РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ Резяпкин

Скачать презентацию РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ   ГЕНОВ  Резяпкин Скачать презентацию РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ Резяпкин

Зан-4 (4-12).ppt

  • Количество слайдов: 70

> РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ   ГЕНОВ  Резяпкин Виктор Ильич доцент кафедры биохимии РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ Резяпкин Виктор Ильич доцент кафедры биохимии v. rezyapkin@grsu. by

> • Продукты генов нужны различным клеткам в  разное время и в неодинаковых • Продукты генов нужны различным клеткам в разное время и в неодинаковых количествах. • Одни гены в определенный момент развития организма экспрессируются с высокой интенсивностью, другие гены могут находиться в репрессированном состоянии. • Экспрессия генов в клетке должна быть согласованной.

>Регуляция экспрессии генов может осуществляться  • на уровне организации ДНК  • на Регуляция экспрессии генов может осуществляться • на уровне организации ДНК • на уровне транскрипции • на уровне созревания РНК • на уровне деградации РНК • на уровне трансляции • на уровне посттрансляционных модификаций • на уровне деградации белка

>  РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ НА  УРОВНЕ ОРГАНИЗАЦИИ ДНК • Активное и неактивное РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ НА УРОВНЕ ОРГАНИЗАЦИИ ДНК • Активное и неактивное состояние гена может определятся уровнем компактизации ДНК • Гетерохроматин – компактный хроматин – транскрипционно неактивен • Эухроматин – деконденсированный хроматин – транскрипционно активен

>Схема иллюстрирующая различные уровни организации ДНК  Активность хроматина пропорциональна его компактности При активации Схема иллюстрирующая различные уровни организации ДНК Активность хроматина пропорциональна его компактности При активации хроматина происходит его деконденсация

>  Регуляция активности генов обусловленная   метилированием ДНК  • Метилирование ДНК Регуляция активности генов обусловленная метилированием ДНК • Метилирование ДНК осуществляется в результате обратимого метилирования цитозина

> • Механизм действия  метилтрансферазы • Механизм действия метилтрансферазы

> • Цитозин метилируется в  том случае, если рядом с  ним находится • Цитозин метилируется в том случае, если рядом с ним находится гуанин – ЦГ • После репликации метилированной ДНК образуется полуметилированная ДНК • ДНК-метилтрансфераза восстанавливает исходный рисунок метилирования

> • Метилирование необходимо для нормального развития  организма • Если инактивировать ген метилтрансферазы • Метилирование необходимо для нормального развития организма • Если инактивировать ген метилтрансферазы у мышей, то развитие эмбриона приостановится на ранних стадиях развития • Наличие метилцитозина опасно для организма, так как при его дезаминировании образуется тимин.

> • В результате  репликации в одной  из двух дочерних  молекул • В результате репликации в одной из двух дочерних молекул ДНК пара ЦГ заменится на ТА – произойдет мутация

> • В геноме млекопитающих ЦГ пары образуют  островки, которые чаще встречаются в • В геноме млекопитающих ЦГ пары образуют островки, которые чаще встречаются в районе промоторов, распространяясь в область начала гена • Метилирование промоторов препятствует образованию транскрипционного комплекса • Степень репрессии гена пропорциональна метилированию цитозинов.

> • Красным показан цитозин • Синим – метилцитозин • Стрелкой – направление транскрипции • Красным показан цитозин • Синим – метилцитозин • Стрелкой – направление транскрипции

> • В отдельных случаях метилирование может  препятствовать связыванию репрессорного белка с • В отдельных случаях метилирование может препятствовать связыванию репрессорного белка с сайленсером – это приведет к увеличению экспрессии гена

>  РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ НА   УРОВНЕ ТРАНСКРИПЦИИ    ПРОКАРИОТЫ РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ НА УРОВНЕ ТРАНСКРИПЦИИ ПРОКАРИОТЫ Транскрипция у прокариот может регулироваться на стадиях инициации, элонгации и терминации.

