Информације

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25 - Biologija

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25 - Biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ciljevi učenja povezani sa 2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25

  • С обзиром на централну догму, предложите образложење за потребу регулисања сваког корака, укључујући разградњу биомолекула.
  • Uzimajući u obzir informacije u vezi sa alosteričnom regulacijom proteina koji vezuje DNK, predvidite kakav bi efekat imala promena koncentracije alosteričnog regulatora na vezivanje transkripcionog faktora za regulatorni element.
  • Opišite uloge pozitivnih i negativnih transkripcionih regulatora u kontroli ekspresije gena.
  • Нацртајте моделе који помажу да се објасни како алостерично везивање малих молекула за транскрипционе факторе са позитивним и негативним деловањем може у оба случаја објаснити њихову способност да "појачају" или "одбију" транскрипцију на начин који зависи од концентрације малих молекула.

Примери регулације бактеријских гена

Ovaj odeljak opisuje dva primera regulacije transkripcije kod bakterija. Budite na oprezu u nastavi, u diskusijama i u vodičima za proučavanje za proširenje ovih ideja i koristite ih da objasnite regulatorne mehanizme koji se koriste za regulisanje drugih gena.

Примери регулације гена у E. coli

ДНК бактерија иarchaeaobično se organizujuу један или више кружних хромозома у цитоплазми. Gusti agregat DNK koji možeда се видина електронским микрографимасе зовеnukleoid. Kod bakterija i arheja,гени,чији израз треба дабити чврсто координисани(npr. geni koji kodiraju proteine ​​uključene u isti biohemijski put)često su grupisaneblisko zajedno u genomu. Kada se ekspresija više genaсе контролишеод истог промотера и једног транскриптасе производиove izrazne jediniceсе зовеоперони. Na primer, u bakteriji Есцхерицхиа цоли сви гени потребни за коришћење лактозесу кодираниjedan pored drugog u genomu. Овај аранжман називамо лактоза (или лац) оперон. U mnogim bakterijama i arhejama skoro 50% svih genasu kodiraniu operone dva ili više gena.

Uloga promotera

Први ниво контроле експресије гена је на самом промотору. Неки промотери регрутују РНК полимеразу и претварају те догађаје везивања ДНК за протеине у транскрипте ефикасније од других промотера. Ово суштинско својство промотера, његова способност да произведе транскрипт одређеном брзином,се односида аспромотерsnaga. Што је промотер јачи,što se više RNK stvaraу било ком датом временском периоду. Снага промотера можебити „подешен"од Природе уВеома малиili veoma velikim koracima promenom nukleotidne sekvence promotera (npr. mutiranje promotera). Ово резултира породицама промотера различитих снага које то могуда се користи законтролише максималну брзину експресије гена за одређене гене.

UC Davis dodiplomska veza:

Група студената Универзитета Давис, заинтересована за синтетичку биологију, користила је ову идеју за стварање синтетикепромотербиблиотеке за инжењерске микробе у оквиру њиховог дизајнерског пројекта за 2011 иГЕМ конкуренција.

Пример #1: Трп Оперон

Логика за регулисање биосинтезе триптофана

E. coli, као и сви организми, мора или синтетизирати или конзумирати аминокиселине да би преживио. Аминокиселина триптофан je jedna takva aminokiselina. Е. цоли може или да увози триптофан из околине (једе оно што може да уклони из света око себе) или да синтетише триптофан де ново koristeći enzime kodirane sa pet gena. Ових пет генапребиватиједно поред другог у E. coli геном у ономе што називамо triptofan (trp) оперон (Slika ispod). Ako je triptofan prisutan u okolini, onda E. coli не треба да га синтетишу и прекидач који контролише активацију гена у trp оперон се искључује. Međutim, kada je dostupnost triptofana u okruženju niska, prekidač kontroliše operonје окренутна,започиње транскрипција, генису изражене, a organizam sintetiše triptofan. Pogledajte sliku i paragrafe ispod za mehaničko objašnjenje.

Organizacija trp оперон

Pet gena koji kodiraju enzime biosinteze triptofana

уређени су

секвенцијално на хромозому и под контролом су једног промотера - односно природне селекције

организовали овеgene

у оперон. Непосредно пре него што је регион кодирања почетно место транскрипције. Ovo je, kao što ime implicira, lokacija na kojoj RNK polimeraza započinje novi transkript. Промоторска секвенца је даље узводно од почетног места за транскрипцију.

ДНК секвенца која се назива "оператер"

je takođe kodiran

između promotera i prvog trp kodirajući gen. Ово оператер је секвенца ДНК за коју ће се везати протеин транскрипционог фактора.

Još nekoliko detalja u vezi sa TF veznim mestima

Treba napomenuti da je upotreba termina „operator“ ograničena na samo nekoliko regulatornih sistema i skoro uvek se odnosi na mesto vezivanja za negativno delujući faktor transkripcije. Концептуално, морате запамтити да постоје места на ДНК која ступају у интеракцију са регулаторним протеинима, омогућавајући им да обављају своју одговарајућу функцију (нпр. Потискују или активирају транскрипцију). Ова тема ће се универзално понављати у биологији, било да се ради о термину "оператер"

се користи

.

