Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 19

Lekcja 2: Regulacja ekspresji genów u eukariotów

Czynniki transkrypcyjne

Ogólne i specyficzne czynniki transkrypcyjne. Kompleks inicjujący transkrypcję & struktura pętli. Regulacja kombinatoryczna. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, przy wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Kluczowe punkty:

Czynniki transkrypcyjne są białkami, które pomagają "włączyć" lub "wyłączyć" poszczególne geny poprzez wiązanie się w pobliskim DNA.
Czynniki transkrypcyjne są aktywatorami sprzyjającymi transkrypcji genów. Represory hamują transkrypcję.
Grupy miejsc wiązania się czynników transkrypcyjnych nazywane enhancerami/wzmacniaczami transkrypcji lub silencerami/wyciszaczami transkrypcji mogą włączać/wyłączać geny w określonych częściach ciała.
Czynniki transkrypcyjne pozwalają komórkom wykonywać operacje logiczne i łączyć różne źródła informacji, aby "zdecydować", czy gen ma ulec ekspresji.

Wprowadzenie

Czy masz jakiekolwiek czynniki transkrypcyjne w swoim ciele? Mam nadzieję, że odpowiedź brzmi tak, ponieważ w przeciwnym razie będzie Ci trudno utrzymywać działanie Twoich komórek!

Czynniki transkrypcyjne są białkami, które regulują transkrypcję genów - tzn. ich kopiowanie na RNA na drodze do produkcji białka.

Ludzkie ciało zawiera wiele czynników transkrypcyjnych. Tak jak ciało ptaka, drzewo czy grzyb! Czynniki transkrypcyjne pomagają zapewnić, że odpowiednie geny są wyrażane we właściwych komórkach ciała w odpowiednim czasie.

Transkrypcja: kluczowy punkt kontroli

Transkrypcja jest procesem, w którym sekwencja DNA genu jest kopiowana (przepisywana) na cząsteczkę RNA. Transkrypcja jest kluczowym etapem w wykorzystywaniu informacji z genu do utworzenia białka. Jeśli nie jesteś jeszcze zaznajomiony z tymi ideami, możesz także rozważyć obejrzenie filmu o centralnym dogmacie biologii molekularnej.

Ekspresja genów zachodzi, gdy gen w DNA jest "włączany", czyli wykorzystywany do utworzenia białka, które opisuje. Nie wszystkie geny w Twoim ciele są włączone w tym samym czasie lub w tych samych komórkach lub częściach ciała.

Dla wielu genów transkrypcja jest kluczowym punktem kontroli włączania/wyłączania:

Jeśli gen nie jest przepisywany w komórce, nie może zostać użyty do utworzenia białka w tej komórce.
Jeśli gen jest przepisywany, prawdopodobnie zostanie wykorzystany do biosyntezy białka (ulegnie ekspresji). Ogólnie rzecz biorąc, im częściej gen będzie przepisywany tym więcej powstanie białka.

Różne czynniki kontrolują intensywność przepisywania genu. Na przykład to, jak ciasno fragment DNA zawierający gen jest owinięty wokół białek pomocniczych tworząc chromatynę ,może wpływać na dostępność genu podczas procesu transkrypcji.

Białka nazywane czynnikami transkrypcyjnymi odgrywają jednak szczególnie ważną rolę w regulacji transkrypcji. Te ważne białka pomagają określić, które geny są aktywne w każdej komórce Twojego ciała.

Czynniki transkrypcyjne

Co musi się zdarzyć, aby gen uległ transkrypcji? Enzym polimeraza RNA, która tworzy nową cząsteczkę RNA na matrycy DNA, musi związać się z fragmentem DNA zawierającym gen. Dowiązuje się on w miejscu nazywanym promotorem.

U bakterii polimeraza RNA wiąże się bezpośrednio z promotorem na DNA. Możesz na filmie zobaczyć jak działa ten proces i jak może być regulowany przez czynniki transkrypcyjne w operonie lac i operonie trp.

U ludzi i innych eukariotów, jest dodatkowy etap. Polimeraza RNA może wiązać się z promotorem tylko z pomocą białek zwanych podstawowymi (ogólnymi) czynnikami transkrypcyjnymi. Są one częścią podstawowej maszynerii transkrypcyjnej komórki i są niezbędne do transkrypcji każdego genu.

Jednak wiele czynników transkrypcyjnych (w tym te najfajniejsze!) nie są tymi podstawowymi. Istnieje natomiast duża grupa czynników transkrypcyjnych, które kontrolują ekspresję konkretnych, pojedynczych genów. Na przykład, czynnik transkrypcyjny może aktywować tylko zestaw genów niezbędnych w konkretnych neuronach.

Jak działają czynniki transkrypcyjne?

