Красноярский государственный медицинский университет им. В.Ф. Войно-Ясенецкого Кафедра Биологии с экологией и курсом фармакогнозии Лекция № 4 для специальности 060609 – «Медицинская кибернетика» (очная форма обучения) к.б.н. Ермакова И.Г. Красноярск 2015
Экспрессия генов и значение регуляции экспрессии Особенности регуляции экспрессии у прокариот и эукариот Регуляция транскрипции Регуляция трансляции Посттрансляционная регуляция
Это реализация наследственной информации от гена к признаку Признак – это результат биохимических реакций, при которых продукт предыдущих реакций служит субстратом для последующих. Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок.
фермент - фенилаланингидроксилаза Фенилаланин Тирозин Нет фермента Фенилпировиноградная кислота Диоксифенилаланин Нет фермента Альбинизм ФКУ Меланин Экспрессия генов Аминокислота фенилаланин – поступает с пищей
Экспрессия генов регулируется на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков
У прокариот У эукариот Этапы Этапы Транскрипция Транспорт аминокислот Трансляция Транскрипция Процессинг Транспорт аминокислот Трансляция
Транскрипция происходит на матричной цепи ДНК Транскрипция Вторая цепь – комплементарная или смысловая
ДНК–зависимая РНК–полимераза Оператор Промотором, содержащий блок Прибнова 5 ' - ТАТААТ - 3 ', который является стартом транскрипции Белковые факторы инициации
Фермент РНК - полимераза считывает информацию с ДНК - матрицы в направлении 3 ' 5 ' Синтез м-РНК идет в направлении 5 ' 3 ' Регуляторы скорости транскрипции: ЭНХАНСЕРЫ – ускоряют САЙЛЕНСЕРЫ – замедляют
А. Палиндром, или обращённый повтор. Обладает осевой симметрией. ось симметрии второго порядка проходит через точку повтора. Б. Крестообразная структура возникает, когда внутри палиндрома образуются связи между основаниями одной цепи.
Модель регуляции транскрипции у прокариот разработана Жакобом и Моно в 1961 году для кишечной палочки ( Escherichia coli ). Регуляция транскрипции у бактерий обычно охватывает кластер генов, кодирующих функционально родственные белки. Такими белками обычно являются ферменты
Регуляция транскрипции у прокариот происходит преимущественно на стадии инициации и связана с деятельностью регуляторных белков – активаторов и репрессоров транскрипции. Различают негативную и позитивную регуляцию транскрпции оперонов, которые включают не только действие регуляторных белков, но и ряда внутриклеточных метаболитов небелковой природы.
Регуляция транскрипции у прокариот
Регуляция оперона состоит в индукции транскрипции путем присоединения к промотору регуляторного комплекса. Репрессия этого оперона осуществляется с помощью белка – репрессора, который блокирует область оператора, когда нет необходимости в экспрессии
Негативная регуляция инициации транскрипции, или репрессия, осуществляется белками-репрессорами, которые связываются с операторами. Поскольку последовательности оператора и промотора часто перекрываются, связывание репрессоров со своими операторами ограничивает доступ РНК-полимеразы к промотору, подавляя тем самым инициацию транскрипции. Позитивная регуляция может осуществляться путем связывания специфических белков с нуклеотидными последовательностями, расположенными в области промотора. Считается, что связанный активаторный белок способствует ассоциации РНК-полимеразы с промотором и, следовательно, увеличивает вероятность инициации транскрипции.
Модель регуляции транскрипции у эукариот предложили Бриттен и Дэвидсон Они показали позитивную регуляцию активности структурного гена, которую обеспечивает прилегающий к нему рецепторный сайт. Его строение соответствует строению молекулы активатора, который в данной модели представляет РНК, но может быть и белком. Активатор синтезируется в результате работы гена – интегратора, который является аналогом гена-регулятора у прокариот
К основным компонентам системы регуляции генов у эукариот относятся : Ген – интегратор с сенсорным сайтом Структурный ген с рецепторным сайтом, находящимся под контролем продукта гена-интегратора Интегратор Регуляция транскрипции у эукариот ( по Бриттену и Девидсону )
Полимеразы эукариот не способны связаться с промоторами самостоятельно Для этого у эукариот имеются специальные белковые факторы транскрипции ( TF -факторы ) TF1, TF-2, TF3 Кроме белковых факторов транскрипции у эукариот имеются различные регуляторные последовательности : ТАТА-боксы (блок Хогнесса ), энхансеры, сайленсеры, а также адаптерные элементы, которые проявляют избирательную чувствительность к различным факторам
Результат транскрипции у прокариот – матричная (информационная) РНК Содержит только информативные участки Результат транскрипции у эукариот – первичный транскрипт, или гетерогенная ядерная РНК Содержит как информативные участки, так и неинформативные, которые в дальнейшем подвергаются преобразованию
У прокариот процессингу подвергаются предшественники т- РНК и р - РНК. В матричных РНК процессингу подвергаются 5 ' конец – происходит кэпирование, и 3 ' конец – происходит полиаденилирование. У эукариот процессинг - это превращение первичного транскрипта гя РНК в матричную РНК.