Иако конкретни примери које ћете приказати приказују места везивања ТФ -а на њиховим познатим локацијама, ове локације нису универзалне за све системе. Везна места за фактор транскрипције могу се разликовати у односу на промотер. Постоје неки обрасци (нпр. Позитивни регулатори су често узводно од промотора, а негативни регулатори везани низводно), али ове генерализације нису тачне за све случајеве. Opet, ključna stvar koju treba zapamtiti je da faktori transkripcije (i pozitivno i negativno deluju) imaju mesta vezivanja sa kojima stupaju u interakciju kako bi pomogli u regulisanju inicijacije transkripcije pomoću RNK polimeraze.

Pet gena koji su bili potrebni za sintezu triptofana u E. coli grupišu jedan pored drugog utrpoperon. Када је триптофана у изобиљу, два молекула триптофана се везују за фактор транскрипције и омогућавају комплексу ТФ-триптофана да се веже за секвенцу оператора. Ово физички блокира РНА полимеразу да транскрибира гене биосинтезе триптофана. Kada je triptofan odsutan, faktor transkripcije se ne vezuje za operatera igeni su transkribovani.
Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

Регулација trp оперон

Kada je triptofan prisutan u ćeliji: dva molekula triptofana se vezuju za trp represorski protein. Kada se triptofan veže za faktor transkripcije, on izaziva konformacionu promenu u proteinu koja sada omogućava TF-triptofan kompleksu da se veže za trp низ оператора. Vezivanje kompleksa triptofan-represor kod operatera fizički sprečava RNK polimerazu da se veže i transkribuje nizvodne gene. Када триптофан није присутан у ћелији, фактор транскрипције се не веже за оператора; дакле, транскрипција се наставља, гени за употребу триптофана

su transkribovani

и преведено, и триптофан

se tako sintetiše

.

Pošto se faktor transkripcije aktivno vezuje za operatera da bi geni bio isključen, trp оперон

је рекао

до

biti „negativno regulisan

"и протеини који се везују за оператора да утишају trp израз су негативни регулатори.


Могућа напомена за дискусију Тачка

Pretpostavimo da je priroda zauzela drugačiji pristup regulisanju trp operona. Предложите метод за регулисање израза trp operon sa pozitivnim regulatorom umesto negativnim regulatorom. Opišite kako bi ovo moglo da funkcioniše. (Наговестити: postavljamo ovakva pitanja na ispitima)


Eksterna veza

Pogledajte ovaj video da biste saznali više o trp operon.

Пример #2: лац оперон

Образложење за проучавање лац оперон

У овом примеру испитујемо регулацију гена који кодирају протеине чија је физиолошка улога увоз и асимилација дисахаридне лактозе, лац operon. Priča o regulisanju лац operon je uobičajen primer koji se koristi u mnogim uvodnim časovima biologije da bi se ilustrovali osnovni principi inducibilne regulacije gena. Овај пример описујемо друго јер је, по нашој процени, компликованији од претходног примера који укључује активност једног негативно делујућег транскрипционог фактора.

Nasuprot tome, the

regulisanje na лац оперон је диван пример како координирана активност и позитивних и негативних регулатора око истог промотера може интегрисати више различитих извора ћелијских информација за регулисање експресије гена.

Док будете пролазили кроз овај пример, имајте на уму последњу тачку. За многе инструкторе Бис2а важније је да научите лац оперон прича i vodećim principima nego što je za vas da zapamtite logičku tabelu predstavljenu u nastavku. У том случају, инструктор ће вас обично обавестити. Ови инструктори често намерно НЕ укључују испитна питања о лац operon. Уместо тога, провериће вас да ли сте разумели основне принципе на којима леже регулаторни механизми које проучавате на примеру лац оперона. Ако није јасно шта инструктор жели, питајте.

Употреба лактозе

Лактоза је дисахарид састављен од хексоза глукозе и галактозе. Често се у млеку и неким млечним производима сусрећемо са лактозом. Kao što se može zamisliti, disaharid može biti važna hrana za mikrobe koji mogu da koriste svoje dve heksoze. цоли može koristiti više različitih šećera kao izvora energije i ugljenika, uključujući

laktoza

and the лац оперон је структура која кодира гене неопходне за

стећи

и прерађују лактозу из локалне средине. цоли, međutim, ne susreće se često sa laktozom, a samim tim i sa genima лац operon mora tipično

бити потиснут

(tj. "isključeno") kada je laktoza odsutna. Покретање транскрипције ових гена у недостатку лактозе трошило би драгоцену ћелијску енергију.

Nasuprot tome, kada

laktoza, logično bi imalo smisla za gene odgovorne za korišćenje šećera

бити изражен

(тј. „укључено“). До сада је прича веома слична оној са триптофаном опероном који је горе описан.

Međutim, postoji kvaka. Експерименти спроведени у

1950-ih

od Jacoba i Monoda pokazao da E. coli preferira da koristi svu glukozu prisutnu u okruženju pre nego što upotrebi laktozu. To znači da je mehanizam koji se koristi za odlučivanje

да ли или не

da bi izrazili geni za iskorišćenje laktoze, moraju biti u stanju da integrišu dve vrste informacija (1) koncentraciju glukoze i (2) koncentraciju laktoze. Иако би ово теоретски могло

бити остварен

na više načina, ispitaćemo kako лац оперон то постиже коришћењем више транскрипционих фактора.

