background image

REGULACJA EKSPRESJI GENÓW EUKARIOTYCZNYCH

1) Etapy regulacji ekspresji genów - przegl

ą

d

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

3) Regulacja po

ś

rednia poprzez czynniki zewn

ę

trzne

4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów      

– typ kojarzeniowy dro

ż

d

ż

y

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów –

powstawanie immunoglobulin 

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów –

powstawanie makronukleusa orz

ę

sków 

background image

1) Etapy regulacji ekspresji genów - transkrypcja

A) Efekt chromatyny - zale

ż

no

ść

 intensywno

ś

ci trankrypcji od 

regionalnej struktury chromatyny

- Wyciszanie rejonów chromosomów znakowanych przez 
modyfikacje zasad (np. przez metylacj

ę

)

- Wyciszanie  rejonów poprzez lncRNA (nast

ę

pny slajd) 

- Wyciszanie  rejonów poprzez lncRNA (nast

ę

pny slajd) 

- Pozycjonowanie nukleosomów (kolejny slajd)

B) Wła

ś

ciwa transkrypcja

- Efekt odsłoni

ę

cia DNA przez nadmiarow

ą

(?) transkrypcj

ę

 

- Specyficzna inicjacja transkrypcji zale

ż

na od sekwencji 

promotora i czynników białkowych  (aktywatory i represory)

background image

Przykład modyfikacji chromatyny przez RNA. Długi niekoduj

ą

cy RNA (long 

non-coding, lncRNA) jest  syntetyzowany przez polimeraz

ę

 RNA II. Ł

ą

czy 

si

ę

 z białkami np. G9a i PcGs, które mog

ą

 zag

ę

szcza

ć

 chromatyn

ę

 w 

bliskiej okolicy (in cis) lub z innymi białkami, np. PRC2, które prowadz

ą

 do 

zag

ę

szczenia chromatyny w rejonach odległych (in trans). U ssaków 

poznano ju

ż

 kilka tysi

ę

cy ró

ż

nych lncRNA.

background image

Nukleosomy s

ą

 g

ę

sto uło

ż

one (pozycjonowne) w rejonach nie koduj

ą

cych a 

najrzadsze w rejonach promotorowych (by ułatwi

ć

 inicjacje transkrypcji). W 

rejonach koduj

ą

cych s

ą

 uło

ż

one w specjalny regularny sposób, tak by ich 

uwalnianie i wi

ą

zanie było sprawne. 

background image

1) Etapy regulacji ekspresji genów – obróbka mRNA

- Dodawanie czapeczki – sposób regulacji spotykany w 
dojrzewaniu jaj u zwierz

ą

t

- Poliadenylacja – alternatywne miejsca dodawania ła

ń

cuchów 

poliadenylowych reguluj

ą

 np. kwitnienie u ro

ś

lin

poliadenylowych reguluj

ą

 np. kwitnienie u ro

ś

lin

- Alternatywne składanie egzonów  - bardzo powszechne 

- Degradacja dojrzałego mRNA  - np. gdy małe odcinki RNA, 
tzw. miRNA, odszukuj

ą

 komplementarne mRNA  co przywołuje 

białka degraduj

ą

ce RNA(interferencja RNA)

background image

1) Etapy regulacji ekspresji genów – synteza i obróbka białek

- Inicjacja translacji – np. fosforylacja czynnika translacji elF-2 
spowalnia tworzenie kompleksów inicjacyjnych

- Alternatywne ci

ę

cie polipeptydów – pozwala na modyfikacje 

białek w zale

ż

no

ś

ci od miejsca syntezy (tkanki)

białek w zale

ż

no

ś

ci od miejsca syntezy (tkanki)

- Modyfikowanie chemiczne – np. u białek sygnałowych cz

ę

sta jest 

fosforylacja, u strukturalnych acetylacja 

- Selektywna degradacja białek

background image

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki  zewn

ę

trzne

Regulacja przez czynniki zewn

ę

trzne odbywa si

ę

 na dwa sposoby: 

Regulacja po

ś

rednia: 

czynnik zewn

ę

trzny 

zatrzymuje si

ę

 na 

powierzchni i 
uruchamia czynnik 
wewn

ą

trzkomórkowy

Regulacja 
bezpo

ś

rednia: 

czynnik wnika 
do komórki

background image

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki  zewn

ę

trzne

Czynnikami sygnałowymi, które wnikaj

ą

 bezpo

ś

rednio do komorki mog

ą

 by

ć

:

- białka (jak np. laktoferyna), mog

ą

 wtedy działa

ć

 jakby same były czynnikami 

reguluj

ą

cymi transkrypcj

ę

 

- mniejszymi molekułami (jak np. atomy metali lub cz

ą

steczki hormonów), 

wpływaj

ą

cymi na białka regulatorowe

- czynnikami wpływaj

ą

cymi na białka po

ś

rednie, które potem ł

ą

cz

ą

 si

ę

 z 

czynnikami  transkrypcyjnymi

background image

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

Regulacja przez hormony: 

Hormony sterydowe ł

ą

cz

ą

 si

ę

 w 

cytoplazmie z białkowymi 
receptorami steroidów. 