> •  Эффективность транскрипции зависит от силы промотора. •  Чем ближе структура • Эффективность транскрипции зависит от силы промотора. • Чем ближе структура природного промотора к структуре канонического промотора, тем сильнее промотор • Специфичность связывание РНК-полимеразы прокариот с промотором определяет - субъединица. • В бактериальных клетках имеется несколько различных -субъединиц, обеспечивающих транскрипцию с различных генов.

> •  -субъединица необходима только для узнавания  промотора, в синтезе РНК она • -субъединица необходима только для узнавания промотора, в синтезе РНК она не участвует

>В клетках прокариот существуют:  •  белки-репрессоры, они блокируют синтез РНК • В клетках прокариот существуют: • белки-репрессоры, они блокируют синтез РНК • белки-активаторы, они включают синтез РНК

> • Транскрипции способствует успешная трансляция. Рибосома как бы подталкивает РНК-полимеразу  • При • Транскрипции способствует успешная трансляция. Рибосома как бы подталкивает РНК-полимеразу • При отсутствии трансляции синтез РНК может быть приостановлен. Специальные белок «выдергивает» образующуюся РНК

> • Активность промоторов регулируется  белками-регуляторами – репрессорами и  активаторами. • Репрессры • Активность промоторов регулируется белками-регуляторами – репрессорами и активаторами. • Репрессры снижают активность РНК- полимеразы. • Участок связывания ДНК с репрессором называется оператором. • Существуют низкомолекулярные вещества, влияющие на сродство репрессора к оператору – эффекторы.

> • Различают индукторы и корепрессоры. • Индукторы снижают сродство репрессора к  оператору. • Различают индукторы и корепрессоры. • Индукторы снижают сродство репрессора к оператору. • Корепрессоры увеличивают сродство репрессора к оператору. • Активаторы усиливают активность РНК- полимеразы. • Некоторые белки могут выступать в одних случаях в качестве репрессора, в других – в качестве активатора.

>   Lac-оперон E. coli •  Оперон кодирует белки катаболизма лактозы, менее Lac-оперон E. coli • Оперон кодирует белки катаболизма лактозы, менее предпочтительного по сравнению с глюкозой источника энергии. • Транскрипция lac-оперона происходит только, если в среде отсутствует глюкоза и присутствует лактоза

> •  В состав оперона входят:  1. три гена, кодирующих белки, участвующих • В состав оперона входят: 1. три гена, кодирующих белки, участвующих в метаболизме лактозы: β-галактозидазу (гидролизует лактозу), пермеазу (ответственна за транспорт галактозы в клетку), белок А (β- галактозидтрансацетилаза - функция до конца не выяснена) 2. Промотор (40 п. н. ) 3. Оператор (27 п. н. ) 4. Область связывания белка САР*ц. АМФ (38 п. н. )

>В среде отсутствует лактоза и присутствует глюкоза • Ген репрессора транскрибируется • Синтезируется репрессор В среде отсутствует лактоза и присутствует глюкоза • Ген репрессора транскрибируется • Синтезируется репрессор • Репрессор взаимодействует с оператором и препятствует РНК-полимеразе – начать транскрипцию структурных генов

>В среде присутствует лактоза и отсутствует глюкоза • Лактоза взаимодействует с репрессором • Комплекс В среде присутствует лактоза и отсутствует глюкоза • Лактоза взаимодействует с репрессором • Комплекс репрессор-лактоза теряет сродство к оператору и покидает его • При недостатке глюкозы в клетке начинает накапливается ц. АМФ, • ц. АМФ связывается с белком CAP • Комплекс CAP*ц. АМФ связывается с определенным участком ДНК. • Связывание CAP*ц. АМФ включает транскрипцию лактозного оперона. • Транскрипция lac-оперона происходит только если в среде отсутствует глюкоза и присутствует лактоза

>В среде присутствует лактоза и присутствует глюкоза • Оператор не связан с репрессором В среде присутствует лактоза и присутствует глюкоза • Оператор не связан с репрессором • РНК-полимераза не может начать синтез РНК, так как в клетке концентрация ц. АМФ недостаточна для образования комплекса CAP*ц. АМФ