Regulatori transkripcije лац оперон

Тхе лац репресор - директни сензор лактозе

Kao što je navedeno, лац operon normalno ima veoma nizak ili nikakav transkripcioni izlaz u odsustvu laktoze. Ovo je zbog dva faktora: (1) konstitutivna snaga promotera za operon je relativno niska i (2) konstantno prisustvo LacI represorskog proteina negativno utiče na transkripciju. Овај протеин се веже за место оператера у близини промотора и блокира транскрипцију РНА полимеразе лац оперонски гени.Насупрот томе, акоАко је присутна лактоза, лактоза ће се везати за ЛацИ протеин, изазивајући конформациону промену која спречава да се комплекс ЛацИ-лактозе веже за своја места везивања. Стога, када је присутна лактоза, негативни регулаторни ЛацИnije vezanна његово место везивања и може се наставити транскрипција лактозе помоћу гена.

CAP protein - indirektni senzor glukoze

Ин E. coli, када ниво глукозе падне, мали молекул циклични АМП (камп) акумулира се у ћелији.

камп

је уобичајен сигнални молекул који

укључен је, уплетен је, обухваћен је, бави се

u metabolizmu glukoze i energije u mnogim organizmima. Када ниво глукозе опада у ћелији, растуће концентрације

камп

дозвољавају да се ово једињење веже за позитивни регулатор транскрипције тзв protein aktivator katabolita (CAP) - такође се назива ЦРП.

камп

-ЦАП комплекс има много локација широм E. coli геном и многа од ових места

Налазимо се

у близини промотера многих оперона који контролишу прераду различитих шећера.

У лац оперон,

камп

-ЦАП место везивања

се налази

узводно од промотера. Vezivanje od

камп

-CAP do DNK pomaže da se regrutuje i zadrži RNK polimeraza na promoteru. Повећана попуњеност РНА полимеразе њеном промотору

, заузврат,

резултира повећањем транскрипционог учинка. Овде протеин ЦАП делује као позитиван регулатор.

Имајте на уму да је ЦАП-

камп

kompleks može, u drugim operonima, takođe delovati kao negativni regulator u zavisnosti od toga gde je mesto vezivanja za CAP-

камп

комплекс

се налази

у односу на место везивања за РНА полимеразу.

Stavljajući sve zajedno: izazivanje ekspresije lac operona

За лац оперон тобити активиран,moraju biti ispunjena dva uslova. Прво, ниво глукозе мора бити веома низак или га уопште нема. Drugo, laktoza mora biti prisutna. Само ако глукозе нема и лактозе је присутнотхелацоперонбити преписан. Када је ово стањесе постижетхеLacI-laktozni kompleks odvaja negativni regulator od blizu promotera, oslobađajući RNK polimerazu da transkribuje gene operona. Visokoкамп(indirektno ukazuje na nizak nivo glukoze) pokreću formiranje CAP-кампкомплекс. Овај пар ТФ-индуктора се сада везује у близини промотора и делуједа се позитивно регрутујеРНК полимераза. Овај додатни позитиван утицај повећава транскрипцијски излазиконзерва лактозебити ефикасно искоришћен.Opisan je mehanički učinak drugih kombinacija stanja binarne glukoze i laktozeу доњој табели и на слици која следи.

Табела истине за Лац Оперон

Transkripcija lac operonaje pažljivo regulisanтако да до његовог изражаја долази само када глукозаје ограниченоа лактоза је присутна да служи као алтернативни извор горива.
Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

Signali koji indukuju ili potiskuju transkripciju лац Оперон
ГлукозаЦАП вежеЛактозаРепресор се вежеТранскрипција
+--+Не
+-+-Неки
-+-+Не
-++-да

Нијансиранији поглед на функцију потискивача лац

Опис функције лац репресора исправно описује логику управљачког механизма који се користи околацpromoter. Међутим, молекуларни опис места везивања је мало превише поједностављен. U stvarnosti, lac represor ima tri slična, ali ne identična, vezujuća mesta koja se zovu Operator 1, Operator 2 i Operator 3. Operator 1 je veoma blizu početne lokacije transkripta (označeno sa +1).Operator 2 se nalazioko +400nt u oblasti kodiranjaLacZпротеин.Оператер 3 се налазиоко -80нт пре почетка транскрипта (само "изван" места везивања ЦАП -а).

Regulatorni region lac operona koji prikazuje promoter, tri lac operatora i CAP vezujuće mesto.Takođe je prikazan region kodiranja za Lac Z proteinу односу на низове оператора. Имајте на уму да су два оператора у региону за кодирање протеина - постоји више различитихврстеинформације истовремено кодиране у ДНК.
Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

Tetramer lac represora (plavi) je prikazivao vezivanje dva operatera na lancu DNK u petlji (narandžasta).
Приписивање:Марц Т.. Facciotti (sopstveni rad) – Adaptirano od Goodsell-a (https://pdb101.rcsb.org/motm/39)

Регулација гена еукариота

Преглед прописа

Kao što je ranije pomenuto, regulacija se svodi na donošenje odluka. Regulacija gena se, kao opšta tema, odnosi na

odlučujući

о функционалном изражавању генетског материјала. Без обзира на то да ли је крајњи производ врста РНК или протеин, производња коначног израженог производа захтева процесе који пролазе кроз више корака. Провели смо неко време расправљајући о неким од ових корака (тј. Транскрипцији и превођењу) и неким механизмима које природа користи за откривање ћелијских и информација о животној средини како би регулисала почетак транскрипције.

Kada smo razgovarali o konceptu jakih i slabih promotera, uveli smo ideju da regulisanje količine (broja molekula) transkripta proizvedenog od promotera u nekoj vremenskoj jedinici takođe može biti važno za funkciju. Ово не би требало да буде потпуно изненађујуће. Za gen koji kodira protein, što je više transkripta proizvedeno, veći je potencijal za stvaranje više proteina. Ovo može biti važno kada je stvaranje velike količine određenog enzima ključno za preživljavanje. U drugim slučajevima, ćeliji je potrebno samo malo specifičnog proteina, a stvaranje previše bi predstavljalo gubitak ćelijskih resursa.