Typowy czynnik transkrypcyjny wiąże się z konkretną docelową sekwencją DNA. Kiedy się zwiąże, czynnik transkrypcyjny utrudnia lub ułatwia polimerazie RNA wiązać się z promotorem genu.

Aktywatory

Niektóre czynniki transkrypcyjne aktywują transkrypcję. Na przykład mogą pomagać ogólnym czynnikom transkrypcyjnym i polimerazie RNA wiązać się z promotorem, jak pokazano na poniższym schemacie.

Represory

Inne czynniki transkrypcyjne hamują transkrypcję. Hamowanie może działać na różne sposoby. Jeden z nich to: represor wchodzi w miejsce podstawowych czynników transkrypcyjnych lub polimerazy RNA powodując, że nie mogą się one związać z promotorem lub rozpocząć transkrypcji.

Miejsca wiązania

Miejsca wiązania czynników transkrypcyjnych często znajdują się blisko promotora genu. Jednak mogą się także znajdować w innych częściach DNA, czasami bardzo daleko od promotora i nadal wpływają na transkrypcję genu.

Elastyczność DNA jest tym, co pozwala czynnikom transkrypcyjnym działać pomimo oddalonych miejsc ich wiązania. Pętle DNA, wyglądające jak ugotowane spaghetti, przyciągają znajdujące się daleko od siebie miejsca wiązania i czynniki transkrypcyjne do podstawowych czynników transkrypcyjnych lub białek "mediatorów".

Na powyższym rysunku aktywujący czynnik transkrypcyjny związany w odległym miejscu pomaga polimerazie RNA związać się z promotorem i rozpocząć transkrypcję.

Czynniki transkrypcyjne są białkami, więc są kodowane przez geny i powstają za pośrednictwem ekspresji genów (transkrypcja i translacja). W ten sposób nie różnią się one od jakiegokolwiek białka w komórce.

Jeśli zastanawiacie się jak różne rodzaje komórek "wiedzą", jakie czynniki transkrypcyjne zsyntetyzować, to jest to bardziej skomplikowane pytanie. (Ale zarazem dobre!)

W rzeczywistości okazuje się być początkiem ścieżki, która prowadzi nas blisko, blisko sedna, a może do samego sedna biologii rozwoju! Zestaw czynników transkrypcyjnych wytwarzanych w jakiejkolwiek komórce jest skutkiem długiego ciągu molekularnych zdarzeń, które pomogą nam prześledzić całą drogę do początków organizmu jako pojedynczej komórki.

^{1}

Biologia rozwoju dąży do prześledzenia tego długiego łańcucha przyczynowości, rozpoznania sygnałów, wskazówek i interakcji, które prowadzą do ekspresji specyficznego zestawu czynników transkrypcyjnych (i innych kluczowych regulatorów) w poszczególnych komórkach.

Jak to się różni względem E. coli?

Do tej pory ludzkie i inne eukariotyczne czynniki transkrypcyjne wydawały się nie różnić od czynników transkrypcyjnych obecnych u bakterii. Wiązały się z DNA i ułatwiały lub utrudniały pracę polimerazie RNA - tak jak represor lac E. coli.

Ogólnie rzecz biorąc, jest to całkiem istotna kwestia. Białka kontrolujące transkrypcję zwykle działają w podobny sposób, niezależnie od tego, czy znajdują się w twoich komórkach, czy w bakteriach żyjących w twoim nosie. Główne różnice są mechaniczne - jak daleko znajdują się miejsca regulacji, czy potrzebne są podstawowe czynniki transkrypcyjne itp.

Istnieją jednak również pewne znaczące różnice w tym, jak czynniki transkrypcyjne są wykorzystywane u ludzi. Ludzie i inne organizmy eukariotyczne są złożone: składają się z tryliona komórek uorganizowanych w unikalne tkanki i struktury organizmu. Każda komórka w Twoim ciele musi przeprowadzać swój własny "program" ekspresji genów.

Włączanie genów w konkretnych miejscach organizmu

Niektóre geny muszą być wyrażone w więcej niż jednej części ciała lub rodzaju komórek. Na przykład, załóżmy, że gen musi być aktywny w kręgosłupie, czaszcze i w opuszkach palców a być wyłączony w pozostałych częściach ciała. Jak czynniki transkrypcyjne mogą utworzyć ten wzór?

Gen z tego typu wzorem może posiadać kilka enhancerów/wzmacniaczy (oddalone klastry miejsc wiązania dla aktywatorów) lub silencerów/wyciszaczy (to samo, ale dla represorów). Każdy enhancer czy silencer może aktywować lub hamować gen w konkretnym rodzaju komórki lub części ciała, wiążąc czynniki transkrypcyjne, które są wytwarzane w danej części ciała.

