If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Przegląd: Regulacja ekspresji genów eukariotycznych

Różne geny ulegają ekspresji w różnych rodzajach komórek. Ogólny obraz regulacji ekspresji genów. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, przy wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Kluczowe punkty:

  • Regulacja ekspresji genów jest procesem decydującym o tym, który z fragmentów DNA komórki ma ulegać ekspresji (być wykorzystywanym do tworzenia funkcjonalnego produktu, np. białka).
  • Różne komórki w organizmie wielokomórkowym mogą wyrażać różne zestawy genów, mimo że zawierają takie samo DNA.
  • Zestaw genów wyrażany w komórce określa zestaw białek i funkcjonalnych RNA, które ona zawiera, dzięki czemu ma ona unikalne właściwości.
  • U eukariotów, w tym u ludzi, ekspresja genów obejmuje wiele etapów i regulacja ekspresji genów może zachodzić na każdym z nich. Jednak wiele genów jest przede wszystkim regulowanych na poziomie transkrypcji.

Wprowadzenie

Twoje niesamowite ciało zawiera setki różnych rodzajów komórek od komórek odpornościowych przez komórki skóry do neuronów. Prawie wszystkie Twoje komórki zawierają ten sam zestaw instrukcji w DNA - dlaczego więc tak różnią się od siebie i wykonują różne zadania? Odpowiedź to: różna regulacja ekspresji genów!

Regulacja ekspresji genów sprawia, że komórki różnią się od siebie

Regulacja ekspresji genów zachodzi, gdy komórka kontroluje, które geny z wielu genów występujących w jej genomie mają zostać "włączone" (ulegać ekspresji). Dzięki regulacji ekspresji genów, każdy rodzaj komórki w Twoim ciele ma inny zestaw aktywnych genów - pomimo faktu, że prawie wszystkie komórki Twojego ciała zawierają dokładnie to samo DNA. Te różne wzory ekspresji genów powodują powstanie różnych rodzajów komórek mających różne zestawy białek, co sprawia, że każdy rodzaj komórki jest wyjątkowo wyspecjalizowany do pełnienia swojej funkcji.
Na przykład, jednym z zadań wątroby jest usuwanie toksycznych substancji z krwiobiegu, np. alkoholu. Aby to robić, komórki wątroby wyrażają geny kodujące podjednostki (części) enzymu nazywanego dehydrogenazą alkoholową. Ten enzym rozkłada alkohol na nietoksyczne cząsteczki. Neurony w mózgu człowieka nie usuwają toksyn z organizmu, więc wyżej wspomniane geny nie są w nich wyrażane, czyli są "wyłączone". Podobnie komórki wątroby nie wysyłają sygnałów z wykorzystaniem neurotransmiterów, więc utrzymują geny związane z syntezą neurotransmiterów jako "wyłączone".
Lewy panel: komórka wątroby. Komórka wątroby zawiera białko dehydrogenazę alkoholową. Jeśli spojrzymy do jądra komórkowego, zobaczymy, że gen dehydrogenazy alkoholowej jest wyrażany z wytworzeniem RNA, podczas gdy gen neurotransmitera już nie. RNA podlega obróbce i ulega translacji i dlatego dehydrogenaza alkoholowa znajdują się w komórce.
Prawy panel: neuron. Neuron zawiera białko - neurotransmiter. Jeśli spojrzymy do jądra komórkowego, zobaczymy, że gen dehydrogenazy alkoholowej nie jest wyrażany z wytworzeniem RNA, podczas gdy gen neurotransmitera już tak. RNA podlega obróbce i ulega translacji i dlatego neurotransmitery znajdują się w komórce.
Istnieje wiele innych genów, które są wyrażane w odmienny sposób u komórek wątroby i neuronów (lub dowolnych dwóch rodzajach komórek w organizmie wielokomórkowym takim jak ty).

Jak komórki "decydują", które geny włączyć?

