Główna zawartość
Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 16
Lekcja 2: Regulacja ekspresji genów u eukariotówRegulacja potranskrypcyjna
Splicing alternatywny, miRNA oraz siRNA, czynniki inicjacji translacji, & modyfikacje białek. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK
Kluczowe punkty:
- Nawet po transkrypcji genu, jego ekspresja może być wciąż regulowana na różnych etapach.
- Niektóre transkrypty mogą podlegać alternatywnemu składaniu (splicingowi), tworząc różne mRNA i białka, bazując na tym samym transkrypcie RNA.
- Niektóre mRNA są regulowane przez mikroRNA, małe regulacyjne RNA, które mogą powodować cięcie mRNA lub blokowanie translacji.
- Aktywność białka może być regulowana po translacji, na przykład poprzez usunięcie aminokwasów lub dodanie grup chemicznych.
Wprowadzenie
Geny, które "włączają" komórkę eukariotyczną, w dużej mierze determinują jej rodzaj i właściwości. Na przykład, komórka fotoreceptora w twoim oku może wykrywać światło, ponieważ geny białek wrażliwych na światło ulegają w niej ekspresji, a także geny neuroprzekaźników, które umożliwiają przekazywanie sygnałów do mózgu.
W komórkach eukariotycznych, takich jak fotoreceptory, ekspresja genów jest często regulowana przede wszystkim na poziomie transkrypcji. Nie oznacza to jednak, że podczas transkrypcji mamy ostatnią szansę na regulację. Późniejsze etapy ekspresji genów mogą być również regulowane, np.:
- Przetwarzanie RNA, takie jak składanie, dodawanie czapeczki i ogona poli-A
- translacja RNA informacyjnego (mRNA) i jego czas życia w cytosolu
- Modyfikacje białka, takie jak dodanie grup chemicznych
W poniższych podrozdziałach omówimy niektóre powszechne rodzaje regulacji genów, które mają miejsce po utworzeniu transkryptu RNA.
Regulacja przetwarzania RNA
Kiedy gen eukariotyczny ulega transkrypcji w jądrze, pierwotny transkrypt (świeżo utworzona cząsteczka RNA) nie jest jeszcze uważany za RNA informacyjny. Jest to dopiero „niedojrzała” cząsteczka zwana pre-mRNA.
Pre-mRNA musi przejść pewne modyfikacje by stać się dojrzałą cząsteczką mRNA, która może opuścić jądro i ulegać translacji. Te modyfikacje obejmują składanie (splicing) RNA oraz dodawanie czapeczki i ogona poli-A. Wszystkie z etapów mogą być potencjalnie regulowane - przyspieszane, spowalniane lub zmieniane w celu uzyskania innego produktu.
Alternatywny splicing
Większość cząsteczek pre-mRNA posiada fragmenty zwane intronami, które są usuwane z cząsteczki oraz fragmenty zwane eksonami, które są łączone razem, aby utworzyć ostateczny mRNA. Ten proces nazywa się splicingiem.
W procesie alternatywnego splicingu różne fragmenty mRNA są traktowane jako eksony. Pozwala to na wytworzenie jednej lub dwóch (lub więcej) cząsteczek mRNA z jednego pre-mRNA.
Alternatywny splicing nie jest procesem losowym. Jest zwykle kontrolowany przez białka regulatorowe. Białka wiążą się do specyficznych miejsc na pre-mRNA i „informują” cząsteczki splicingu, które egzony należy użyć. Różne typy komórek mogą posiadać różne białka regulatorowe, więc w każdym typie komórek mogą występować różne kombinacje eksonów, co prowadzi do produkcji różnych białek.
Małe regulatorowe RNA
Gdy mRNA opuści jądro, może ono, ale nie musi, podlegać translacji wiele razy, tworząc białka. Dwoma kluczowymi wyznacznikami tego, jaka ilość białka powstanie na podstawie mRNA są: jego „długość życia” (jak długo obecny jest w cytozolu) oraz to, jak łatwo może się do niego przyłączyć aparat translacji, taki jak rybosom.
Niedawno odkryta klasa regulatorów, zwana małymi regulatorowymi RNA, może kontrolować żywotność i translację mRNA. Zobaczmy, jak to działa.
microRNA
mikroRNA (miRNA) były jednymi z pierwszych odkrytych małych regulatorowych RNA.
miRNA podlega najpierw transkrypcji jako długa cząsteczka RNA, która następnie tworzy pary zasad ze sobą i składa się, tworząc strukturę spinki do włosów.
Następnie struktura spinki do włosów jest cięta przez enzymy, uwalniając mały dwuniciowy fragment o wielkości około
miRNA kieruje kompleks białkowy do „pasujących” cząsteczek mRNA (takich, które tworzą pary zasad z miRNA). Kiedy kompleks RNA-białko zwiąże się
- Jeśli miRNA i jego cząsteczka docelowa idealnie do siebie pasują, enzym w kompleksie RNA-białko zazwyczaj przecina mRNA na pół, co prowadzi do jego rozpadu.