Сплайсинг – вырезание неинформативных участков и сшивание информативных. В сплайсинге участвуют органоиды ядра- сплайсосомы, в состав которых входит мяРНК и ферменты : рестриктазы – вырезают неинформативные участки и лигазы – сшивают информативные Кэпирование Полиаденилирование
мяРНК узнаёт концы интронов. Рестриктазы вырезают неинформативные участки Лигазы сшивают информативные участки Сплайсосома
5 ' - Г- Р – Р – Р – АУГААГЦААГЦЦАГЦУАА - 3 ' POLY (A) СН3 Образующаяся структура на 5’ конце иРНК защищает РНК от экзонуклеаз и ответственна за последующее связывание молекулы мРНК с рибосомой. Поли А способствует последующему процессингу РНК и экспорту зрелых молекул мРНК из ядра.
Некоторые экзоны мРНК могут сшиваться в разных комбинациях с образованием различных матричных последовательностей. Открыт впервые у аденовирусов Это позволяет организму синтезировать разные по структуре и свойствам белки на базе одного гена.
В процессе трансляции различают стадии: Стадия активации аминокислот Инициация Элонгация Терминация
Участвуют : Т – РНК Фермент Аминоацил - т - РНК – синтетаза АТФ
Связывание тРНК с аминокислотой Комплекс глутаминил-тРНК-синтетазы с глутаминовой тРНК и АТФ по данным рентгеноструктурного анализа
Общая схема трансляции
Схема РНК-связывающих участков рибосомы. Буквами обозначены участки связывания тРНК. А — аминоацил-тРНК-связывающий участок, Р — пептидил-тРНК-связывающий участок, Е — участок отсоединения тРНК от рибосомы
Малая субчастица узнаёт матричную РНК и её кодон - инициатор – АУГ; Инициаторная тРНК, узнаёт малую субчастицу рибосомы с помощью белковых факторов инициации ; Образуется комплекс : малая субчастица рибосомы + мРНК. + тРНК. Белковые факторы инициации уступают место большой субчастице. Происходит сборка рибосомы
В процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации. Первый фактор переносит тРНК в А -сайт рибосомы( аминоацильный центр). Рибосома катализирует образование пептидной связи, происходит перенос растущей цепи пептида с Р-сайтовой тРНК на находящуюся в А-сайте, пептид удлиняется на один аминокислотный остаток.
Затем второй белок катализирует так называемую транслокацию. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один триплет, в результате которого пептидил-тРНК оказывается вновь в Р-сайте, а «пустая» тРНК из P-сайта уходит в Е – сайт. Цикл элонгации завершается, когда новая тРНК с нужным антикодоном приходит в A-сайт.
Поскольку каждый кодон содержит три нуклеотида, один и тот же генетический текст можно прочитать тремя разными способами (начиная с первого, второго и третьего нуклеотидов), то есть в трех разных рамках считывания. За некоторыми интересными исключениями, значимой является информация, закодированная только в одной рамке считывания. По этой причине крайне важным для синтеза белка рибосомой является её правильное позиционирование на стартовом AUG-кодоне — инициация трансляции.
Регуляция трансляции Расположение функциональных участков на мРНК
Мутации сдвига рамки считывания - делеции или инсерции, размеры которых не кратны трем основаниям, приводят к изменению рамки считывания при трансляции триплетов в белок. Делеции или вставки одного или двух нуклеотидов в кодирующей области вызывают мутации со сдвигом рамки считывания, то есть они изменяют разбиение мРНК на кодоны так, что каждый следующий кодон этого гена считывается неправильно. Эти мутации меняют аминокислотную последовательность в белке и часто вызывают преждевременное окончание его синтеза, если сдвиг рамки считывания приводит к образованию терминирующего кодона.
