Ф КГМУ 4/3-04/02
ИП №6 от 14 июня 2007 г.
Карагандинский Государственный Медицинский Университет Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики
Лекция
Тема 9: «Регуляция экспрессии генов у прокариот и эукариот»
Дисциплина: Молекулярная биология и медицинская генетика
Специальность: 5В130200 «Стоматология»
Курс: 1
Время: 50 мин.
Караганда 2013
Утверждена на заседании кафедры.
Протокол № _1_ от «_02_» __09____2013
Заведующий кафедрой ____________________ Б.Ж. Култанов
Структура лекции
Тема 9: «Регуляция экспрессии генов у прокариот и эукариот»
Цель: изучение генома прокариотических и эукариотических клеток и особенности экспрессии генетической информации у прокариот и эукариот, этапы транскрипции.
План лекции:
1.Порядок реализации генетической информации в процессе онтогенеза.
2.Значение репликации в передаче генетической информации.
3.Этапы экспрессии информации о структуре определенного белка.
4.Характеристика траскрипции.
5.Характеристика трансляции.
6.Модель оперона Жакоба и Моно.
7.Негативная регуляция, ее последовательность.
8.Позитивная регуляция, ее особенности.
9.Схема строения типичного гена эукариот.
10.Характеристика структурной зоны.
11.Характеристика регуляторной области.
12.Уровни регуляции экспрессии генов.
13.Синтез и процессинг РНК.
14.Кэпирование и его значение.
15.Сплайсинг РНК, его виды.
Тезисы лекции
Регуляция экспрессии генов - это специфическое взаимодействие определенных веществ (главным образом, белков) с различными участками ДНК, расположенных в области точек (сайтов) начала транскрипции. Такое взаимодействие может оказывать как позитивный, так и негативный эффект на уровень транскрипции. В целом, регуляция генной экспрессии - это один из путей адаптации организма к изменяющимся условиям окружающей среды.
Регуляция экспрессии генов у прокариот. В 1961 г. Жакоб и Моно преложили ставшую теперь классической модель оперона. Они исследовали метаболизм лактозы у кишечной палочки. Он осуществляется тремя ферментами, которые кодируются 3 структурными генами. Структурные гены расположены последовательно один за другим и связаны между собой физически. Такое расположение генов позволяет регулировать экспрессию всех трех структурных генов с помощью одного регуляторного центра. Иными словами, информация со всех трех структурных генов переписывается в виде одной молекулы РНК, которая называется полицистронной мРНК. Образование полицистронных мРНК характерно для прокариотов.
Строение регуляторного центра. В состав регуляторного центра входит ген, который постоянно функционирует. Такая экспрессия не подвержена специфической регуляции и называется конститутивной. Продукт этого гена - белок- репрессор. Белок -репрессор состоит из 4-х субъединиц с молекулярной массой 38 тыс Да. Между этим конститутивным геном и структурными генами находятся: оперативный локус или оператор и промотор. Оператор - это участок ДНК, длиной в 27 пар оснований. Промотор - это участок ДНК, к которому присоединяется РНК-полимераза. Промотор, оператор и структурные гены называются опероном.
У прокариот наблюдается 2 типа регуляции генов: позитивная и негативная. Последовательность негативной регуляции: конститутивный ген постоянно вырабатывает белок-репрессор. Этот репрессор в отсутствие лактозы садится на оператор и препятствует связыванию РНК - полимеразы с промотором. В этом случае не происходит синтез полицистронной мРНК.
Если в клетку попадает индуктор (лактоза), то он связываются с репрессором, меняет его конформацию, что приводит к освобождению оператора. Свободный оператор - это сигнал, разрешающий связывание РНК-полимеразы с промотором и начало транскрипции полицистронной мРНК. Обязательными условиями присоединения РНК - полимеразы является наличие циклического АМФ и белка-активатора катаболитных генов. Только при их совместном действии РНК- полимераза связывается с промотором. После этого начинается синтез мРНК. Особенностью у прокариот является то, что не дожидаясь окончания синтеза мРНК, начинается синтез белка рибосомами. Т.е. лактоза сама индуцирует собственное расщепление. При снижении концентрации лактозы репрессор высвобождается, связывается с оператором и синтез мРНК блокируется. Такой тип оперона называется индуцибельным.