- Jeśli miRNA i jego cząsteczka docelowa mają pewne niedopasowania, kompleks RNA-białko wiąże się z mRNA i uniemożliwia jego translację.
Nie są to jedyne sposoby, jakimi miRNA hamuje ekspresję swoich cząsteczek docelowych, a naukowcy wciąż badają wiele innych sposobów ich działania
Co faktycznie robią miRNA w organizmach? Ich bezpośrednią rolą jest zmniejszenie ekspresji docelowych genów, ale mogą one odgrywać tę rolę, aby uzyskać także inne rezultaty.
Na przykład u myszy określony miRNA odgrywa kluczową rolę w rozwoju i funkcjonowaniu układu naczyniowego (krążenia). Myszy pozbawione tego miRNA miały wady rozwoju serca i nie były w stanie przeżyć. Zmiany poziomów ekspresji miRNA są również związane z chorobami ludzkimi, w tym różnymi rodzajami raka i przerostem serca
Regulacja translacji
Zobaczyliśmy już, w jaki sposób miRNA może hamować translację, ale istnieje jeszcze wiele innych sposobów, za pomocą których translacja mRNA może być regulowana w komórce. Jednym z kluczowych etapów regulacji jest inicjacja translacji.
Aby rozpocząć translację, rybosom, kompleks RNA i białka, na którym przebiega translacja, musi przyłączyć się do mRNA. Proces ten angażuje wiele białek „pomocniczych”, które zapewniają prawidłowe ustawienie rybosomu.
Translacja może być regulowana globalnie (dla każdego mRNA w komórce) poprzez zmiany w dostępności lub aktywności białek „pomocniczych”.
Na przykład, aby rozpocząć translację, białko zwane eukariotycznym czynnikiem inicjującym 2 (eIF-2) musi związać się z częścią rybosomu zwaną małą podjednostką. Wiązanie eIF-2 jest kontrolowane przez fosforylację lub dodanie grupy fosforanowej do białka.
Gdy eIF-2 jest fosforylowany, zostaje "wyłączony" - zmienia się jego kształt i nie może już odgrywać swojej roli w inicjacji, więc translacja nie może się rozpocząć. Natomiast jeśli eIF-2 nie jest fosforylowany, jest „włączony” i może pełnić swoją rolę w inicjacji, umożliwiając zajście translacji.
W ten sposób fosforylacja eIF-2 działa jak przełącznik, włączając lub wyłączając translację. Inaktywacja translacji może być dobrą strategią w okresach, gdy komórka nie może „pozwolić sobie” na wytwarzanie nowych białek (np. gdy komórka cierpi na niedobór składników odżywczych)
Białka mogą być regulowane po etapie translacji
Istnieją również mechanizmy regulatorowe, oddziałujące na białka, które zostały już wyprodukowane. W takich przypadkach „edycja” białka - np. usunięcie aminokwasów lub dodanie modyfikacji chemicznej - może prowadzić do zmiany jego aktywności. Te etapy przetwarzania i modyfikacji mogą być obiektem regulacji.
Na przykład niektóre białka muszą zostać proteolitycznie rozłożone (pocięte), aby stały się aktywne. Insulina stosowana przez diabetyków jest jednym z takich przykładów. Inne białka mogą mieć dodawane grupy chemiczne, w tym grupę metylową, fosforanową, acetylową i ubikwitynową. Często grupy te mogą być dynamicznie dodawane i usuwane, aby kontrolować aktywność białka.
Dodanie lub usunięcie grup chemicznych może regulować aktywność białka lub czas, przez jaki białko pozostaje w komórce, zanim zostanie poddane „recyklingowi”. Czasami modyfikacje chemiczne mogą również określić, gdzie białko będzie znajdować się w komórce - na przykład w jądrze lub cytoplazmie, lub czy będzie przyłączone do błony plazmatycznej.
Fosforylacja
Jedną z najczęstszych modyfikacji potranslacyjnych jest fosforylacja, podczas której grupa fosforanowa jest przyłączana do białka. Efekt fosforylacji różni się w zależności od białka: niektóre są aktywowane przez fosforylację, podczas gdy inne są dezaktywowane, a jeszcze inne po prostu zmieniają swoje zachowanie (interakcja z innym związkiem lub przejście do innej części komórki).
Poznaliśmy jeden przykład fosforylacji powyżej, gdy badaliśmy, w jaki sposób eIF-2 jest inaktywowany przez dodanie grupy fosforanowej (blokowanie translacji). Jednak wiele różnych białek może być selektywnie fosforylowanych, co daje różne efekty w zależności od roli białka w komórce.
Ubikwitynacja
Białka mogą być specjalnie oznaczone do rozkładu przez dodanie markera chemicznego o nazwie ubikwityna. Białka znakowane ubikwityną są przenoszone do proteasomu lub „centrum recyklingu” komórki i rozkładane na części składowe. Ubikwitynacja jest ważnym sposobem kontrolowania trwałości białka w komórce.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji