Regulace genové exprese

• důležitá hlavně u mnohobuněčných organismů – z 1 buňky se diferencuje mnoho různých buněčných typů (např. buňky svalové, nervové, krevní,…) – příčinou diferenciace je akumulace různých druhů proteinů, a primárně tedy i RNA
  • všechny zdravé somatické buňky obsahují shodné množství stejných genů a liší se tím, že tyto stejné geny různě využívají
  • důkaz, že v každé buňce všechny geny – pokus: do vajíčka zbaveného jádra injikovat jádro ze somatické buňky → vznikne normální embryo (= základ klonování)
• housekeeping genes = geny nezbytné pro existenci organismu
  • kódují housekeeping proteins
  • za stabilních podmínek a na optimálním médiu asi 800 genů
• luxury genes = geny specifické pro diferencované buňky, které produkují proteiny zodpovědné za jejich specifické vlastnosti (např. hemoglobin v retikulocytech [= nezralé erytrocyty])

KONTROLA SYNTÉZY PROTEINŮ

REGULACE U PROKARYOT

• například bakterie Escherichia coli – genom tvořen cirkulární molekulou DNA – kóduje asi 4000 druhů proteinů, ale v každém okamžiku syntetizována jen malá část z nich (=> reguluje expresi mnoha svých genů dle nutričního zdroje v okolním prostředí (např. lac operon – laktóza, trp operon – tryptofan atd.)

• operon

• • geny uspořádané stejným způsobem do 1 úseku a přepisované do 1 mRNA (ta je polycistronická = z 1 mRNA se translatuje více proteinů)
  • operony existují jen u prokaryot (u eukaryot geny regulovány individuálně)
  • všechny geny v operonu řízeny 1 promotorem
  • součástí operátor = sekvence, na kterou se váže represor (regulační protein)
    • často palindromy (invertované repetice) – centrálně symetrické → represory jsou dimery
    • pokud se na represor naváže induktor, represor změní konformaci a:
      • je schopen vázat se na operátor → to brání nasednout RNA-polymeráze → transkripce neprobíhá (= trp operon)
      • není schopen vázat se na operátor → RNA-polymeráza může nasednout → transkripce probíhá (= lac operon)
  • např. tryptofanový (trp) operon – pokud tryptofan přítomen v okolí bakterie → transportován do buňky → enzymy pro jeho syntézu nejsou potřeba → operon vypnut

• regulace tryptofanového operonu

• • vysoká hladina tryptofanu v okolí buňky
    • několik molekul tryptofanu (induktor) se naváže na tryptofanový represor → změna v jeho 3D struktuře → může se navázat na operátor (regulační sekvence 15 nukleotidů) → to fyzicky brání RNA-polymeráze nasednout na promotor → geny tryptofanového operonu se netranskribují (operon je vypnut)
  • nízká hladina tryptofanu v okolí buňky
    • tryptofanový represor neváže molekuly tryptofanu → nenasedne na operátor → RNA-polymeráza může rozpoznat promotor a nasednout → probíhá transkripce všech 5 genů tryptofanového operonu (operon je zapnut)
  • represor spouští/zastavuje syntézu biosyntetických enzymů podle koncentrace konečného produktu dráhy, kterou dané enzymy katalyzují

• konstitutivní exprese

• • neregulovaná exprese genu
  • gen, který kóduje represor je neustále s nízkou účinností přepisován → stálá nízká hladina v buňce → umožněna rychlá odpověď (např. na zvýšení koncentrace tryptofanu)

• represory

• • proteiny, které navázáním na DNA zastavují transkripci genů

• aktivátory

• • proteiny, které navázáním na DNA navozují transkripci genů
  • nutné u promotorů, které jen slabě vážou RNA-polymerázu → po navázání aktivátoru (napomáhá RNA-polymeráze iniciovat transkripci) již plně funkční
  • např. aktivátorový protein CAP – naváže se na něj cAMP (cyklický adenosinmonofosfát) → CAP se naváže na DNA → RNA-polymeráza může začít transkripci
  • cAMP signalizuje vyčerpání glukosy → syntéza enzymů, které umožňují využití jiných sacharidů z okolí

