РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕСИИ ГЕНОВ

РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕСИИ
ГЕНОВ
http://lens.auckland.ac.nz
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1) Регуляция на уровни транскрипции у прокариот
2) Этапы процессинга РНК у эукариот
3) Энхансеры, сайленсеры и инсуляторы
4) РНК интерференция
5) Упаковка генетического материала эукариот
6) Роль эпигенетических модификаций. Гистоновый код.
Регуляция на уровне транскрипции
Lac-оперон E.coli
Франсуа Жакоб, Жак Моно, Андре Львов
Нобелевская премия по физиологии и медицине 1965 г.
Метаболизм лактозы в клетке E.coli
http://www.flickr.com,
Allen Gathman
LacZ: β - галактозидаза расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу.
LacY: β- галактозидпермеаза переносит лактозу через мембрану клетки.
Lac A: тиогалактозидтрансацетилаза ацетилирует галактозу.
Схема негативной индукции
Негативная индукция
А) Отсутствие лактозы - lac-оперон выключен. Активный
белок – репрессор (кодируется моноцистронным
опероном LacI, не имеющем оператора) связан с
оператором lac-оперона. Т.к. оператор перекрывается с
промотором, даже посадка РНК-полимеразы на
промотор невозможна.
Б) Когда некоторое количество лактозы попадает в
клетку, две молекулы лактозы взаимодействуют с белком
- репрессором, он изменяет конформацию и теряет
сродство к оператору.
Начинается транскрипция lac-оперона и трансляция
образующейся mРНК; три синтезируемых белка
участвуют в утилизации лактозы.
С) Когда вся лактоза используется, порция репрессора,
свободного от лактозы, выключает lac-оперон.
Позитивная индукция
Brown, W., Ralston, A. & Shaw, K. (2008) Positive transcription control:
The glucose effect. Nature Education 1(1)
Аra-опероне E. сoli три цистрона, кодирующие
ферменты, расщепляющие арабинозу. В норме оперон
закрыт, т.к. белок - репрессор связан с оператором.
При попадании клетку
арабинозы, она
взаимодействует с
белком - репрессором.
Белок - репрессор
меняет конформацию и
превращается в
активатор, который
взаимодейсивует с
промотором и
облегчает посадку РНКполимеразы.
Brown, W., Ralston, A. & Shaw, K. (2008)
Positive transcription control: The glucose
effect. Nature Education 1(1)
Схема позитивной репрессии
Риюофлавиновый оперон у
Вacilus subtilis содержит
цистроны ферментов
синтеза рибофлавина.
Белок-активатор
обеспечивает посадку РНКполимеразы на промотор. В
норме оперон открыт.
Образуется N молекул
рибофлавина.
Рибофлавин,
витамин В2
N+1-ая молекула (лишняя) взаимодействует с активатором и он
теряет способность активировать посадку РНК-полимеразы на
промотор.
Позитивная репрессия: в регуляции участвует белок - активатор, а
регуляция заключается в выключении транскрипции.
www.cellbiol.ru
Схема негативной репрессии
В опероне синтеза триптофана E. сoli пять
цистронов, кодируюших ферменты реакций
синтеза триптофана. В норме оперон
включен. Белок - репрессор неактивен (в
форме апо-репрессора).
Клетке необходимо N молекул триптофана.
N+1-ая молекула взаимодействует с апорепрессором. Он меняет конформацию,
садится на оператор и синтез РНК
прекращается.
www.cellbiol.ru
Процессинг РНК у эукариот
Комплекс процессов образования зрелых молекул РНК в клетке
• Кэпирование
• Сплайсинг
• Полиаденилирование
• Редактирование
http://www.web-books.com
Кэпирование
Присоединение к 5’-концу
пре-мРНК 7’-метил ГТФ:
•
защищает от 5’-экзонуклеаз
•
правильная установка РНК на
рибосоме при взаимодействии белков с кэпом
http://www.web-books.com
Полиаденилирование
После синтеза про-mРНК на расстоянии примерно 20 н в направлении 3'конца от последовательности 5'-AAУAA-3' происходит разрезание
эндонуклеазой и к новому 3'-концу присоединяется от 30 до 300 остатков
АМФ (безматричный синтез).
ПолиА хвост защищает 3'-конец от гидролиза, т.к. покрыт полиАсвязывающими белками.
Время жизни mРНК зависит от длины полиА-хвоста.
Полиаденилированные про-mРНК подвергаются сплайсингу
мРНК гистоновых генов и ряда других не полиаденилируется.
http://www.web-books.com
СПЛАЙСИНГ
Большинство генов эукариот состоят из экзонов и интронов.
В процессе сплайсинга интроны вырезаются, а экзоны
сшиваются, образуя зрелую РНК.
Сплайсосомы
Сплайсосомы комплексы, содержащие
пять малых ядерных
рибонуклеопротеинов (мя
РНП). Интроны содержат
последовательности,
необходимые для
вырезания - 3'-сайт
(акцепторный), 5'-сайт
(донорный) и бранч-сайт.