Ево

, ćelija može preferirati niske nivoe transkripcije. Promoteri različitih snaga mogu zadovoljiti ove različite potrebe. Што се тиче броја транскрипта, такође смо кратко споменули да синтеза није једини начин за регулисање обиља. Процес деградације је такође важно узети у обзир.

У овом одељку додајемо ове теме фокусирањем на еукариотске регулаторне процесе. Конкретно, испитујемо - а понекад и преиспитујемо - више корака потребних за изражавање генетског материјала у еукариотским организмима у

kontekstu

регулација. Želimo da ne samo da razmišljate o procesima, već i da prepoznate da je svaki korak u procesu izražavanja takođe prilika za fino podešavanje ne samo obilja transkripta ili proteina, već i njegovog funkcionalnog stanja, oblika (ili varijante), i/ili stabilnost. Сваки од ових додатних фактора такође може бити од виталног значаја за разматрање за утицај на обиље условно специфичних функционалних варијанти.

Strukturne razlike između bakterijskih i eukariotskih ćelija koje utiču na regulaciju gena

Главни знак еукариотске ћелије је језгро, двострука мембрана која затвара наследни материјал ћелије. Да би се ДНК организма ефикасно уклопила у затворени простор језгра, ДНК се прво пакује и организује помоћу протеина у структуру која се назива хроматин. Ово паковање нуклеарног материјала смањује приступ одређеним деловима хроматина. Neki elementi DNK su tako čvrsto spakovani da transkripciona mašinerija ne može pristupiti regulatornim mestima poput promotera. То значи да једно од првих места транскрипционе регулације код еукариота мора бити контролни приступ самој ДНК. Proteini hromatina mogu biti podložni enzimskoj modifikaciji koja može uticati na to da li se čvrsto vezuju (ograničen pristup transkripciji) ili labavije (veći transkripcioni pristup) za segment DNK

.

Ovaj proces modifikacije – u kom god pravcu

се сматра

prvo - je reverzibilno. Стога, ДНК може

бити динамички секвестриран

i stavljen na raspolaganje kada je „pravo vreme“.

Регулација експресије гена код еукариота такође укључује

неке од

исти додатни фундаментални механизми разматрани у модулу о регулацији бактерија (тј. употреба јаких или слабих промотора, транскрипционих фактора, терминатора итд.), али је стварни број укључених протеина типично много већи код еукариота него бактерија или археја.

Пост-транскрипциона ензимска обрада РНК која се јавља у језгру и извоз зрелог

мРНА

на цитосол постоје две додатне разлике између регулације бактеријских и еукариотских гена. У наставку ћемо детаљније размотрити овај ниво регулације.

Prikaz nekih ključnih razlika između procesa ekspresije bakterijskih i eukariotskih gena. Napomena u ovom slučajuприсуствохистона и модификатора хистона, спајање пре-мРНА, i izvoz zrele RNK iz jezgra kao ključni diferencijatori između bakterijskog i eukariotskog sistema.
Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

ДНК паковање и епигенетски маркери

DNK u eukariotskim ćelijamaje upravo rana, пресавијени и збијени у хромозоме тако да ће се уклопити у језгро. Језгротакође организује ДНКпа кључни протеиниmože lako pristupiti određenim segmentima hromozomaпо потреби. Подручја хромозома која су чвршће збијена протеини ће се теже везати и стога ће довести до смањене експресије гена гена кодираних у тим подручјима. Labavo zbijenim regionima genoma biće lakši pristup proteinima, čime se povećava verovatnoća da ćeаген ће бити транскрибован. Ovde se govori o tome kako ćelije regulišu gustinu zbijanja DNK.

ДНК паковање

Први ниво организације или паковања је навијање ДНК нити хистон протеини. Хистони пакују и уређују ДНК у структурне јединице тзв нуклеосоми, који може контролисати приступ протеина специфичним регионима ДНК. Pod elektronskim mikroskopom, ovo namotavanje DNK oko histonskih proteina za formiranje nukleozoma izgleda kao male perle na niti. Ове куглице (комплекси нуклеосома) могу да се крећу дуж низа (ДНК) како би променили која подручја ДНК су доступна машинама за транскрипцију. Док се нуклеосоми могу кретати како би отворили структуру хромозома како би изложили сегмент ДНК, они то раде на веома контролисан начин.

ДНК се савија око хистонских протеина и ствара (а) комплексе нуклеосома. Ovi nukleozomi kontrolišu pristup proteina osnovnoj DNK. Kada se posmatra kroz elektronski mikroskop (b), нуклеосоми изгледају као перле на жици. (kredit „mikrografija“: modifikacija dela Krisa Vudkoka)

Модификација хистона

Како се протеини хистона крећу зависи од хемијских сигнала који се налазе и на хистонским протеинима и на ДНК. Ovi hemijski signali su hemijske oznake koje se dodaju histonskim proteinima i DNK koje govore histonima da li hromozomski region treba da bude „otvoren“ ili „zatvoren“. Slika ispod prikazuje modifikacije histonskih proteina i DNK. Ове ознаке нису трајне, али могубити додатili ukloniti po potrebi. То су хемијске модификације (фосфатне, метилне или ацетилне групе) које се везују за одређене аминокиселине у хистонским протеинима или за нуклеотиде ДНК. Ознаке не мењају ДНК базну секвенцу, али онеурадитипроменити колико је ДНК чврсто омотана око протеина хистона. ДНК је негативно наелектрисан молекул; стога ће промене у набоју хистона променити колико ће чврсто бити намотан ДНК молекул. Када су непромењени, протеини хистона имају велики позитиван набој; додавањем хемијских модификација попут ацетилних група, наелектрисање постаје мање позитивно.

