Regulacja ekspresji genu Genetyka Regulacja ekspresji genu

REGULACJA EKSPRESJI GENU – to złożony wielopoziomowy i wieloczynnikowy proces. Na każdym z etapów ekspresja genu może być regulowana za pomocą różnych mechanizmów. Ekspresja genu zależy od rodzaju komórki, fazy rozwoju organizmu, metabolicznego i fizjologicznego stanu komórki.  

U eukariotów regulacja ekspresji genu odnosi się do każdego o genu i różnych etapów jego ekspresji: ·         zainicjowanie transkrypcji genu przez czynniki transkrypcyjne; ·         synteza pre-mRNA przez polimeraze RNA; ·         obróbka posttranskrypcyjna, dzięki której powstaje dojrzały mRNA; ·         transport mRNA z jądra komórkowego do cytoplazmy; ·         rozpoznanie mRNA przez rybosom i translacja; ·         degradacja mRNA; ·         fałdowanie białka (nabywanie struktury trzeciorzędowej białka ); ·         modyfikacje potranslacyjne, np. glikolizacja, fosforylacja; przemieszczenie białka do celu spełnienia funkcji biologicznej;         ·   degradacja białka.

Procesy transkrypcji i translacji są regulowane poprzez promotory, charakterystyczne sekwencje położone w okolicach startu transkrypcji danego genu. Wydajność translacji może być regulowana na kilka sposobów. W komórkach eukariotycznych podczas biosyntezy białka tworzenia mRNA jest sterowane przez polimerazę RNA II (zależną od DNA). Sama nie jest ona zdolna do inicjacji transkrypcji i potrzebuje do tego czynników transkrypcyjnych. Odpowiednie czynniki przyłączają się do rozpoznawanych przez nie sekwencji DNA, które znajdują się w proksymalnym regionie startu transkrypcji.

Struktura genu eukariotycznego

Promotor może wykazywać odmienne umiejscowienie w odniesieniu do miejsca startu transkrypcji. Wyróżniamy dwa podstawowe typy promotorów w zależności od ich położenia: promotory skupione i rozproszone.

Promotory skupione charakteryzują się wyraźnym miejscem startu transkrypcji. Zazwyczaj jest to precyzyjnie określony pojedynczy nukleotyd. Niektóre geny posiadają miejsce startu transkrypcji zlokalizowane w wyraźnych klastrach obejmujących kilka nukleotydów. Większość eukariotycznych promotorów to promotory skupione ale u kręgowców stanowią jedynie 30%. Są  one starsze ewolucyjnie i występują w większym zakresie różnego typu organizmów

Promotory rozproszone W tego typu promotorach można znaleźć wiele miejsc startu transkrypcji. Najczęściej są one rozproszone w obszarze obejmującym 50-100 par zasad. Stąd nazwa tego typu promotorów. Promotory rozproszone są słabiej zbadane niż skupione

Do inicjacji transkrypcji   potrzebnych jest 5 głównych czynników transkrypcyjnych. Część promotorów transkrybowanych przez polimerazę RNA II zawiera kasetę TATA. Sekwencja ta jest odpowiedzialna za inicjację transkrypcji, która zaczyna się związaniem białka TATA-binding protein (TBP) z kasetą TATA. Jest ono częścią czynnika transkrypcyjnego TFIID (1). Dalej przyłączają się kolejne podstawowe czynniki transkrypcyjne – TBP przyłącza TFIIB (2), następnie przyłącza się polimeraza RNAII wspólnie z  TFIIF (3). Do inicjacji są konieczne jeszcze dwa kolejne czynniki: TFIIE (4) i TFIIH – helikaza (5).

Promotory eukariotyczne z sekwencjami regulatorowymi

Downstream promoter element (DPE) Downstream promoter element został zidentyfikowany jako region wiążący TFIID, niezbędny do podstawowej aktywności promotora. Mutacja w jego obrębie może spowodować nawet 50-krotny spadek poziomu transkrypcji. Występuje w wielu promotorach

Elementy strukturalne promotora umożliwiające wiązanie się czynników transkrypcyjnych inicjujących transkrypcję TBP- TATA Binding Protein - białko wiążące się do kasety (boxu )TATA. Jest ono częścią czynnika transkrypcyjnego IID ↔TBP

Initiator element (Inr) W przypadku braku kasety TATA , TFIID może wiązać się do Inr, albo do innych sekwencji. Tutaj również ważne jest białko TBP, ponieważ tworzy ono kompleks z TFIIB, a kolejne kroki przebiegają już jak wyżej. Inr swoją sekwencją obejmuje miejsce startu transkrypcji. Jest to najprawdopodobniej najczęściej występujący motyw w promotorach skupionych. Inr najczęściej występuje wspólnie z TATA box. Jednak jest w stanie samodzielnie inicjować transkrypcję w przypadku, gdy w promotorze nie występuje kaseta TATA.

Enhancery – wzmacniacze transkrypcji leżą poza obszarem genu z reguły upstream

Sekwencje regulatorowe ulokowane poza obszarem genu

Regulacja ekspresji genu poprzez hormony steroidowe, które aktywują całe grupy genów

Ulokowanie sekwencji regulatorowych upstream od miejsca inicjacji transkrypcji

Regulacja ekspresji genów stwarza możliwości szybkiego reagowania na zmieniające się warunki środowiska, w którym żyje komórka. Np. nagłe zwiększenie temperatury spowoduje uaktywnienie ekspresji genów kodujących odpowiednie białka opiekuńcze chroniące inne białka przed denaturacją cieplną.  Jedną z metod kontrolowania ekspresji genu jest także metylacja lub rzadziej acetylacja. Zaburzenia metylacji i wynikające z nich nieprawidłowości ekspresji genów są jedną z przyczyn powstawania komórek nowotworowych.

Przebieg procesu kontroli ekspresji genu różni się pomiędzy pro- i eukariontami. U bakterii geny są zwykle zorganizowane w grupy genów (operony), których produkty obsługują jeden szlak metaboliczny. Operony są regulowane przez jeden wspólny promotor i przepisywane na zawierający kilka genów jeden mRNA.