REGULACJA EKSPRESJI GENÓW

U PROKARIOTA

Iwona Matkiewicz

Joanna Makowska

II rok Ochrona Środowiska

Grupa: IV

Prokarionty, prokarioty, organizmy prokariotyczne

(Prokaryota, Procaryota) –

mikroorganizmy

w większości

jednokomórkowe

, których komórka nie zawiera

jądra komórkowego

oraz

organelli

komórkowych

charakterystycznych dla

eukariontów

.

1-Kapsuła, 2-Ściana komórkowa, 3-

Błona komórkowa

, 4-

Cytoplazma

, 5-

Rybosomy

, 6-

Mezosom

, 7-DNA, 8-Wić

PODSTAWOWE POJĘCIA

.

KONTROLA EKSPRESJI GENU

PRZEKAZYWANIE INFORMACJI GENETYCZNEJ

Informacja genetyczna - instrukcje kierujące wszystkimi

funkcjami komórki lub organizmu zapisane jako określone,

swoiste sekwencje nukleotydów w

kwasach nukleinowych w postaci kodu genetycznego.

Kod genetyczny: zasady zapisu informacji genetycznej

zawartej w DNA

GEN - fragment cząsteczki DNA stanowiący matrycę dla

syntezy cząsteczki lub podjednostki białka

GEN składa się z:

- sekwencji nietranskrybowanej, regulatorowej – promotora

- sekwencji transkrybowanej

Ekspresja genu (ang. gene expression) – proces, w którym

informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i

przepisana na jego produkty, które są białkami lub różnymi

formami RNA.

Regulacja ekspresji genów to złożony 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/fizjologicznego stanu komórki.

Przebieg ekspresji genów różni się nieco pomiędzy bakteriami i

eukariotami. U bakterii geny są zwykle zorganizowane w grupy

genów zwane operonami (np. operon laktozowy), które są

regulowane jako grupa i przepisywane na zawierający kilka

genów mRNA

PROKARIOTA

Właściwości genu bakterii
- część nie podlegająca transkrypcji

Promotor zawierający sekwencję regulatorową (operator)

- część podlegająca transkrypcji

część kodująca sekwencję aminokwasów

- kilka genów często ustawionych jest liniowo i tworzy tzw.

operon

- operony mogą być regulowane przez wspólną sekwencję

regulatorową, tworzą wtedy regulony.

Transkrypcja u Prokariotów

Zgodnie z teorią Jacoba i Monoda synteza białka

indukowanego B-galaktozydaza jest pod kontrolą

genu strukturalnego (Z). Ekspresja jednego lub więcej

genów strukturalnych jest pod kontrolą genu

regulatorowego (I). Gen regulatorowy jest

odpowiedzialny za wytworzenie białka zwanego

represorem , który hamuje ekspresje genów

strukturalnych. Represor działa przez wiązanie się z

fragmentem DNA, znanym jako operator (O).

Inicjacja transkrypcji u prokariotów polega więc na związaniu

się polimerazy RNA z odpowiednim odcinkiem pasma

matrycowego DNA - tzw. promotorem. U Prokariota promotor :

* bezpośrednio poprzedza miejsce startu transkrypcji

* składa się z elementu –10 (bogatego w A-T) i elementu –35

(O sile promotora decyduje skład nukleotydowy

sekwencji –10 i –35.) Słabe promotory stają się w pełni

funkcjonalne dzięki

aktywatorom, które, wiążąc się jednocześnie z pobliską

sekwencją DNA i polimerazą RNA, stabilizują wiązanie

polimerazy do promotora i ułatwiają rozpoczęcie

transkrypcji.

Polimerazy RNA składają się z wielu podjednostek.

U bakterii za specyficzne rozpoznawanie elementów –

10 i –35 promotora

odpowiada podjednostka σ. Po połączeniu pierwszych 8-

9 rybonukleotydów

podjednostka σ odłącza się od rdzenia polimerazy, który

przeprowadza

elongację transkrypcji. Komorka bakteryjna jest

wyposażona w kilka

podjednostek σ kodowanych przez odrębne geny i

rozpoznających inne

specyficzne sekwencje nukleotydowe elementów –10 i –

35

.

