Генна експресия. Нива на регулация на генната експресия при еукариоти

Генна експресия.
Нива на регулация на генната експресия
при еукариоти.

Генна експресия = изява на гена = белтък
Генната експресия е процесът, чрез който се
използва информация от дадаен ген (ДНК) за
синтеза на функционално активен продукт на гена
(RNAs, полипептидна верига).

Регулацията на генна експресия при еукариоти е много по- усложнена
и многостъпална в сравнение с прокариотите
При многоклетъчните организми, вкл. Човек може да се говори за две
основни категории на регулация на генната експресия:
Краткосрочна (Short-term) –отговор на различни стимули
Дългосрочна (Long-term) – основа за клетъчната диференцияция.

Генна експресия = изява на гена = белтък
Гените в зависимост от експресията си биват:
Конститутивни гени (house-keeping) – имат постоянно,
непроменливо ниво на експресия. Гени кодиращи белтъци за
основни клетъчни функции
Напр. гени за бета-актин (ACTB) , β2 микроглобулин (B2M); TATA
binding protein (TBP); рибозомални протеини и др.
индуцируеми гени –
експресират се само когато
техните продукти са
необходими на клетката -
“стимулирана” експресия
В отговор на определен
сигнал (сигнална
трансдукция), напр. гени за
цитокини, HSP;

Генна експресия = изява на гена = белтък
Регулярни гени- експресират се само в определен етап от
жизнения цикъл на клетката, напр. гени за циклини; ДНК
полимераза
Тъканно-специфични- експресират се само в определени
тъкани/клетки напр. имуноглобулинови гени в В-лимфоцити
Стадийно-специфични – експресират се само в определен
етап от онтогенезата на индивида напр.гени за -
глобиновите вериги на хемоглобина – фетален хемоглобин

Oсновни нива на регулация на
генната експресия при
еукариоти са:
1.Генна организация, достъпност
на гена (хроматинизация) и
генна доза (амплифицирани
гени)
2.Регулация на ниво
транскрипция
3.Процесинг на РНК
4.Транспорт за зрели РНК
5.Деградация (живот) на иРНК в
цитоплазмата - микро-РНК (mi
RNA); малки интерфериращи РНК
(siRNA)
6.Регулация на ниво транслация
7.Посттранслационни
модификации и стабилност на
протеина

Хетерохроматинизацията е механизъм на еукариотните клетки за
инактивиране на група от гени.
Хетерохроматин - относително недостъпен за транскрипционни
фактори и други протеини – подтисната генната експресия
Еухроматин – достъпен за транскрипционни фактори и регулаторни
белтъци
Композицията на хроматина
се контролира от
епигенетични модификации
като ДНК метилиране и
хистонови модификации
Достъпност на гена

Епигенетичен контрол на генната
експресия
Молекулни промени на структурата на генома които
повлияват генната експресия, без да променят ДНК
секвенцията (над-геномни)
Основни механизми:
ДНК метилиране
Хистонови модификации
РНК-интерференция
(пост-транслационна регулация)

Метилиране на ДНК - DNA Methyl Transferases (Dnmt) - клетъчна
диференциация (long-term regulation)
Напомняне: Геномен импринтинг

Механизъм за трайно инактивиране на гени е метилирането на С от
CG в ДНК.
При човек 50-70% от всички CpGs са метилирани, предимно в
хетерохроматиновите области. В еухроматина CpGIs са предимно
неметилирани
Промоторите на много гени съдържат CpG острови
Метилиране на промотори на тумор-
супресорни гени, напр APC, p53, е често
срещан механизъм за трансформация
на клетката.

В промоторите на
конститутивни гени (house-
keeping) очаквате ли висока
степен на метилиране на
CpG острови???

Ацетилиране на хистоните от
ензими хистон-ацетил-
трансферази (HAT) се
асоциира с генна активност.
HAT - histone
acetyltransferases HDAC- histone deacetylases
Деацетилиране на хистоните
от ензими хистон
деацетилази и (HDAC) се
асоциира с генна репресия.
Ацетилирането на хистоните улеснява
достъпността на промоторните региони и
улеснява транскрипцията
Хистонови модификации

HAT - histone
acetyltransferases
HDAC- histone
deacetylases

Хипоацетилирането е един от молекулните механизъм за
подтискане на експресията на гени контролиращи клетъчния
цикъл, механизмите за апотоза, туморсупресорни гени.