Пример регуляции трансляции мРНК в эукариотических клетках – поддержание в клетках уровня свободного железа.
Пример регуляции трансляции мРНК в эукариотических клетках – поддержание в клетках уровня свободного железа. Железо входит в состав активных центров очень многих белков, таких, например, как гемоглобин , миоглобин, цитохромы, однако ионы свободного железа токсичны для клетки и поэтому связываются и переводятся в нетоксичную форму белком ферритином.
Синтез ферритина в клетке, в свою очередь, зависит от уровня свободного железа: в присутствии железа ферритин синтезируется при его недостатке трансляция мРНК ферритина останавливается на стадии инициации.
Регуляция железом трансляции мРНК ферретина
Регуляция синтеза ферритина целиком зависит от специфической последовательности длиной 26 нуклеотидов, образующей шпилечную структуру в 5'-НТО мРНК ферритина. Этот регуляторный элемент при отсутствии железа связывается со специфическим белком ( аконитазой ), который препятствует сканированию 5'-НТО рибосомами и, таким образом, подавляет трансляцию мРНК на стадии ее инициации. А при связывании с ионами железа аконитаза перестает связываться с ферритиновой мРНК. После диссоциации белка мРНК становится активной в синтезе ферритина.
Вновь синтезированный ферритин отнимает железо у репрессора ( аконитазы ). Утратив железо, репрессор опять приобретает сродство к регуляторному элементу ферритиновой мРНК, связывается с ним и останавливает синтез ферритина.
На примере гормонов гипофиза В разных долях гипофиза в зависимости от потребности могут синтезироваться разные гормоны на основе одной РНК.
Транскрипция Сплайсинг Трансляция γ -МСГ β -МСГ N- концевой участок β - липотропин АКТГ α -МСГ β - Эндорфин Передняя доля Промежуточная доля Процессинг Посттрансляционная регуляция
CUP γ- МСГ АКТГ β- МСГ β- липотропин Проопиомеланокортин α- МСГ γ- липотропин β - эндорфин
Проопиомеланокортин, или сокращённо ПОМК – прогормон, сложный полипептид. синтезируеется кортикотропными клетками передней доли гипофиза и меланотропными клетками средней доли гипофиза. состоит из 241аминокислоты. Из него вырезаются три основные разновидности МСГ: α - меланоцитстимулирующий гормон ( α-МСГ ) β - меланоцитстимулирующий гормон ( β-МСГ ) γ - меланоцитстимулирующий гормон ( γ-МСГ ) CUP – кортикотропиноподобный промежуточный пептид
α- МСГ: Ac - Ser -Tyr- Ser -Met- Glu -His- Phe -Arg- Trp - Gly - Lys -Pro-Val β- МСГ (человек): Ala-Glu-Lys-Lys-Asp-Glu-Gly-Pro-Tyr-Arg-Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly-Ser-Pro-Pro-Lys-Asp γ- МСГ: Tyr-Val-Met- Gly -His- Phe -Arg- Trp - Asp -Arg- Phe - Gly В таблице показана их структура. Все они образуются путём расщепления общего белка-предшественника - проопиомеланокортина.
Функции МСГ: МСГ стимулируют синтез и секрецию меланинов ( меланогенез ) клетками-меланоцитами кожи и волос, а также пигментного слоя сетчатки глаза. Наиболее сильное влияние на пигментацию оказывает α-МСГ. У людей повышение уровня МСГ вызывает потемнение кожи. Различия в уровне МСГ не являются главной причиной межрасовых различий в цвете кожи. У людей с рыжими волосами и светлой кожей, не способной к загару, присутствует мутация в гене одного из рецепторов МСГ.
Из ПОМК образуются также: β-липотропный гормон — гормон передней доли гипофиза. β-липотропный гормон вызывает усиление липолиза в подкожной жировой ткани и уменьшение синтеза и отложения жира. Адренокортикотропный гормон, или АКТГ, вырабатываемый эозинофильными клетками передней доли гипофиза. Кортикотропин контролирует синтез и секрецию гормонов коры надпочечников. β - эндорфин — образуется во многих клетках ЦНС. Физиологические функции β - эндорфина многообразны: обезболивающее действие, противошоковое, антистрессовое действие и мн. др.
