukoza lub glicerol, zawiera mniej niż 10 cząsteczek β-galaktozydazy. W przeciwieństwie do tego, ta sama komórka zawiera kilka tysięcy cząsteczek enzymu jeśli jest hodowana na laktozie. Obecność laktozy w pożywce hodowlanej indukuje duży wzrost ilości β-galaktozydazy poprzez wywoływanie syntezy nowych cząsteczek enzymu zamiast aktywowania wcześniej istniejącego, ale nieaktywnego prekursora. 20

Składniki Operonu Lac Elementy genetyczne modelu są regulacyjną sekwencją DNA zwaną miejscem operatora i zestawem genów strukturalnych. Gen regulatorowy koduje białko represorowe, które wiąże się z miejscem operatora. Wiązanie represora z operatorem zapobiega transkrypcji genów strukturalnych. Operator i związane z nim geny strukturalne tworzą Operon. 21

Składniki Operonu Lac Dla Operonu laktozowego, gen i koduje represor, o jest miejscem operatora, a geny z, y, a są genami strukturalnymi odpowiednio dla β- galaktozydazy, permeazy i transacetylazy. Operon zawiera również miejsce promotora (oznaczone p), które kieruje polimerazę RNA do właściwego miejsca inicjacji transkrypcji. 4/17/2019 22

Składniki Operonu Lac 23

Składniki Operonu Lac Geny z, y i a ulegają transkrypcji, dając pojedynczą cząsteczkę policistronowego mrna, która koduje wszystkie trzy białka. 4/17/2019 24

Jak represor lac hamuje ekspresję Operonu lac? Represor lac występuje jako dimer podjednostek 37-kd, a dwa dimery często łączą się, tworząc tetramer. W przypadku braku laktozy represor wiąże się bardzo ściśle i szybko z operatorem. 4/17/2019 25

Kontrola negatywna- Represja Gdy represor lac jest związany z DNA, zapobiega związaniu polimerazy RNA z miejscowym rozpleceniem nici DNA W ten sposób wytwarza się bardzo mało β- galaktozydazy, permeazy lub transacetylazy. 4/17/2019 26

Lac I Promoter gene Operator gene Lac Z Lac Y Lac A RNA polymerase Translation & Transcription No Gene Expression R 4/17/2019 27

W jaki sposób obecność laktozy wyzwala ekspresję Operonu? Podwójna kontrola negatywna - derepresja Laktoza lub analog laktozy, wiążą się z represorem lac i działają jako induktory operonu Analog laktozy, który jest zdolny do indukowania operonu lac, podczas gdy sam nie służy jako substrat dla galaktozydazy, jest przykładem induktora daremnego. Przykładem jest izopropylotiogalaktozyd (IPTG) 4/17/2019 28

Derepresja Gdy represor lac jest związany z induktorem, powinowactwo represora do DNA operatora jest znacznie zmniejszone. To wiązanie prowadzi do lokalnych zmian konformacyjnych, tak że nie może on łatwo kontaktować się z DNA, co prowadzi do dramatycznego zmniejszenia powinowactwa wiązania z DNA i odłączenia się represora. Z niezajętym miejscem operatora wiąże się polimeraza RNA, która może następnie transkrybować inne geny lac, a bakteria wytwarza białka niezbędne do skutecznego wykorzystania laktozy. 4/17/2019 29

Lac I Promoter gene Operator gene Lac Z Lac Y Lac A RNA polymerase Translation & Transcription Desired product R Repressor tetramer Inactive repressor 4/17/2019 30

Induktor powoduje derepresję operonu lac i umożliwia transkrypcję genów strukturalnych β-galaktozydazy, permeazy galaktozydowej i transacetylazy tiogalaktozydu. Enzymy zarówno represyjne jak i indukowalne są przykładem negatywnej kontroli szlaku. Aktywacja białek represorowych zamyka szlak. Kontrola pozytywna wymaga przełączenia cząsteczki aktywatora na transkrypcję. 4/17/2019 31

Kontrola pozytywna - wiązanie CAP-cAMP Istnieją również białka wiążące DNA, które stymulują transkrypcję. Jednym ze szczególnych przykładów jest białko aktywatora katabolicznego (CAP), które jest również znane jako białko odpowiedzi na camp (CRP). W operonie lac, CAP wiąże się z odwróconym powtórzeniem par zasad, które jest wyśrodkowane w pobliżu pozycji -61 względem miejsca startu do transkrypcji 4/17/2019 32

4/17/2019 33

Kontrola pozytywna - wiązanie CAPcAMP Wewnątrz operonu lac, CAP wiąże się z miejscem -61 Kompleks CAP-cAMP stymuluje inicjację transkrypcji około 50-krotnie. Głównym czynnikiem w tej stymulacji jest rekrutacja polimerazy RNA do promotorów, z którymi związana jest CAP. 4/17/2019 34

Kontrola pozytywna Wzrost poziomu camp w komórce bakterii E. coli powoduje tworzenie kompleksów CAP-cAMP, które wiążą się z wieloma promotorami i stymulują transkrypcję genów kodujących różne enzymy kataboliczne. Zatem regulacja CAP-cAMP działa jako regulator pozytywny, ponieważ jej obecność jest wymagana do ekspresji genów. 4/17/2019 35

Maksymalna Ekspresja Operonu lac Operon lac jest kontrolowany przez dwa odrębne czynniki wiążące DNA; Jeden, który działa pozytywnie (kompleks camp-crp) Drugi, który działa negatywnie (represor LacI). Maksymalna aktywność Operatora lac występuje, gdy poziomy glukozy są niskie (wysoki camp z aktywacją CAP), a obecna jest laktoza. LacI zapobiega wiązaniu się z operatorem). 4/17/2019 36

Lac I Promoter gene Operator gene Lac Z Lac Y Lac A RNA polymerase mrna No Gene Expression R R R R Repressor molecules Repressor tetramer Lactose absent 4/17/2019 Biochemistry For Medics 37

Lac I Promoter gene Operator gene Lac Z Lac Y Lac A RNA polymerase mrna - galactosidase Inducer mrna Lactose/ Isopropyl Thiogalactoside (IPTG) present R R R R R Permease Thiogalactoside Inactive repressor transacetylase 4/17/2019 Biochemistry For Medics 38

If there occurs no glucose metabolism Glucose & Lactose present No transcription of ZYA genes Lac Operon repressed Glucose camp level Promoter not identified No CAP-cAMP complex No Gene Expression 4/17/2019 Biochemistry For Medics 39

CAP If there occurs glucose metabolism camp Lac I Promoter gene Operator gene camp Lac Z Lac Y Lac A RNA polymerase Glucose pool gets depleted due to metabolism R I -galactosidase Permease Thiogalactoside transacetylase IR mrna CAP-cAMP complex formed 4/17/2019 40