Ekspresja genów składa się z wielu złożonych etapów,
z których każdy może podlegać regulacji

Kiedy represor jest związany z operatorem, polimeraza RNA

nie może się połączyć z przyległym genem promotorowym (P)

który ułatwia ekspresję genów strukturalnych. Jeśli operator

nie jest związany z represorem polimeraza RNA może się

połączyć z promotorem i transkrypcja a ostatecznie translacja

genu strukturalnego może zachodzić. Komórka E.coli wytwarza

B-galaktozydazę i pozostałe białka kodowane przez operon

laktozowy aż do całkowitego wyczerpania dostępnej laktozy.

Operon tworzą geny strukturalne wraz z promotorem i

operatorem. Miejsca kontroli – promotor i operator- fizycznie

sąsiadują z genami strukturalnymi w sekwencji DNA.

Gdy bakterie E.coli zostają eksponowane na laktozę jako źródło

węgla, B – galaktozydaza nie jest jedynym indukowanym

białkiem. W tym operonie występuje kilka genów

strukturalnych które określono jako operon lac.

Operon lac. Tworzą geny strukturalne lacZ, lacY,lacA

które kodują odpowiednio :

B- galaktozydazę, B-galaktozydopermeazę i

transacetylazę galaktozydów ( acetylotransferazę

tiogalaktozydową). Permaza uczestniczy w aktywnym

transporcie laktozy z otoczenia przez ścianę komórkową

bakterii do wnętrza komórki. Fizjologicznym induktorem

jest allolaktoza.

Operon lac ulega indukcji, gdy bakterie E.coli

wykorzystują jako źródło węgla laktozę, a nie glukozę. W

obecności obu źródeł, glukozy i laktozy komórki nie

wytwarzają białek lac. Represja syntezy białek lac przez

glukozę jest nazywana represją kataboliczną.

U bakterii regulacja szlaków anabolicznych

(związanych z syntezą różnych cząsteczek :

aminokwasów, nukleotydów itd.) odbywa się normalnie

za pośrednictwem enzymów reprymowalnych. Sygnał

molekularny do regulacji tych genów, to w większości

wypadków końcowy produkt szlaku metabolicznego.

Przykładem systemu reprymowalnego jest operon

tryptofanowy(trp). Operon ten zawiera 5 genów

strukturalnych dla syntezy enzymów, które

przekształcają kwas chorozymowy w tryptofan. Gen

regulatorowy koduje białko represorowe(nie wiąże się

z operatorem). Białko represorowe może przyłączyć się

do operatora, gdy do allosterycznego miejsca represora

przyłączy się korepresor(tryptofan).

Komórkowy poziom tryptofanu decyduje o aktywności

represora

tryptofanowego, który jest białkiem allosterycznym:

przyłączenie tryptofanu powoduje subtelne zmiany w jego

trójwymiarowej strukturze, umożliwiające mu związanie

się z

DNA operatora Otrp i represję operonu. Operon

tryptofanowy jest wyłączony w obecności tryptofanu i

włączony gdy tryptofan jest potrzebny. Jest to więc

sytuacja odwrotna do operonu laktazowego.

Małe stężenie

tryptofanu

Rybosom

zatrzymuje się

na
kodonach

trp

transkrypcja

jest

kontynuowan

a

Duże stężenie

tryptofanu

rybosom

odłącza

się przy

kodonie

STOP

region liderowy

podlega

całkowitej

translacji

utworzenie struktury

szpilki do włosow przez

regiony 3 i 4, za ktorymi

jest ciąg urydyn

prowadzi

do terminacji

transkrypcji

Zarówno operon laktozowy jak i tryptofanowy są

przykładami regulacji negatywnej.

Występowanie kontroli negatywnej jest związane z

obecnością białka regulatorowego – represora, który

wiąże się z DNA i wyłącza transkrypcję genu.

Znane są też systemy regulacyjne, w których są

wykorzystywane regulatory pozytywne – aktywatory.

Pozytywna regulacja transkrypcji – białko regulatorowe

łączy się z DNA i uruchamia transkrypcję. Wspomniane

białka są wtedy określane jako aktywatory. Przykładem

aktywatora E.coli jest białko CAP. Jako źródło pokarmu

E.coli wykorzytsuje glukozę. Podczas zmniejszania się

steżenia glukozy wzrasta w komórce stęznie cAMP.

Później cAMP wiąże się z białkiem CAP, które dzięki

temu może łaczyć się z konkretnym odcinkiem DNA-

który znajduje się blisko promotora i uruchamiać

transkrypcję związanych z nim genów struktury.