Takie kompleksy w

ę

druj

ą

 do 

j

ą

dra gdzie ł

ą

cz

ą

 si

ę

 z DNA w 

rejonach przed okre

ś

lon

ą

 dla 

danego hormonu sekwencj

ą

 

koduj

ą

c

ą

, co powoduje zmiany 

ekspresji genu. 

background image

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

Regulacja przez jony:

Ten sam czynnik sygnałowy 
mo

ż

e doprowadzi

ć

 do ró

ż

nych 

skutków, w zale

ż

no

ś

ci od 

stanu komórki:

stanu komórki:

- u dro

ż

d

ż

y atom miedzi mo

ż

si

ę

 poł

ą

czy

ć

 z białkiem Mac1 i 

(dla pobrania miedzi gdy jej 
brakuje) 

- z białkiem Ace1 (dla 
zmniejszenia toksycznego 
efektu miedzi)

background image

3) Regulacja po

ś

rednia poprzez czynniki zewn

ę

trzne

W regulacji po

ś

redniej, czynniki 

sygnałowe zewn

ą

trzkomórkowe, 

cz

ę

sto natury peptydowej, ł

ą

cz

ą

 si

ę

 z 

receptorami na powierzchni komórki. 

background image

3) Regulacja po

ś

rednia poprzez czynniki zewn

ę

trzne

Poł

ą

czenie czynnika 

sygnałowego z 
receptorem na 
powierzchni komórki 

powierzchni komórki 
uaktywnia 

ś

ci

ś

le okre

ś

lone 

białka, bardzo cz

ę

sto 

poprzez ich fosforylacj

ę

 

dokonan

ą

 przez 

zaktywizowany receptor.

background image

3) Regulacja po

ś

rednia 

poprzez czynniki 
zewn

ę

trzne

Przykładem działania takiego 
sygnału s

ą

 szlaki typu MAP 

(mitogen activated protein),

Reaguj

ą

 one na wiele sygnały 

ze 

ś

rodowiska i sygnały od 

innych komórek (podział). 

Sygnał jest wielostopniowy. 
Receptor mitogenu (fiolet) po 
otrzymaniu sygnału fosforyluje 
białko Raf, Raf fosforyluje Mek, 
Mek forforyluje MK a MK 
fosforyluje albo kolejne białko 
po

ś

rednicz

ą

ce (Rsk) albo 

ostateczne białkowe czynniki 
transkrypcyjne (Elk-1, c-Myc i 
inne)

background image

3) Regulacja po

ś

rednia 

poprzez czynniki 
zewn

ę

trzne

Wielostopniowo

ść

 pomaga w 

składaniu i rozdzielaniu 
sygnałów.

Szlak Ras jest wa

ż

ny w 

sygnalizacji wzrostu komórki, 
jego deregulacja prowadzi do 
nowotworu.

nowotworu.

Powierzchniowa kinaza 
tyrozynowa mo

ż

e ł

ą

czy

ć

 si

ę

 z 

białkiem GAP lub GNRP co 
odpowiednio inaktywuje lub 
aktywuje białko Ras. 

Ras mo

ż

e poprzez białko Raf 

wpłyn

ąć

 na aktywno

ść

 szlaku 

podziału (MAP) co jest logiczne, 
bo wzrost i podział musza by

ć

 

zsynchronizowane.

background image

4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez 
rearan

ż

acje genów 

– typ kojarzeniowy dro

ż

d

ż

y

Dro

ż

d

ż

e produkuj

ą

 haploidalne 

dro

ż

d

ż

e o okre

ś

lonym typie 

kojarzeniowym. 

Skojarzenie z haploidem o 
przeciwnym typie prowadzi do 
odtworzenia diploidalno

ś

ci.  

odtworzenia diploidalno

ś

ci.  