To trudne pytanie! Wiele czynników może wpływać na to, które geny zostaną poddane ekspresji w komórce. Różne typy komórek wyrażają różne zestawy genów, jak widzieliśmy powyżej. Jednak dwie różne komórki tego samego typu mogą również mieć różne wzorce ekspresji genów w zależności od ich środowiska i stanu wewnętrznego.
Ogólnie rzecz biorąc, można powiedzieć, że wzór ekspresji genów jest determinowany przez informacje z środowiska jak i wnętrza komórki.
  • Przykłady informacji z wnętrza komórki: białka, które odziedziczyła z jej komórki macierzystej, czy jej DNA jest uszkodzone i ile posiada ATP.
  • Przykłady informacji spoza komórki: chemiczne sygnały z innych komórek, mechaniczne sygnały z macierzy pozakomórkowej i poziomy składników odżywczych.
Jak te wskazówki pomagają komórce "decydować" które geny ma wyrazić? Komórki nie podejmują decyzji w takim sensie jak Ty czy ja. Mają natomiast ścieżki sygnałowe, które przekształcają informacje, takie jak wiązanie sygnałów chemicznych do ich receptora, na zmianę w ekspresji genów.
Jako przykład, rozważmy to, jak komórka odpowiada na czynniki wzrostu. Czynnik wzrostu jest chemicznym sygnałem z sąsiadującej komórki, który zleca wzrost i podział komórce docelowej. Powiemy, że komórka "zauważa" czynnik wzrostu i "decyduje się" na podział, ale jak te procesy wyglądają w rzeczywistości?
Czynniki wzrostu wiążą się ze swoimi receptorami na powierzchni komórek i aktywują w niej ścieżki sygnałowe. One natomiast aktywują czynniki transkrypcyjne w jądrze komórkowym, które wiążą się z DNA blisko genów promujących wzrost i podział, i powodują, że zostaną one przepisane na RNA. RNA jest obrabiane i eksportowane z jądra komórkowego, następnie ulega translacji z utworzeniem białek, które przeprowadzają wzrost i podział komórki.
  • Komórka wykrywa czynniki wzrostu poprzez ich fizyczne wiązanie z receptorami białkowymi na powierzchni komórki.
  • Wiązanie czynników wzrostu powoduje zmianę kształtu receptora, co uruchamia serię chemicznych zdarzeń, które aktywują białka nazywane czynnikami transkrypcyjnymi.
  • Czynniki transkrypcyjne wiążą się z konkretnymi sekwencjami DNA w jądrze komórkowym i powodują transkrypcję genów związanych z podziałem komórki.
  • Produktami ekspresji tych genów są różne rodzaje białek, które sprawiają, że komórki ulegają podziałom (stymulują wzrost komórek i/lub regulują ich cykl komórkowy).
Jest to tylko jeden przykład na to, jak komórka może przekształcać otrzymany bodziec w zmianę w ekspresji genów. Jest jeszcze wiele innych przykładów, a zrozumienie logiki regulacji ekspresji genów jest obszarem obecnie prowadzonych badań w biologii.
Sygnalizacja czynnikami wzrostu jest złożona i polega na aktywacji różnych cząsteczek białka, w tym czynników transkrypcyjnych i białek nietranskrypcyjnych. W artykule o wewnątrzkomórkowej transdukcji sygnału możesz dowiedzieć się więcej na temat tego, jak działa sygnalizacja z wykorzystaniem czynników wzrostu.