•Лекарството vorinostat
(SAHA) е инхибитор на
HDAC и е одобрено от
U.S. Food and Drug
Administration (FDA) за
лечение на кожен Т-
клетъчен лимфом (CTCL)
през 2006

Ключово ниво в регулацията на генната експресия е регулация на
транскрипция и се осъществява най-вече на етап инициация
Промотор
Проксимални контролни елементи
Енхансери – дистални контролни елементи
Поли-аденелираща секвенция
3„ нетранслираща се област (UTRs – untranslated regions)

Анатомия на еукариотния белтък кодиращ ген

Централна част на промотор - Промоторът съдържа ДНК
секвенции разпознавани от главни транскрипционни фактори (TFII) и
РНК полимераза.
TATA бокс - A/T богата област- 25 bp upstream от стартовото място,
осигурява основно, базично ниво на транскрипция-(TBP-TFIID)
•Проксимални контролни елементи
•CCAAT бокс (-70-80bp) - разпознава се от CAAT enhancer binding
proteins (C/EBP)
•GC бокс (-90-100bp) – разпознава се от Sp1
•Увеличава ефективността на транскрипцията

Централна част на промотора на
IL-2
Транскрипционен фактор-Аctivator
protein 1 (AP-1) ; хетеродимер от
c-Fos; c-Jun
Nuclear factor NF-κB -
хетеродимер от RelA; p50
Nuclear factor of activated T-
cells (NFAT)
В промоторната област на един ген има много и различни
секвенции, разпознавани от различни транскрипционни
фактори

Някой промотори имат също контролни елементи, които са
общи за група гени означени като отговарящи елементи
(response elements),
съдържат кратки консенсусни последователности
Осигуряват сигнал-специфична транскрипция

Други важни регулаторни области в еукариотни гени са
енхансерите -дистални контролни елементи :
силно отдалечени от промотора
( 2-20кб) и не зависят от
посоката на гена
разположени в ляво или дясно
от кодиращата
последователност
Един енхансер може да
повлиява експресията на
няколко различни гена.
В енхансерите има различни нуклеотидни последователности за
регулаторни транскрипционни фактори, още нар. Активатори,
енхансер свързващи белтъци
Формираният комплекс- енхансозома, може да включва белтъци за
хроматиново ремоделиране (НАТ).

Различни комбинации от транскрипционни фактори
могат да повлияят на експресията на даден ген.
•Комплексът/ комбинацията от TF могат да променят степента на
генна експресия.
•Много транскрипционни фактори са хетеродимери и различната
комбинация от субединици повлиява афинитетата им към ДНК-
контролния елемент или към други TF
•Чрез комбинация от
танскрипционни
фактори (субединици)
се осигурява
координирана и
комплексна регулация
на генната експресия

Сходни регулаторни елементи участват в регулацията на
транскрипцията на различни гени (например CXCL8, IL-6
and CXCL1).
Следствия
Един регулаторен
белтък-
едновременна
транскрипция на
няколко
функционално
свързани гени
Правилната
комбинация от TF –
координирана генна
експресия

Мутации в транскрипционни регулаторни елементи са асоциирани с редица
болести при човек

РНК-процесинг
pre-РНК (хяРНК) се процесира до иРНК + 5’ cap и 3’ poly-A опашка
–Функции на 5‘ cap:
a) Предпазва иРНК от деградация;
b) Транспорт на иРНК в
цитоплазмата;
c) Свързва се с малката
рибозомна субединица при
транслация
–Функции на poly-A опашката :
a) Предпазва иРНК от деградация; “живот“
на иРНК в цитозола
b) Транспорт на иРНК в цитоплазмата
c) Подпомага терминацията на
транскрипцията
d) Промотира транслацията на иРНК в
рибозомния етап
Не забравяйте и
сплайсинга!!!

Днес голям интерес представляват некодиращите РНК с
регулаторна функция - miРНК, siРНК
Тези РНК-и са малки (~ 20-30nt), транскрибират се, но не се
транслират и са комплементарни на иРНК на различни гени.

РНК интерференция (RNAi) – пост-транскрипционно ниво на
регулация на генната експресия
MicroRNAs (miRNA) and Small Interfering RNAs
(siRNA)
инхибират/намалят степентта на транслация на
таргетни иРНК-RNA silencing.
RNAi открита и описана за първи път от Andrew Fire и Craig Mello в
инхибиране на екзогенна РНК при C. Elegans- нобелова награда 2006.