>   Триптофановый оперон  • Триптофановый оперон содержит 5 генов, ответственных за Триптофановый оперон • Триптофановый оперон содержит 5 генов, ответственных за синтез триптофана промотор оператор

>Содержание триптофаны в клетке высокое • Триптофан образует комплекс с репрессором • Комплекс взаимодействует Содержание триптофаны в клетке высокое • Триптофан образует комплекс с репрессором • Комплекс взаимодействует с оператором • РНК-полимераза не может начать синтез РНК

>Содержание триптофаны в клетке снизилось  • Комплекс триптофан-репрессор диссоциирует  • РНК-полимераза начинает Содержание триптофаны в клетке снизилось • Комплекс триптофан-репрессор диссоциирует • РНК-полимераза начинает транскрипцию структурных генов

>  Регуляция транскрипции на уровне    элонгации Аттенюация  Регуляция триптофанового Регуляция транскрипции на уровне элонгации Аттенюация Регуляция триптофанового оперона может осуществляться благодаря наличию в нем аттюниаторной последовательности (аттенюатора). Эта последовательность входит в состав лидерной области, в которой закодирован лидерный пептид. Лидерный пептид в 10 и 11 положениях содержит два остатка триптофана

> • Транскрипция триптофанового оперона E. coli происходит, когда концентрация триптофана в клетке мала • Транскрипция триптофанового оперона E. coli происходит, когда концентрация триптофана в клетке мала • Трансляция лидерного участка м. РНК сопряжена с транскрипцией • Если рибосома быстро транслирует лидерный участок м. РНК (при высоких концентраций триптофана), то формируется структура, способствующая преждевременной терминации транскрипции.

> • Если рибосома медленно транслирует лидерный участок  м. РНК (при низких концентраций • Если рибосома медленно транслирует лидерный участок м. РНК (при низких концентраций триптофана), то формируется структура, способствующая продолжению транскрипции • В результате синтезируется м. РНК, при трансляции которой образуются белки, ответственные за синтез триптофана

> Регуляция на уровне терминации • Антитерминация - прочитывание терминатора • Антитерминацию осуществляют белки-антитерминаторы Регуляция на уровне терминации • Антитерминация - прочитывание терминатора • Антитерминацию осуществляют белки-антитерминаторы • В результате антитерминации прочитываются гены, расположенные за терминатором

> ЭУКАРИОТЫ Эффективность транскрипции у эукариот зависит  • от силы и структуры промотора ЭУКАРИОТЫ Эффективность транскрипции у эукариот зависит • от силы и структуры промотора • от факторов транскрипции • от регуляторных белков, взаимодействующих с энхансерами и сайленсерами • от фосфорилирования РНК-полимеразы • от гормонов • и др

> • Механизм действие стероидных гормонов • Механизм действие стероидных гормонов

>Механизм действия тироксина Механизм действия тироксина

>  Влияние гормонов, рецепторы которых находятся на клеточной мембране, на   экспрессию Влияние гормонов, рецепторы которых находятся на клеточной мембране, на экспрессию генов • Большинство гормонов регулируют экспрессию генов, не проникая внутрь клетки. • Известно несколько вариантов передачи сигнала от гормона через рецепторы в ядро.

> • Вариант 1 • Вариант 1

> • Вариант 2 • Вариант 2

> • Вариант 3 • Вариант 3

>  Регуляция экспрессии генов на уровне   созревания РНК  • и. Регуляция экспрессии генов на уровне созревания РНК • и. РНК прокариот, как правило, процессингу не подвергается. • • У эукариот в отличие от прокариот и. РНК подвергается модификациям. • Удаляются интроны. • К 5’-концу присоединяется кэп, • 3’-конец – полиаденилируется.