Eukariotyczna ekspresja genów może być regulowana na wielu etapach

W dalszej części artykułu będziemy wnikliwie przyglądać się różnym rodzajom eukariotycznej regulacji ekspresji genów. Oznacza to, że ekspresja genów u eukariotów (tak jak i u nas!) może być kontrolowana na różnych etapach, od dostępności DNA, poprzez produkcję mRNA, po translację i obróbkę białek.
Eukariotyczna ekspresja genów obejmuje wiele etapów i prawie wszystkie z nich mogą podlegać regulacji. Różne geny są regulowane w różnych momentach i powszechne jest, że geny (w szczególności ważne lub silne) są regulowane na wielu etapach.
  • Dostępność chromatyny. Struktura chromatyny (DNA i białek go organizujących) może być regulowana. Bardziej otwarta, czyli "zrelaksowana" chromatyna sprawia, że gen jest bardziej dostępny dla zachodzenia transkrypcji.
  • Transkrypcja. Transkrypcja jest kluczowym punktem regulacji wielu genów. Zestawy białkowych czynników transkrypcyjnych wiążą się ze ściśle określoną sekwencją DNA w lub obok genu i promują lub hamują jego transkrypcję na RNA.
  • Obróbka RNA. Splicing, dodawanie czapeczki i ogona poli-A do cząsteczki RNA może podlegać regulacji a więc może wyjść poza jądro komórkowe. Różne mRNA mogą powstawać z tego samego pre-mRNA podczas alternatywnego splicingu.
Etapy ekspresji genu eukariotycznego (który potencjalnie może być regulowany).
  1. Struktura chromatyny. Chromatyna może być ciasno upakowana lub luźna i otwarta.
  2. Transkrypcja. Dostępny gen (z odpowiednio dostępną/otwartą chromatyną) jest przepisywany i tworzy pierwotny transkrypt.
  3. Obróbka i eksport. Pierwotny transkrypt jest obrabiany (splicing, dodawanie czapeczki i ogona poli-A) i wysyłany poza jądro komórkowe.
  4. Stabilność mRNA. W cytozolu, mRNA może być stabilne przez dłuższy okres czasu lub może być szybko degradowane (rozkładane).
  5. Translacja. mRNA może ulegać translacji bardziej lub mniej łatwo/często przez rybosomy, aby utworzyć polipeptyd.
  6. Obróbka białka. Polipeptyd może przechodzić wiele różnych rodzajów obróbki, w tym proteolizę (wycinanie aminokwasów) i dodawanie chemicznych modyfikacji, np. grup fosforanowych.
Wszystkie te etapy (jeśli dotyczą danego genu) muszą zostać wykonane, aby utworzyć aktywne białko obecne w komórce.
Obraz na podstawie podobnego schematu z Reece et al. 1 i Purves et al. 2
  • Stabilność RNA. Czas życia cząsteczki mRNA w cytozolu wpływa na to ile białka z niego powstanie. Małe regulatorowe RNA nazywane miRNA mogą wiązać się z docelowymi mRNA i powodować ich cięcie.
  • Translacja. Translacja mRNA może zostać zwiększona lub być hamowana przez regulatory. Na przykład, miRNA czasami blokują translację ich docelowych mRNA (zamiast powodować ich cięcie).
  • Aktywność białek. Białka mogą ulegać wielu modyfikacjom, takim jak cięcie lub dodawanie grup chemicznych. Te modyfikacje mogą być regulowanie i mogą wpływać na aktywność lub zachowanie białka.
Chociaż wszystkie etapy ekspresji genów mogą być regulowane, głównym punktem kontroli wielu genów jest transkrypcja. Późne etapy regulacji często ulepszają wzór ekspresji genów, które są "chropowate" podczas transkrypcji.
Aby dowiedzieć się więcej, zobacz artykuł o czynnikach transkrypcyjnych i regulacji potranskrypcyjnej.

Regulacja ekspresji genów i różnice pomiędzy gatunkami

Różnice w regulacji ekspresji genów sprawiają, że istnieją różne rodzaje komórek o unikalnej strukturze i funkcji w organizmie wielokomórkowym (takim jak Ty). Jeśli przyjrzymy się bliżej etapowi, regulacja ekspresji genów może także pomóc nam wyjaśnić niektóre z różnic w kształcie i funkcji między różnymi gatunkami ze stosunkowo podobną sekwencją genetyczną.
Na przykład ludzie i szympansy mają genom, który jest w około 98.8% identyczny na poziomie DNA. Sekwencje kodujące białka niektórych genów są różne u ludzi i szympansów, co przyczynia się do różnic pomiędzy gatunkami. Jednak badacze także myślą, że zmiany w regulacji ekspresji genów odgrywają główną rolę w tym jak ludzie i szympansy różnią się od siebie. Na przykład, niektóre regiony DNA, które są obecne w genomie szympansów, ale brakuje ich w genomie ludzkim, zawierają znane sekwencje regulatorowe genów, które kontrolują kiedy, gdzie czy jak silnie gen będzie wyrażany3.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.