РНК в snRNA
взаимодействует с этими
сайтами, способствуя
вырезанию интронов.
www.mpibpc.mpg.de
Транссплайсинг
• Транссплайсинг - вид
сплайсинга, при котором происходит
соединение РНК разных транскриптов.
http://mol-biol4masters.masters.grkraj.org
Альтернативный сплайсинг
• Процесс, в котором из одной пре-матричной РНК могут
образовываться различные зрелые транскрипты, благодаря
включению разных экзонов.
http://en.wikipedia.org
Альтернативный сплайсинг показан для 95 % мультиэкзонных генов человека
Малые ядерные РНК
Малые ядерные РНК ( snRNA). Класс малых молекул РНК длиной
около150н, локализованных в ядре эукариот. Принимают участие во
всех этапах процессинга РНК (входят в состав сплайсосом), а также в
регуляции транскрипции и поддержании теломер.
Вторичная структура U1 snRNA – инициатора сплайсосомной активности
Автосплайсинг
• вид сплайсинга, когда интроны
кодируют рибозимы - РНК с
каталитической активностью,
выполняющие роль сплайсосомы
Автосплайсинг открыт Томасом
Чеком (США) в 1982 году.
Работал с инфузорией
Tetrаchymenа thermophyla
Томас Чек
Нобелевская премия по химии 1989 г.
Автосплайсинг
chemistry.umeche.maine.edu
Другие особенности регуляции
транскрипции у эукариот
Но в разных клетках могут эксперссироваться разные гены, хотя набор генов в
ядре идентичен.
«Гены домашнего хозяйства» (housekeeping genes) функционирующие
повсеместно и на всех стадиях жизненного цикла организма. Обеспечивают
процесс гликолиза, биосинтез аминокислот и нуклеотидов, катаболизм
белков и т.п.
«Гены роскоши» (luxury genes) экспрессируются лишь в специализированных
клетках и являются маркерами дифференцированных состояний.
•
Регуляторных белков и регуляторных участков ДНК намного больше, чем у
прокариот
•
Регуляторная часть гена намного протяженнее – и часто длиннее, чем сам
ген.
Модель регуляции транскрипции РНК полимеразы II эукариот
http://biology.kenyon.edu
Энхансеры и сайленсеры
Энхансеры - участки ДНК вне промотора. Связываются с различными
факторами транскрипции и усиливают транскрипцию определенных генов.
Энхансеры могут располагаться на расстоянии до 10 тпн от промотора, а
также после него.
• Сайленсеры - регуляторные элементы ДНК, ингибирующие
транскрипцию с использованием белков-репрессоров. При этом
происходит прямое подавление инициации транскрипции путем
разрушения транскрипционного комплекса на промоторе
Инсуляторы
•
последовательности нуклеотидов длиной в
несколько сотен пн, подавляющие влияние
энхансеров и сайленсеров на промотор.
Инсуляторы
www.cellbiol.ru
Также инсулятор выполняет функцию барьера для распространяющегося
конденсированного хроматина
Интерференция РНК (RNAi)
• механизм ингибирования экспрессии гена молекулами РНК на
стадии трансляции, либо нарушение транкскрипции
специфических генов.
•
Малые интерферирующие РНК (siRNA) (около 20 нуклеотидов)
— ключевые молекулы для процесса RNAi, комплементарные
мишеням РНК. Специфические белки системы RNAi
направляются при помощи siRNA к целевым молекулам мРНК, и
последние при этом разрезаются на части.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov
Механизм RNAi
1) Фермент Dicer разрезает двуцепочечную РНК.
2) Образованные при этом siРНК или microРНК попадают в RNA-induced silencing
complex (RISC)
3) RISC разрушает мРНК и предотвращает трансляцию
Интерференция РНК (RNAi)
РНК-интерференция обнаружена почти во всех эукариотах.
Этот механизм предохраняет клетки от РНК-вирусов и мобильных
генетических элементов.
•
В 2006 году Эндрю Файер и Крейг Мелло получили открытие РНКинтерференции
Эндрю Файер
Крейг Мелло
Эпигенетическая модификация
генома
•
метилирование ДНК и компактизация хроматина
50-90% ГЦ островков метилировано у
млекопитающих
Предотвращается связывание транскрипционных
факторов
Обеспечивают посадку особых белков,
компактизующих хроматин
Компактизация ДНК у эукариот
http://micro.magnet.fsu.edu
Длина ДНК составляет около 2 м, диаметр 2 нм
Нуклеосомная нить в 6-7 раз короче, диаметр нуклеосомы – 11 нм.
Компактизация нуклеосом – образование фибриллы 30 нм.
Диаметр ядра ~10-20 мкм
ГИСТОНЫ
• основной класс нуклеопротеинов, необходимых для сборки и
упаковки нитей ДНК. Всего пять различных типов гистонов: H1,
H2A, H2B, H3 и H4. Последовательность аминокислот в этих
белках очень консервативна – т.е. мало отличается в разных
организмах
Рисунок Spellcheck
Рисунок Richard Wheeler (Zephyris)
Гистоновый код
набор модификаций гистоновых “хвостов”, который определяет функциональное
состояние гена. Гистоновый код управляет включением и выключением генов!
Модификации передаются при делении клетки, т.е. наследуются.
Литература