Нуклеосоми могу клизити дуж ДНК. Kada nukleozomiсу размакнутеblisko zajedno (gore), faktori transkripcije ne mogu da se vezuju iekspresija gena je okrenutaван. Када нуклеосомису размакнутеudaljeni (dole),ДНК је изложена. Transkripcijski faktori se mogu vezati, omogućavajući ekspresiju gena. Modifikacije histona i DNK utiču na razmak nukleozoma.


Могућа напомена за дискусију Тачка

У каснијој фази сазревања ћелија сперматозоида, хистони (који садрже велики број аминокиселина лизина) замењују се протаминима, који су мали, нуклеарни протеини који су веома богати аминокиселинама аргинином. Za ovaj proces se kaže da je neophodan za kondenzaciju glave sperme i stabilizaciju DNK. Na osnovu ovih informacija, koja poređenja možete napraviti između protamina i histona? Зашто је важно да постоји велики број лизина и аргинина у хистонима и протаминима? Из којих разлога мислите да протамини замењују хистоне у сперми, али не и у другим ћелијама?


Модификација ДНК

Sam molekul DNK se takođe može modifikovati. Ovo se dešava u veoma specifičnim regionima koji se nazivaju CpG ostrva. Ово су протези са високом фреквенцијом парова ДНК цитозина и гванин динуклеотида (ЦГ) који се често налазе у регионима промотера гена. Када ова конфигурација постоји, цитозински члан пара може бити метилиран (dodaje se metil grupa). Ova modifikacija menja način na koji DNK interaguje sa proteinima, uključujući proteine ​​histona koji kontrolišu pristup regionu. Visoko metilovani (hipermetilovani) DNK regioni sa deacetilovanim histonima su čvrsto umotani i transkripciono neaktivni.

Epigenetske promene ne dovode do trajnih promena u DNK sekvenci. Епигенетске промене мењају структуру хроматина (комплекс протеин-ДНК) како би омогућиле или онемогућиле приступ транскрипцији гена. Модификација ДНК, као што је метилација на цитозинским нуклеотидима, може или регрутовати протеине репресоре који блокирају приступ РНК полимеразе да препишегенили могу помоћи у компактирању ДНК да блокирају приступ протеина том подручју генома. Ове промене су реверзибилне, док мутације нису, међутим, могу доћи и до епигенетских промена у хромозомубити наследни.
Извор:измењенфром хттпс: //ресеарцхерблогски.вордпресс....р/dudiwarsito/

Регулација експресије гена ремоделирањем хроматинасе зовеепигенетска регулација. Epigenetički znači „oko genetike“. Промене које се јављају на хистонским протеинима и ДНК не мењају нуклеотидну секвенцу и нису трајне. Уместо тога, ове промене су привремене (иако често трају кроз више рунди ћелијске деобе и могубити наследни) i menjaju hromozomsku strukturu (otvorenu ili zatvorenu) po potrebi.

Eksterna veza

Погледајте овај видео који описује како епигенетска регулација контролише експресију гена.

Структура гена еукариота и обрада РНК

Структура гена еукариота

Mnogi eukariotski geni, posebno oni koji kodiraju proteinske proizvode,su kodiraniна геному дисконтинуирано.Тхекодни регион је покваренna komade intervenišući nekodirajući genski elementi. Ми називамо регије кодирања еконс док интервенишући некодирајући елементисе називајуинтрони. Доња слика приказује генерички еукариотски ген.

Делови типичног дисконтинуираног еукариотског гена. Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

Делови генеричког еукариотског гена укључују познате елементе као што су промотер и терминатор. Између та два елемента, регион кодира све елементе гена који имају потенцијал да

biti preveden

(немају стоп кодоне), као у бактеријским системима,

се зове

отворени оквир за читање (ОРФ). Enhancer i/ili

пригушивач

елементи су региони ДНК који регрутују регулаторне протеине. Они могу бити релативно близу промотора, као у бактеријским системима, или удаљени хиљадама нуклеотида. Takođe prisutni u mnogim bakterijskim transkriptima, takođe postoje 5' i 3' neprevedeni regioni (UTR). Ове регије гена кодирају сегменте

препис,

што, како им имена говоре,

nisu prevedeni

и седи 5, односно 3 'према ОРФ -у. УТР обично кодирају неке регулаторне елементе критичне за регулисање транскрипције или кораке експресије гена који се јављају пост-транскрипционо.

RNK vrste koje su rezultat transkripcije ovih gena su takođe diskontinuirane i stoga moraju

бити обрађен

пре изласка из језгра у

biti preveden

или се користе у цитосолу као зреле РНК. У еукариотским системима ово укључује спајање РНК, затварање 5 ', цепање 3' краја и полиаденилацију. Ова серија корака је сложен молекуларни процес који се мора одвијати унутар затворених граница језгра. Сваки од ових корака пружа могућност за регулисање обима извезених транскрипата и функционалних облика које ће ти транскрипти имати. Iako bi to bile teme za naprednije kurseve, razmislite o tome kako uokviriti

неке од

sledeće teme kao podproblemi Dizajnerskog izazova genetske regulacije. Ако ништа друго,

почети да

cenite visoko orkestrirani molekularni ples koji se mora pojaviti da bi se izrazio gen i kako je ovo zapanjujući deo evolucionog inženjeringa.