REGULACE U EUKARYOT

• RNA-polymeráza II není schopna sama začít transkripci – potřebuje obecné transkripční faktory
  • napomáhají RNA-polymeráze nasednout na promotor, oddělit oba řetězce DNA a po iniciaci transkripce ji uvolnit z promotoru, aby mohlo začít prodlužování mRNA
  • rozpoznávají všechny promotory přepisované RNA-polymerázou II (proto „obecné“)
• cis elementy = místa v DNA × trans elementy = proteiny, které se váží na cis elementy (tedy na DNA)

jak to celé funguje

• nejdůležitější – rozpoznání krátké sekvence DNA (asi 25 nukleotidů před iniciačním místem transkripce) = TATA box (hl. nukleotidy adenin a thymin) – obecným transkripčním faktorem TFIID
• TFIID (dvě velmi si podobné proteinové domény) způsobí dramatický lokální ohyb DNA → mohou nasednout ostatní transkripční faktory a RNA-polymeráza → vznikne transkripční iniciační komplex
• tento komplex brání RNA-polymeráze v prodlužování mRNA → RNA-polymeráza se musí z komplexu uvolnit → transkripční faktor TFIIH (kináza) s pomocí ATP fosforyluje RNA-polymerázu (připojí fosfáty na dlouhý polypeptid, který z ní vyčnívá) → změna její konformace → uvolnění z iniciačního komplexu → zahájena transkripce
  • nakonec se z promotoru uvolní i transkripční faktory a jsou opět využity pro jinou iniciaci transkripce

eukaryotní regulační proteiny

• obecné transkripční faktory a RNA-polymeráza nestačí – nutné ještě další aktivační proteiny (pomáhají uspořádání obecných transkripčních faktorů a RNA-polymerázy do iniciačního komplexu)
• enhancery (zesilovače) = místa v DNA, na která se vážou aktivátory → rozvolnění chromozomů × silencery (zeslabovače) = místa v DNA, na která se vážou represory → spiralizace chromozomů
• aktivační proteiny mohou být navázány až tisíce nukleotidových párů daleko od promotoru a mohou ovlivňovat expresi genu nezávisle na tom, jestli jsou před/za genem
• DNA mezi enhancerem a promotorem stočena do smyčky → umožněn kontakt aktivátoru a RNA-polymerázy (nebo 1 z obecných transkripčních faktorů) na promotoru
• aktivátory usnadňují vznik transkripčního iniciačního komplexu × represory jeho vznik zpomalují/blokují
• eukaryotní regulační proteiny se vážou na sekvence, které jsou ekvivalentní k operátorům (represory) a aktivátor-vazebným sekvencím (aktivátory) u prokaryot

kombinační kontrola

• regulační proteiny nejsou funkčně samostatné jednotky → tvoří komplexy regulačních proteinů (pozitivní i negativní regulační proteiny)
• většina DNA mezi regulačními sekvencemi má pouze roli mezerníku (není rozpoznávána žádným regulačním proteinem) – různé ohyby, smyčky → i vzdálená místa mohou být ve skutečnosti velmi blízko
• regulační proteiny + poloha jimi rozpoznávaných regulačních sekvencí vzhledem k promotoru se liší gen od genu
• exprese různých genů může být řízena 1 regulačním proteinem
  • pokud chybí protein potřebný striktně → transkripce neproběhne
  • 1 regulační protein může mít rozhodující vliv na zapnutí/vypnutí konkrétního genu doplněním kombinace proteinů → pokud několik genů obsahuje sekvenci rozpoznávanou stejným regulačním proteinem, může ovlivnit všechny tyto geny
  • např. glukokortikoidový receptor (= regulační protein) – pokud se na něj naváže glukokortikoidový hormon → tento receptor se může navázat na regulační oblast na DNA v několika genech

• jeden regulační protein může spustit tvorbu celého orgánu
  • např. gen eyeless nezbytný pro vývoj oka v hlavové části u drosofily
  • pokus: gen eyeless vložen do segmentu pro vývoj nohy → vzniklo oko na noze