>Механизм сплайсинга Механизм сплайсинга

>Альтернативный сплайсинг Альтернативный сплайсинг

> • Альтернативный сплайсинг имеет большое  биологическое значение. • От его направления зависит • Альтернативный сплайсинг имеет большое биологическое значение. • От его направления зависит формирование пола у дрозофилы. • Случаи альтернативного сплайсинга имеют место в мышечной ткани, нервной ткани. • В результате альтернативного сплайсинга образуются в чем-то схожие и чем-то отличающиеся белки.

>    РЕДАКТИРОВАНИЕ РНК • Редактирование характерно для митохондриальной РНК  • РЕДАКТИРОВАНИЕ РНК • Редактирование характерно для митохондриальной РНК • У высших растений исправляется 3 -15 % митохондриальной РНК, простейших – до 50 %, • Редактирование наблюдается и в пластидах, там оно составляет 0, 13 % кодонов • В процессе редактирования обычно Ц заменяется на У, • Иногда происходит замена У на Ц. • Процесс осуществляется специфическими ферментами • Исправляются преимущественно кодирующие последовательности, но могут модифицироваться стоп- кодоны и последовательности внутри интронов

>Регуляция на уровне деградации м. РНК  • Время полужизни м. РНК прокариот составляет Регуляция на уровне деградации м. РНК • Время полужизни м. РНК прокариот составляет несколько минут • Деградация РНК может быть во времени сопряжена с транскрипцией и трансляцией • Время полужизни РНК эукариот может составлять от нескольких десятков часов до суток

> • Скорость  поступления  железа в клетку  зависит от  наличия • Скорость поступления железа в клетку зависит от наличия на ее поверхности рецептора трансферина – белка переносчика железа

>  Регуляция экспрессии генов с помощью  si. РНК (РНК-интерференция) • С целью Регуляция экспрессии генов с помощью si. РНК (РНК-интерференция) • С целью получения сорта петуний с более яркими бордовыми лепестками, генетики ввели в ее клетки ген, отвечающий за синтез красного пигмента. • К удивлению ученых, многие цветы, вместо того, чтобы усилить окраску, теряли пигмент и получались белыми. • Эти эксперименты стали предпосылкой для открытия малых интерферирующих (small interfering) РНК (si. РНК)

> • si. РНК (малых РНК) состоят из 21 -28 (у млекопитающих из • si. РНК (малых РНК) состоят из 21 -28 (у млекопитающих из 21 -23) нуклеотидов. • Они являются двунитчатыми. • По краям каждой из цепей si. РНК всегда остается два неспаренных нуклеотида. • Если молекула si. РНК появляется в клетке, с ней связываются хеликаза и нуклеаза (этап 1), формируя комплекс RISC. • Хеликаза раскручивает нити si. РНК (этап 2). • Одна из нитей, к которой прикреплена нуклеаза, может связаться с комплементарным участком однонитчатой м. РНК (этап 3), позволяя нуклеазе разрезать ее.

> • Разрезанные же участки м. РНК подвергаются действию  других клеточных РНКаз , • Разрезанные же участки м. РНК подвергаются действию других клеточных РНКаз , которые разрезают их на более мелкие куски (этап 4). • Основное назначение si. РНК в клетке - это блокирование тех РНК, которые соответствуют одной из цепочек si. РНК. • si. РНК образуются из длинных дц. РНК.

> • si. РНК в клетке может образоваться следующим образом.  • Одна из • si. РНК в клетке может образоваться следующим образом. • Одна из цепей si. РНК присоединившись к цепи и. РНК, может с помощью комплекса ферментов, обладающего РНК- зависимой РНК-полимеразной и и РНК-эндонуклеазной активностями, сначала достроить вторую цепь и. РНК, а затем разрезать ее с образованием "вторичных" si. РНК

>  Значение РНК-интерференции • С помощью si. РНК клетка может защищать себя от Значение РНК-интерференции • С помощью si. РНК клетка может защищать себя от проникновения РНК-вирусов. • С помощью si. РНК клетка может контролировать активность и расселение транспозонов по геному. • РНК-интерференция может использоваться для изучения функций генов. С помощью si. РНК можно выключить определенный ген. • РНК-интерференция может использоваться в генотерапии для выключения «больных генов» . • РНК-интерференция может использоваться в медицине для борьбы с вирусными заболеваниями.