5 'покривање

Kao iu bakterijskim sistemima, eukariotski sistemi moraju da sastave pre-inicijacijski kompleks na i oko sekvence promotera da bi započeli transkripciju. Комплекси који се окупљају у еукариота имају многе исте функције као и они у бактеријским системима, али су знатно сложенији и укључују много више регулаторних протеина. Ova dodatna složenost omogućava veću regulaciju i sklapanje proteina sa funkcijama koje se javljaju pretežno u eukariotskim sistemima. Једна од ових додатних функција је „ограничавање“ тек насталих транскрипата.

U genima koji kodiraju eukariotske proteine, RNK koja se prva proizvodi

се зове

пре-

мРНА

. Префикс "пре" означава да ово није потпуна зрела мРНА која хоће

biti preveden

i da prvo zahteva neku obradu. Модификација позната као 5'-затварање настаје након претходног

мРНА

је дугачак око 20-30 нуклеотида. U ovom trenutku pre-RNA obično dobija svoju prvu post-transkripcionu modifikaciju, 5'-cap. "Kapa" je hemijska modifikacija - 7-

metilgvanozin

- чији додатак на 5 'крај транскрипта ензиматски катализује више ензима који се називају ензимски комплекс (ЦЕЦ), група више ензима који изводе секвенцијалне кораке укључене у додавање 5'-капе. ЦЕЦ се везује за РНА полимеразу врло рано у транскрипцији и врши модификацију 5 'трифосфата, после чега се преноси на ГТП

у том циљу

(повезивање два нуклеотида помоћу јединствене везе 5'-до-5 '), метилација новопренесеног гванина, ау неким транскриптима додатне модификације првих неколико нуклеотида. Čini se da ova 5'-kapa funkcioniše tako što štiti novi transkript od degradacije i

брзо се веже

помоћу протеина који везују РНК, познатих као комплекс који се веже са капом (ЦБЦ). Postoje neki dokazi da ova modifikacija i proteini vezani za nju igraju ulogu u ciljanju transkripta za izvoz iz jezgra. Zaštita nove RNK od degradacije nije važna samo za očuvanje energije uložene u stvaranje

препис

али

jasno je uključen

у регулисању обиља

потпуно функционалан

транскрипт који

се производи

.

Штавише,

улога 5'-цап-а у вођењу транскрипта за извоз директно ће помоћи у регулисању не само количине транскрипта који

је направљен

али, можда

што је још важније,

količina prepisa koji

се извози

na citoplazmu koja ima potencijal da

biti preveden

.

Struktura tipične 7-метилгванилаткапа. Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

Спајање транскрипта

Ćelije moraju da obrađuju transkripte u nastajanju u zrele RNK spajanjem egzona i uklanjanjem interventnih introna. Oni

остварити ово

користећи вишекомпонентни комплекс РНК и протеина који се назива сплицеосом. Комплекс сплицеозома саставља се на новонасталом транскрипту и најчешће доноси одлуке о томе које ће интроне спојити у зрели транскрипт

су израђени

у овом тренутку. Како ове одлуке

су израђениjoš uvek nije potpuno shvaćen

ali uključuje prepoznavanje specifičnih DNK sekvenci na mestima spajanja od strane RNK i proteinskih vrsta i nekoliko katalitičkih događaja. Занимљиво је напоменути да је каталитички део сплицеосома

је направљен

RNK, a ne proteina. Подсетимо се да је рибосом још један пример

a RNK

-proteinski kompleks gde RNK služi kao primarna katalitička komponenta. Одабир варијанте спајања је облик регулације експресије гена.

У овом случају

уместо да утиче на обиље транскрипта, алтернативно спајање омогућава ћелији да одлучи о којој

облик преписа који чини

.

Познати су алтернативни спојни облици гена који резултирају протеинским производима сродне структуре, али различите функције

као изоформе. Стварање изоформи уобичајено је у еукариотским системима и

познат као

da ima značaj u različitim fazama razvoja višećelijskih organizama i u definisanju funkcija različitih tipova ćelija.

Од стране

кодирање више

могуће

генски производи из једног гена чија је иницијација транскрипције

је кодиран

са једне регулаторне странице за транскрипцију (аутор

доношење одлуке

od kojih krajnji proizvod proizvodi post-transkripciono) otklanja potrebu za stvaranjem i održavanjem nezavisnih kopija svakog gena u različitim delovima genoma i razvojem nezavisnih regulatornih mesta. Према томе, способност формирања више изоформи из једног кодирајућег региона треба да буде еволуционо

povoljan

jer omogućava određenu efikasnost kodiranja DNK, minimizira regulatornu složenost transkripcije i može smanjiti energetski teret održavanja više DNK i zaštite od mutacije. Neki primeri

могуће

исходи алтернативног спајања могу укључивати: стварање варијанти ензима са различитим афинитетом супстрата или каталитичким стопама;

signalne sekvence koje ciljaju proteine ​​na različite subćelijske kompartmente mogu se promeniti

; потпуно нове функције, заменом протеинских домена може

бити створен

. Ovo je samo nekoliko primera.