Operon laktozowy podlega regulacji zarówno

pozytywnej jak i negatywnej. W wypadku zmniejszania

się steżenia glukozy, kompleks cAMP-CAP łączy się z

operonem laktozowym i aktywuje transkrypcję.

Operon laktozowy jest też regulowany przez represor

lac. Pozwala to na uruchomienie transkrypcji genów :

B- galaktozydazy,permeazy i transcetylazy, tylko w

wypadku gdy w otoczeniu nie ma glukozy ale jest

laktoza. Promoto operonu lac ma 2 regiony. Jednym

jest miejsce przyłączania się polimerazy RNA, a

drugim miejsce wiązania innego białka

regulatorowego CAP.W rejonie operatora miejsce

wiązania polimerazy RNA zachodzi na miejsce

wiązania represora(promotor i operator częściowa

zachodzą na siebie.) Asocjacja represora zwiększa

wiązanie polimerazy RNA, lecz wstrzymuje przejście

od kompleksu promotorowego zamkniętego ( w którym

DNA wystepuje w formie podwójnej helisy) do

kompleksu promotorowego otwartego( w którym

fragment DNA jest rozpleciony), co blokuje

transkrypcję.

Operony mogą być kontrolowane za pomocą wspólnego

regulatora. Grupa operonów kontrolowana w ten sposób

za pośrednictwem tego samego regulatora nosi nazwę

regulonu. U E. Coli istnieje co najmniej 40 regulonow,

regulony tworzą np. geny systemu SOS czy geny

indukowane induktorem CAP-cAMP.

Białko CAP różni się od represorów laktozowego i

tryptofanowego tym że może regulować transkrypcję

operonów związanych z metabolizmem różnych

katabolitów(np. Cukrów-laktozy, malatozy, galaktozy,

arabinozy)

Geny konstytutywne(transkrybowane w sposób ciągły)

kodujące białka potrzebne w dużych ilościach są

transkrybowane zwykle szybciej niż geny, których

produkty są potrzebne w niewielkich ilościach. Szybkość

transkrypcji tych genów jest kontrolowana przez ich

sekwencje promotorowe. Z genów które mają „słabe”

promotory powstaje mniej cząsteczek mRNA.

Intensywność syntezy białek w E. Coli jest

regulowana głównie na poziomie transkrypcji.

Niektóre jednak geny mogą być regulowane na

różnych potranskrypcyjnych etapach ekspresji genu.

Stwierdzono, że cząsteczki mRNA mogą ulegać

translacji z różną szybkością- u E. Coli różnica w

szybkości translacji cząsteczek może być 1000-krotna.

Okres trwania cząsteczki mRNA w komórce

bakteryjnej jest bardzo krótki, w związku z czym

cząsteczka, która ulega szybkiej translacji, dostarcza

oczywiście więcej białka. Regulacja szybkości

translacji jest związaną głównie ze zdolnością

rybosomów do łączenia się z mRNA podczas inicjacji

translacji.

Mechanizm dzięki któremu szybkość powstawania

produktów w szlakach metabolicznych zostaje

dostosowana do wymogów komórki, jest hamowany

przez sprzężenie zwrotne. Polega ono na tym, że

produkt końcowy przyłącza się do miejsca

allosterycznego pierwszego enzymu szlaku, co

powoduje, że enzym ten staje się nieaktywny. Czasowa

deaktywacja pierwszego enzymu pozbawia substratów

wszystkie pozostałe enzymy szlaku. Mechanizm ten

jest wykorzystywany w różnych organizmach do

zmiany aktywnośći istniejących enzymów w szlaku

metabolicznym.

Wnioski

Prokariota

Transkrypcja

Transkrypcja jest połączona z translacją
Geny transkrybowane są przez jeden rodzaj polimerazy

RNA
Pod kontrolą jednego promotora może znajdować się więcej

niż jeden cistron –taką jednostkę ekspresyjną nazywamy

operonem



dominuje regulacja na poziomie transkrypcji

 policistronowe jednostki transkrypcyjne o wspólnej

regulacji

transkrypcyjnej – operony

 mRNA szybko degradowane, translacja zachodzi

zasadniczo

równocześnie z transkrypcją

Dziękujemy za

uwagę