^{1, 2}

Przykład: Mysz modułowa

Jako przykład rozważmy gen znajdujący się u myszy, nazywany Tbx4. Ten gen jest ważny w rozwoju wielu różnych części ciała myszy, w tym naczyń krwionośnych i tylnych nóg

^{3}

Podczas rozwoju kilka dobrze zdefiniowanych enhancerów przeprowadza ekspresję Tbx4 w różnych częściach mysiego zarodka. Poniższy schemat przedstawia niektóre z enhancerów Tbx4, każdy oznaczony częścią ciała, gdzie wywołuje ekspresję.

Ewolucja rozwoju

Enhancery takie jak ten dla genu Tbx4 są nazywane specyficznymi tkankowo: kontrolują ekspresję genów w określonej części ciała. Mutacje tkankowo specyficznych enhancerów i silencerów mogą odgrywać kluczową rolę w ewolucji formowania się ciała.

^{4}

Jak to działa? Załóżmy, że mutacja, czyli zmiana w obrębie DNA, zdarzyła się w sekwencji kodującej gen Tbx4. Mutacja dezaktywowałaby gen w całym organizmie i mysz bez normalnej, funkcjonalnej kopii najprawdopodobniej by nie przeżyła. Z kolei mutacja w enhancerze mogłaby tylko trochę zmienić wzór ekspresji, prowadząc do nowej cechy (np. krótszej nogi), ale już bez zabijania myszy.

Czynniki transkrypcyjne i komórkowa "logika"

Czy komórki mogą zachowywać się logicznie? Nie w taki sam sposób jak Twój zadziwiający mózg. Jednakże komórki mogą wykrywać informacje i łączyć je, aby odpowiednio zareagować - w taki sam sposób jak Twój kalkulator wykrywa naciskanie przycisków i podaje wynik.

Możemy zobaczyć przykład "molekularnej logiki", gdy przyjrzymy się jak czynniki transkrypcyjne regulują geny. Wiele genów jest kontrolowanych przez kilka różnych czynników transkrypcyjnych, gdzie potrzebna jest ich szczególna kombinacja, aby aktywować gen. Dotyczy to szczególnie eukariotów i jest czasami nazywane regulacją kombinatoryczną.

^{5, 6}

Na przykład gen może być wyrażany tylko, gdy aktywatory A i B są obecne i jeśli nie ma represora C.

Dokładnie tak! Jeśli lubisz programowanie komputerowe, możesz zauważyć, że wygląda to jak instrukcja warunkowa (bramka logiczna, która określa czy i kiedy fragment kodu zostanie wykonany). W kodzie może to wyglądać tak:

jeśli (aktywator A == prawda i aktywator B == fałsz)

{
    jeśli (represor C == fałsz)
    {
       przeprowadź ekspresję docelowego genu;
    }
}

Fajne, prawda? W rzeczywistości wiele systemów regulacyjnych w biologii przypomina układy logiczne zbudowane z biomolekuł.

Korzystanie z wielu czynników transkrypcyjnych, aby regulować gen, oznacza, że różne źródła informacji muszą zostać zintegrowane w jeden wynik. Na przykład wyobraź sobie, że:

Aktywator A jest obecny tylko w komórkach skóry
Aktywator B jest aktywny tylko w komórkach otrzymujących sygnał "dziel się natychmiast!" (czynniki wzrostu) od okolicznych komórek
Represor C powstaje w komórkach, gdzie obecne jest uszkodzone DNA

W tym przypadku gen będzie "włączony" tylko w komórkach skóry, które otrzymują sygnały do podziału i mają nieuszkodzony, zdrowy DNA. Ten wzór regulacji ma sens dla genów zaangażowanych w podział komórek skóry. W rzeczywistości utrata białek podobnych do represora C może prowadzić do nowotworu.

Prawdziwa regulacja kombinatoryczna może być nieco bardziej skomplikowana niż ta. Na przykład może być zaangażowanych wiele różnych czynników transkrypcyjnych lub może mieć znaczenie ile cząsteczek danego czynnika transkrypcyjnego wiąże się z DNA.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Gilbert, S. F. (2000). Anatomy of the gene: Promoters and enhancers. W Developmental biology (6th ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10023/#_A751_.
Gilbert, S. F. (2000). Silencers. W Developmental biology (6th ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10023/#_A777_.
Menke, D. B., Guenther, C. i Kingsley, D. M. (2008). Dual hindlimb control elements in the Tbx4 gene and region-specific control of bone size in vertebrate limbs. Development, 135, 2543-2553. http://dx.doi.org/10.1242/dev.017384.
Wray, Gregory A. (2007). The evolutionary significance of cis-regulatory mutations. Nature Reviews Genetics, 8, 206-216. http://dx.doi.org/10.1038/nrg2063.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. i Jackson, R. B. (2011). Combinatorial control of gene activation. W Campbell Biology (10th ed., pp. 37). San Francisco, CA: Pearson.
Reményi, Attila, Hans R. Schöler i Matthias Wilmanns. (2004). Combinatorial control of gene expression. Nature Structural & Molecular Biology, 11(9), 812. http://dx.doi.org/10.1038/nsmb820. Źródło: http://www.nature.com/scitable/content/Combinatorial-control-of-gene-expression-16976.