>  Маскирование и. РНК у экариот  • Связывание маскирующего белка с сегментом Маскирование и. РНК у экариот • Связывание маскирующего белка с сегментом маскирования приводит к инактивации функций м. РНК. • Она становится недоступной для инициации трансляции, деградации, модификации 3’-конца

> • Маскирование-демаскирование и. РНК характерно  для многих биологических процессов  (гаметогенез, ранние • Маскирование-демаскирование и. РНК характерно для многих биологических процессов (гаметогенез, ранние эмбриональное развитие, клеточная дифференцировка и др. ). • В яйцеклетках происходит запасание и. РНК в маскированной форме, которая демаскируется после оплодотворения, обеспечивая синтез белка на ранних стадиях развития эмбриона.

> Регуляция экспрессии генов на уровне    трансляции  • Существуют три Регуляция экспрессии генов на уровне трансляции • Существуют три основных способа регуляции трансляции: 1. позитивная регуляция трансляции (дискриминация и. РНК), основанная на сродстве и. РНК к рибосомам и факторам инициации трансляции; 2. негативная регуляция (трансляционная репрессия), осуществляющаяся с помощью белков-репрессоров, которые, связываясь с и. РНК, блокируют инициацию трансляции 3. тотальная регуляция – регуляция трансляции всей совокупности и. РНК

>  ПОЗИТИВНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ • У прокариот для эффективной трансляции инициирующий  кодон ПОЗИТИВНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ • У прокариот для эффективной трансляции инициирующий кодон должен находиться на вершине шпилечной структуры • Предшествовать ему примерно за 3 -10 нуклеотидов должна последовательность Шайна-Дальгарно, комплементарная р. РНК и способствующая связыванию рибосомы в районе инициирующего кодона

> • У эукариот инициация происходит чаще всего с первого АУГ, однако если он • У эукариот инициация происходит чаще всего с первого АУГ, однако если он находится в оптимальном контексте ГЦЦГССА/ГССАУГГА/ЦУ обязательные для инициации нуклеотиды выделены красным • Если первый АУГ находится не в оптимальном контексте, то инициация начинается со следующего АУГ.

> • В некоторых м. РНК эукариот инициация не путем  сканирования 5’-конца, а • В некоторых м. РНК эукариот инициация не путем сканирования 5’-конца, а за счет узнавания определенного внутреннего АУГ. • Для такого узнавания требуется протяженная последовательность м. РНК. • Эта последовательность узнается определенными белками, которые обеспечивают инициацию с внутреннего кодона

>Прокариоты • Скорость и частота трансляции рибосомами может  сильно отличаться для разных и. Прокариоты • Скорость и частота трансляции рибосомами может сильно отличаться для разных и. РНК • Выделяют «слабые» и «сильные» и. РНК

> • У эукариот и. РНК также бывают «слабыми» и «сильными»  • Эффективность • У эукариот и. РНК также бывают «слабыми» и «сильными» • Эффективность инициации трансляции у них обусловлена различным сродством факторов инициации к 5’-концевым структурам и. РНК. • Белки, необходимые клетки в больших количествах, кодируются «сильными» м. РНК, в малых количествах – «слабыми» м. РНК • Мембранный комплекс бактериальной протонной АТФазы – a 1 b 2 g 10. • Субъединица a кодируется слабым цистроном Субъединица b кодируется сильным цистроном Субъединица g кодируется цистроном средней силы

> • У прокариот м. РНК может содержать несколько  цистронов • Рибосомы могут • У прокариот м. РНК может содержать несколько цистронов • Рибосомы могут инициировать трансляцию цистронов в одних случаях независимо друг от друг

> • в других – инициация трансляции внутреннего  цистрона зависит от трансляции предшествующего • в других – инициация трансляции внутреннего цистрона зависит от трансляции предшествующего • В третьих - инициация трансляции внутреннего цист- рона невозможна без трансляции предшествующего

>   Негативная регуляция трансляции  • Негативная регуляция осуществляется при участии Негативная регуляция трансляции • Негативная регуляция осуществляется при участии репрессорных белков. • Репрессорный белок связывается с м. РНК. • Часто в месте связывания имеется не стабильная шпилька. • Белок-репрессор стабилизирует шпильку, и препятствует взаимодействию рибосомы с и. РНК (а) или продвижению рибосомы по м. РНК (б). • В ряде случаев репрессором является белок кодируемой данной м. РНК.