Još jedan interesantan ishod alternativnog spajanja je uvođenje stop kodona koji mogu, kroz mehanizam koji izgleda da zahteva prevod, dovesti do ciljanog propadanja transkripta. То значи да, осим контроле иницијације транскрипције и 5'-затварања, можемо размотрити и алтернативно спајање као један од регулаторних механизама који могу утицати на број транскрипата. Efekti alternativnog spajanja su stoga potencijalno široki - od potpunog gubitka funkcije do nove i raznovrsne funkcije do regulatornih efekata.

Слика која приказује неке различите начине алтернативног спајања која илуструје како различите варијанте спајања могу довести до различитих облика протеина.
Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

3 'крај цепања и полиаденилација

Направљена је једна последња изменадо настајања пре-мРНАпре него што напусте језгро - цепање 3 'краја и његова полиаденилација.Овај процес у два корака је катализованпомоћу два различита ензима (као што је доле приказано) и може украсити 3 'крај транскрипата са до 200 нуклеотида. Ova modifikacija poboljšava stabilnost transkripta.Генерално,вишеКаоу ознаци полиА дужи век трајања транскрипта. Чини се да ознака полиА такође игра улогу уизвоз преписаiz jezgra. Stoga, 3' poliA oznaka igra ulogu u ekspresiji gena regulacijom funkcionalnog obilja transkripta iколико се извозиiz jezgra za prevod.

Uključen je proces u dva korakainмодификујући3 'краја транскрипата пре нуклеарног извоза. To uključuje rezanje transkripata odmah nizvodno od konzervirane sekvence (AAUAAA) i prenošenje adenilatnih grupa. Oba procesa su enzimski katalizovana.
Приписивање:Марц Т.. Фацциотти (сопствено дело)

МикроРНК

Стабилност РНК и микроРНК

Pored gore opisanih modifikacija pre-RNK i povezanih proteina koji se vezuju za nastanak i transkripte, postoje i drugi faktori koji mogu uticati na stabilnost RNK u ćeliji. Један пример су елементи који се зову микроРНК. МикроРНК или миРНК су кратки молекули РНК који имају само 21-24 нуклеотидадужине. МиРНА се преписују у језгру као дуже пре-miRNA. Ови пре-miRNAse naknadno sekuu zrele miRNK pomoću proteina koji se zove dicer. Ове зреле миРНА препознају специфичну секвенцу циљне РНК кроз комплементарно упаривање база. међутим, миРНК се такође повезују са комплексом рибонуклеопротеина који се назива комплекс за утишавање изазван РНК (РИСЦ). РИСЦ везује циљну мРНК, заједно са миРНК, ради разградње циљне мРНК. Заједно, миРНА и комплекс РИСЦ брзо уништавају молекул РНК. Као што се могло очекивати, транскрипција пре-miRNAи њихова накнадна обрадаје такође строго регулисано.

Nuklearni izvoz

Nuklearni izvoz

Потпуно обрађен, зреотранскрипти,морабити извезениkroz jezgro.Није изненађујуће овопроцес укључује координацију зреле врсте РНК на којусу везанимноги додатни протеини - од којих неки имајубили блиско умешаниу горе наведеним модификацијама - и комплекс протеина назван комплекс нуклеарних пора (НПЦ). Транспорт кроз НПЦ дозвољавапротокпротеина и врста РНК да се крећу у оба смера иje posredovanoод странеброј одпротеини.Ovaj proces se može koristitiда селективно регулише транспорт различитих транскрипата у зависности од тога који протеини се повезују са дотичним транскриптом. To znači da nisu svi transkriptise lečeподједнако и НПЦ - у зависности од стања модификације и протеина који су повезани са одређеном врстом РНК можесе преселиобило мање или више ефикасно преко нуклеарне мембране.Одбрзина кретања преко пора утицаће на обиље зрелог транскрипта којисе извозиу цитосол за контролу извоза превођења је још један пример корака у процесу регулације гена који можебити модулиран. Осим тога, недавна истраживања указују на интеракцију између НПЦ -а и транскрипционих фактора упропис оиницирање транскрипције, вероватно кроз неки механизам којим се фактори транскрипције везују за нуклеарнуpore. Овај последњи примердемонстрираколико је међусобно повезана регулација експресије гена у више корака овог сложеног процеса.

Знамо многе додатне детаље горе описаних процеса до одређеног нивоа детаља, али остаје још много питања

бити одговорено

. Ради Бис2а то

је довољан

да се формира модел корака који се дешавају у производњи зрелог транскрипта у еукариотских организама. Насликали смо слику са врло широким потезима, покушавајући да прикажемо сцену која одражава оно што се дешава

обично

kod svih eukariota. Pored učenja o ključnim karakteristikama diferencijacije regulacije eukariotskih gena, takođe bismo želeli da studenti Bis2a razmišljaju o svakom od ovih koraka kao o prilici da priroda reguliše ekspresiju gena

на неки начин

i da se racionalizuje kako nedostaci ili promene u ovim putevima – potencijalno uvedeni mutacijom – mogu uticati na ekspresiju gena.

Иако нисмо експлицитно изнели изазов дизајна или енергетску причу

ovde

ови формализми су вам подједнако вешти у помагању да смислите оно што се описује. Podstičemo vas da pokušate da napravite Energetsku priču za različite procese. Такође вас охрабрујемо да користите рубрику „Изазов дизајна“ за преиспитивање горенаведених прича: идентификујте проблеме које је потребно решити; претпоставити потенцијална решења и критеријуме за успех. Koristite formalizam da kopate dublje i postavljate nova pitanja/identifikujete nove probleme ili stvari koje ne znate o procesima je ono što stručnjaci rade. Šanse su da će vas izvođenje ove predložene vežbe navesti da identifikujete pravac istraživanja koji je neko već vodio (osećaćete

прилично

pametno o tome!). Alternativno, možete postaviti neko potpuno novo pitanje na koje se još niko nije setio.