Dodatkowe źródła

Body plans. (n.d.). W National center for science education. Dostęp 8 czerwca 2016. Źródło: http://ncse.com/book/export/html/2585.

Rozdział 7 podsumowanie . (2013). W The cell: A molecular approach [towarzysząca strona internetowa]. Źródło: http://sites.sinauer.com/cooper7e/.

Cooper, G. M. (2000). Regulation of transcription in eukaryotes. W The cell: A molecular approach. Sunderland, MA: Sinauer Associates. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9904/.

Ernsberg, E. (2004). Regulation of neuronal gene expression by the neuron-restrictive silencer. W R. W. Davies and and B. Morris (Eds.), Molecular biology of the neuron (2nd ed., pp. 34-38).

Anatomy of the gene: Promoters and enhancers. W Developmental biology (6th ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10023/#_A751_.

Gilbert, S. F. (2000). Differential gene transcription. W Developmental biology (6th ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10023/.

Gilbert, S. F. (2000). Silencers. W Developmental biology (6th ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10023/#_A777_.

Griffiths, A. J. F., Gelbart, W. M., Miller, J. H. i Lewontin, R. C. (1999). Transcription: Gene regulation in eukaryotes — an overview. W Modern genetic analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Żródło: www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21346/.

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C. i Gelbart, W. M. (2000). Transcription: An overview of gene regulation in eukaryotes. W An introduction to genetic analysis (7th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21780/.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D. i Darnell, J. (2000). Molecular mechanisms of eukaryotic transcriptional control. W Molecular cell biology (4th ed., section 10.7). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21677/.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., Darnell, J. (2000). RNA polymerase II transcription-initiation complex. W Molecular cell biology (4th ed., section 10.6). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21610/.

Nelson, D. L. i Cox, M. M. (2008). Choreography of transcriptional activation. W Lehninger principles of biochemistry (5th ed., p. 1140). New York, NY: W. H. Freeman and Company.

OpenStax College, Biology. (23 marca 2016). Eukaryotic transcription gene regulation. W _OpenStax CNX. Źródło: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.8:7Ry3oRse@5/Eukaryotic-Transcription-Gene-.

Peirano, R. I. i Wegner, M. (2000). The glial transcription factor Sox10 binds to DNA both as monomer and dimer with different functional consequences. Nucleic Acids Res., 28(16), 3047-3055. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC108444/.

Phillips, T. (2008). Regulation of transcription and gene expression in eukaryotes. Nature Education, 1(1), 199. Źródło: http://www.nature.com/scitable/topicpage/regulation-of-transcription-and-gene-expression-in-1086.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H. i Heller, H.C. (2003). Transcriptional regulation of gene expression. W Life: The science of biology (7th ed., pp. 290-296). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

QIAGEN. (2012). Wynik wyszukiwania: Transcription factors regulating gene SCN2A. W EpiTect ChIP qPCR primers. Źródło: http://www.sabiosciences.com/chipqpcrsearch.php?species_id=0&nfactor=n&ninfo=n&ngene=n&B2=Search&src=genecard&factor=Over+200+TF&gene=SCN2A.

Raftopoulou, M. (2005). (1987) Nucleosomes regulate gene expression: The importance of wrapping. Nature milestones. http://dx.doi.org/10.1038/nrm1805.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. i Jackson, R. B. (2011). Regulation of transcription initiation. W Campbell biology (10th ed., pp. 367-372). San Francisco, CA: Pearson.

Reményi, Attila, Hans R. Schöler, and Matthias Wilmanns. (2004). Combinatorial control of gene expression. Nature Structural & Molecular Biology, 11(9), 812-815. http://dx.doi.org/10.1038/nsmb820. Źródło: http://www.nature.com/scitable/content/Combinatorial-control-of-gene-expression-16976.

Schoenherr, C. J. i Anderson, D. J. (1995). The neuron-restrictive silencer factor (NRSF): A coordinate repressor of multiple neuron-specific genes. Science, 267(5202), 1360-1363. http://dx.doi.org/10.1126/science.7871435.

Transcriptional regulation. (2 maja 2016). Dostęp 17 maja 2016 do Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Transcriptional_regulation.

Wray, Gregory A. (2007). The evolutionary significance of cis-regulatory mutations. Nature Reviews Genetics, 8, 206-216. http://dx.doi.org/10.1038/nrg2063.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.