РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕСИИ ГЕНОВ http lens auckland ac nz

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 Lac. Z: β - галактозидаза расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу. Lac. Y: 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 Lac. I, 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 m. РНК; 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 В 2 www. cellbiol. ru 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.

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-м. РНК 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-m. РНК 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). Поли. А хвост защищает 3'-конец от гидролиза, т. к. покрыт поли. Асвязывающими белками. Время жизни m. РНК зависит от длины поли. А-хвоста. Полиаденилированные про-m. РНК подвергаются сплайсингу м. РНК 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 - 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 sn. RNA взаимодействует с этими сайтами, способствуя вырезанию интронов. www. mpibpc. mpg. de

Транссплайсинг • Транссплайсинг - вид сплайсинга, при котором происходит соединение РНК разных транскриптов. http: //mol-biol 4 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 ( sn. RNA). Класс малых молекул РНК длиной около 150 н, 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 U 1 sn. RNA – 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 (si. RNA) (около 20 нуклеотидов) — ключевые молекулы для процесса RNAi, комплементарные мишеням РНК. Специфические белки системы RNAi направляются при помощи si. RNA к целевым молекулам м. РНК, 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 si. РНК или micro. РНК попадают в RNA-induced silencing complex (RISC) 3) RISC разрушает м. РНК 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: H 1, H 2 A, H 2 B, H 3 и H 4. 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