Kontrola obilja proteina

Nakon što je mRNA transportovana u citoplazmu,преведен јеu proteine. Kontrola ovog procesaу великој мери зависина молекулу РНК. Као што је раније речено, стабилност РНК ће имати велики утицај на њено превођење у протеин. Како се стабилност мења,Износмења се и време које је доступно за превод.

Иницијацијски комплекс и брзина превођења

Попут транскрипције,translaciju kontrolišu proteiniкомплекси протеина и нуклеинских киселина који се морају повезати саинициратипроцес. У преводу,jedan od prvih kompleksa koji se mora sastaviti da bi pokrenuo procesda kao inicijacijski kompleks. Први протеин који се веже за мРНА који помажеинициратипреводсе зовефактор иницијације еукариота-2 (eIF-2). Активност протеина еИФ-2 контролише више фактора. Први једа ли или нетоје везанna molekul GTP. КадаeIF-2је везанна ГТПсматра себитиу активном облику. ТхеeIF-2 протеина везана за ГТП може се везати за малу 40С рибосомску подјединицу. Када је везан,eIF-2/40С рибосомски комплекс, доносећи са собом мРНА уbiti preveden, такође регрутује сараднике тРНА иницијатора метионина.У овом тренутку, кадакомплекс иницијатораје састављен, ГТП се хидролизује у БДП стварајући"неактиван обликeIF-2 тоје пуштен, заједно са неорганским фосфатом, из комплекса. Ovaj korak, заузврат,omogućava velikoj 60S ribozomalnoj podjedinici da se veže i daпочни преводитиRNA. The binding ofeIF-2 na RNK koja se dalje kontroliše fosforilacijom proteina. КадаeIF-2 је фосфорилисан, пролази кроз конформациону промену и не можеvezatiдо ГТП -а чиме се инхибира формирање комплекса иницијације - транслација је стога инхибирана (погледајте доњу слику). У дефосфорилисаномдржаваeIF-2 може везати ГТП и омогућити састављање комплекса за почетак превођења како је горе описано. Sposobnost ćelije da podesi sklop kompleksa za pozivanje na prevođenje putem reverzibilne hemijske modifikacije (fosforilacije) na regulatorni protein je još jedan primer kako je priroda iskoristila čak i ovoнаизгледједноставан корак до подешене експресије гена.

Повећање нивоа фосфорилацијеeIF-2 imaje primećenoкод пацијената са неуродегенеративним болестима као што су Алцхајмерова, Паркинсонова и Хунтингтонова. Šta mislite, kakav uticaj ovo može imati na sintezu proteina?

Hemijske modifikacije, aktivnost proteina i dugovečnost

Не да

бити надмашен

помоћу нуклеинских киселина, протеини такође могу

бити хемијски модификовани

са додатком група укључујући метил, фосфатне, ацетилне и убиквитинске групе. Dodavanje ili uklanjanje ovih grupa iz proteina može regulisati njihovu aktivnost ili

дужина

vreme kada postoje u ćeliji. Ponekad ove modifikacije mogu regulisati gde je protein

се налази

у ћелији - на пример, у језгру, цитоплазми или причвршћен за плазма мембрану.

Хемијске модификације могу настати као одговор на спољне стимулусе, као што су стрес, недостатак хранљивих материја, топлота или излагање ултраљубичастом светлу.

Додатно

regulišući funkciju samih proteina, ako se ove promene dese na određenim proteinima, one mogu promeniti epigenetsku dostupnost (

у случају

модификација хистона), транскрипција (транскрипциони фактори), стабилност мРНК (протеини који везују РНК) или транслација (

eIF

-2) чиме се даје повратна информација и регулишу различити делови процеса експресије гена.

У случају

модификација регулаторних протеина, ово може бити ефикасан начин за ћелију

да се брзо мења

нивои специфичних протеина као одговор на животну средину регулисањем различитих корака

у процесу

.

Додавање убиквитинске групе има још једну функцију - означава тај протеин за разградњу. Убиквитин је мали молекул који делује као застава

ukazujući

да би обележени протеини требали

бити мета

u organelu zvanu proteazom. Ова органела је велики комплекс са више протеина који функционише тако што цепа протеине на мање комаде који тада могу

biti reciklirani

. Убиквитинација (додавање ознаке убиквитина), стога помаже у контроли експресије гена променом функционалног века трајања протеинског производа.

Proteini sa ubikvitinskim oznakama su označeni za degradaciju unutar proteazoma.

U zaključku vidimo da je regulacija gena složena i tomože se modulisatiпри сваком коракупроцесekspresije funkcionalnog genskog proizvoda.Штавише,регулаторни елементи који се дешавају у сваком кораку могу утицати на друге регулаторне кораке и раније и касније у процесу експресије гена (тј. процес хемијске промене транскрипционог фактора може утицати на регулацију сопствене транскрипције много корака раније у процесу). Ovi složeni skupovi interakcija se formirajuоно што је познато каоregulatorne mreže gena. Разумевање структуре и динамике ових мрежа кључно је за разумевање како различите ћелије функционишу, основа забројниболести, развојни процеси и како ћелиједоноси одлукеo tome kako reagovati na mnoge faktoreтосу у сталном флуктуацији изнутра и споља.