Gdy komórek o przeciwnym typie 
nie ma, haploid mo

ż

e zmieni

ć

 typ 

przy okazji podziału i skojarzy

ć

 si

ę

 

z komórk

ą

 siostrzan

ą

 (która ma typ 

nie zmieniony)

background image

4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– typ kojarzeniowy dro

ż

d

ż

y

Dro

ż

d

ż

e posiadaj

ą

 trzy kopie genu (allele) odpowiadaj

ą

ce za białko 

warunkuj

ą

ce typ kojarzeniowy, jakby trzy kasety, ale tylko jeden z nich jest 

w locus o czynnej transkrypcji (

ś

rodkowy), tak jakby kaseta w odtwarzaczu. 

Wymiana kaset dokonuje si

ę

 poprzez zap

ę

tlenie nici DNA i konwersj

ę

 genu 

na drodze rekombinacji homologicznej.

background image

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– powstawanie immunoglobulin 

Immunoglobuliny ssaków (a tak

ż

receptory komórek T i białka 
zgodno

ś

ci tkankowej MHC) s

ą

 bardzo 

ż

ne w ró

ż

nych komórkach tego 

samego osobnika. 

ż

norodno

ść

 ta powstaje na skutek 

rearan

ż

acji, która ma wspólne zasady, 

ale ró

ż

ny szczegółowy przebieg w 

poszczególnych komórkach.

background image

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– powstawanie immunoglobulin 

Dla ła

ń

cuchów lekkich i ci

ęż

kich 

immunoglobulin istniej

ą

 osobne rejony 

chromosomowe koduj

ą

ce wiele segmentów 

cz

ęś

ci zmiennych (V) i po kilka segmentów 

cz

ęś

ci ł

ą

cznikowych (D i J) oraz stałych (C). 

Powy

ż

ej przykład takiego rejonu koduj

ą

cego 

ła

ń

cuch ci

ęż

ki na chromosomie 14  człowieka.

background image

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– powstawanie immunoglobulin 

W dojrzewaj

ą

cych limfocytach dochodzi do usuni

ę

cia du

ż

ych odcinków DNA (ró

ż

nych 

w ró

ż

nych komórkach) tak, 

ż

e powstaje tylko jedna kombinacja odcinków VDJ z 

dwoma odcinkami C. Alternatywne składanie egzonów doprowadza do wyboru 
jednego z tych pocz

ą

tkowo dwóch C.  

background image

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– makronukleus orz

ę

sków 

Pantofelek ma mikronukleus (MIC) i makronukleus (MAC),  w koniugacji 
wymieniane s

ą

 haploidalne MIC, one daj

ą

 nowe diploidalne MIC, z których 

rozwija si

ę

 nowy MAC, a stary zanika.

W MIC nie ma transkrypcji, ale jest tam komplet informacji genetycznej. 
Transkrypcja jest w MAC, gdzie jest tylko cz

ęść

 genów ale za to w wielu 

kopiach.

background image

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– makronukleus orz

ę

sków 

W czasie rozwoju MIC dochodzi do poci

ę

cia chromosomów poł

ą

czonego z 

syntez

ą

 nowych telomerów lub do składania poci

ę

tych fragmentów, przy 

czym ich kolejno

ść

 mo

ż

e by

ć

 zmieniona

W powy

ż

szym przykładzie, DNA jest ci

ę

te w zakonserwowanych 

sekwencjach Cbs a potem z obu stron doczepiane s

ą

 telomery

background image

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– makronukleus orz

ę

sków 

Przykład genu koduj

ą

cego białko doczepione do telomerów. Cz

ęść

 

sekwencji MIC została utracona, a uzyskane fragmenty maja inn

ą

 

kolejno

ść

 po zło

ż

eniu w MAC. Tylko gen w MAC ma funkcjonaln

ą

 

sekwencj

ę

. Ocenia si

ę

ż

e podczas dojrzewania MAC w całym 

genomie wyci

ę

ciu i utraceniu ulega około 60000 fragmentów.

background image

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów 

– makronukleus orz

ę

sków 

Eliminacja DNA z MIC zaczyna si

ę

 od 

dwuniciowych naci

ęć

 DNA a jej przebieg 

jest prawdopodobnie kierowany głównie 
poprzez oddziaływanie DNA  ze 
specjalnie do tego celu syntetyzowanym 
niekoduj

ą

cym RNA.

Rearan

ż

acje i zwielokrotnienie kopii 

DNA przy syntezie MAC s

ą

 

ekstremalnym przykładem trwałych 
zmian genomu somatycznego, tłumacz

ą

 

je ogromne rozmiary komórek orz

ę

sków.