> • Рассмотрим в качестве примера регуляцию синтеза  ферритина. • Этот белок связывает • Рассмотрим в качестве примера регуляцию синтеза ферритина. • Этот белок связывает избыток свободного железа в клетке. • Его содержание зависит от концентрации ионов указанного металла. • В присутствии железа в клетке происходит синтез ферритина, при его недостатке белок не синтезируется.

> • Трансляция и. РНК ферритина зависит от белка-репрессора, который в отсутствии железа связывается • Трансляция и. РНК ферритина зависит от белка-репрессора, который в отсутствии железа связывается с последовательностью, образующую шпилечную структуру на 5’-конце и. РНК. • Такое связывание стабилизирует шпильку и подавляет трансляцию на стадии инициации. • В присутствии ионов железа репрессор образует с ними комплекс и вследствие этого теряет сродство к и. РНК. • После отделения репрессора и. РНК начинает транслироваться.

> • Увеличение содержания ферритина приведет  к связыванию железа и снижению  концентрации • Увеличение содержания ферритина приведет к связыванию железа и снижению концентрации сводного железа в клетке. • В результате комплекс репрессора с железом распадается, и репрессор вновь приобретает сродство к и. РНК и, взаимодействуя с ней, блокирует ее трансляцию.

> Тотальная регуляция трансляции у    эукариот • Фосфорилирование фактора инициации e. Тотальная регуляция трансляции у эукариот • Фосфорилирование фактора инициации e. IF 2 при участии протеинкиназы приводит к подавлению инициации трансляции всех м. РНК • Сигналами к активации протеинкиназы служат тепловой шок, недостаток ростовых факторов, аминокислотное голодание, недостаток железа, вирусные инфекции

> Неоднозначность трансляции Cуществуют многочисленные примеры, когда  генетическая информация расшифровывается  не строго Неоднозначность трансляции Cуществуют многочисленные примеры, когда генетическая информация расшифровывается не строго по правилам генетического кода и трансляции. • Некоторые и. РНК в транслируемой области содержат терминирующие кодоны, но они игнорируются за счет сдвига рамки считывания. Рамка может сдвигаться на -1, +2. • В процессе трансляции некоторых генов рибосома может совершать прыжки на десятки нуклеотидов.

> • У ретровирусов при трансляции гена, кодирующего  обратную транскриптазу происходит закономерный сдвиг • У ретровирусов при трансляции гена, кодирующего обратную транскриптазу происходит закономерный сдвиг рамки считывания на один нуклеотид. Если бы не происходил сдвиг рамки считывания, фермент бы не образовывался • Если бы с частотой 3% не происходило прочтения нонсенса в конце гена, кодирующего белок оболочки одного из РНК- содержащих бактериофагов, его частицы не проявляли инфекционности по отношению к клеткам E. coli.

> • У многих живых существ т. РНК, которые обусловливают  нестандартное чтение кодовой • У многих живых существ т. РНК, которые обусловливают нестандартное чтение кодовой таблицы. • У бактерий нашли т. РНК, читающую кодон UUU (финилаланин) как кодон для лейцина, у дрожжей – т. РНК, читающие нонсенсы UAA и UAG как кодоны для глутамина, . Интересно, что их антикодоны не были комплементарны считываемым кодонам. • В процессе трансляции может включаться в белок нестандартная аминокислота селеноцистеин. Его кодирует нонсенс УГА, если за ним находится особая стимулирующая последовательность.

>Спасибо за внимание Спасибо за внимание