Другим вариантом оперона является регуляция конечным продуктом реакции (эффектором). В этом случае ген-регулятор определяет синтез неактивного белка-репрессора. Конечный продукт реакции связывается с неактивным репрессором и приводит его в активное состояние. Репрессор связывается с оператором и блокирует тем самым транскрипцию структурных генов. Это продолжается до тех пор, пока концентрация эффектора не падает. После этого эффектор отсоединяется от репрессора, а репрессор инактивируется и работа оперона возобновляется. Такой тип оперона называется репрессивным. Например, так происходит регуляция метаболизма триптофана.
У прокариот соблюдается принцип коллинерности, т.е. размер мРНК соответствует размеру гена. Регуляция экспрессии гена у прокариот происходит только на уровне транскрипции.
Схема строения типичного гена эукариот.
У эукариот принято выделять две зоны: структурную и регуляторную. Они разделены сайтом начала транскипции. Структурная зона представлена структурным геном. Ген состоит из кодирующих последовательностей - экзонов и некодирующих последовательностей - интронов. Длина интронов колеблется от 80 до 1000 и более нуклеотидов. Для интронов не характерна строгая последовательность нуклеотидов. Интроны ограничены консенсусными областями, строго консервативными. Это связано с точным механизмом удаления интронов, так как ошибка в 1 нуклеотид сделает бессмысленной закодированную информацию. Количество интронов колеблется от 2 до 50.
Регуляторная область состоит из 2-х элементов: 1 элемент обеспечивает базовый уровень регуляцию экспрессии (или промотор), 2-й элемент - дополнительный уровень регуляции экспрессии. Промотор располагается перед точкой (сайтом) начала транскрипции. Базовый уровень регуляции экспрессии состоит из 2-х элементов: ТАТА-бокс и ЦААТ-бокс. ТАТА-бокс направляет РНК-полимеразу к сайту инициации транскрипции и, следовательно, определяет точность начала синтеза мРНК. ЦААТ-бокс контролирует частоту транскрипции. Чтобы РНК-полимераза узнала промотор, необходимо предварительное присоединение ТАТА-фактора - большого белкового комплекса. ТАТА-бокс и ТАТА-фактор образуют транскрипционный комплекс многоразового использования. Общее свойство элементов базовой регуляции: они функционируют только при связывании с ними определенных белковых факторов, которые называются белки-регуляторы. Белки-регуляторы связываются в определенном месте, которое называется область, лежащая перед промотором. Обычно он представляет собой последовательность ДНК, содержащую 100 нуклеотидных пар.
Предпромоторная область содержит сайты связывания с белками -регуляторами. Существуют белки-регуляторы, специфичные для клеток данной ткани. Но также существуют белки-регуляторы, характерные для многих клеток. Но при этом регуляторные белки взаимодействуют друг с другом и от суммарного знака взаимодействия зависит включен ген или выключен. а также степень его экспрессии. Эффект совместного действия белков - регуляторов и от их сочетания контролирует активность многих генов. Но не все регуляторные белки равны: существуют главные белки-регуляторы, которые контролируют работу многих генов.
Белки-регуляторы кодируются генами, лежащими на той же хромосоме или на других хромосомах. В первом случае регуляция относится к цис-типу, во втором - к транс-типу.
Дополнительный уровень регуляции входят последовательности ДНК двух классов, которые в 200 раз могут усиливать или ослаблять базовый уровень регуляции экспрессии. Первый класс последовательностей называются энхансеры, второй - сайленсеры. Особенностью работы энхансеров и сайленсеров является то, что они оказывают свое влияние, находясь на определенном расстоянии от элементов базового уровня. Это расстояние может быть не менее 100 нуклеотидов и до нескольких тысяч нуклеотидов. Считается, что действие энхансеров и сайленсеров не опосредовано какими-то специфическими веществами или эффекторами. Они влияют непосредственно на элементы базовой регуляции.
Кроме того, существует еще один класс регуляторных последовательностей, которые обеспечивают адаптивную регуляцию экспрессии некоторых генов. К ним относятся регуляторные элементы, которые начинают участвовать в регуляции в ответ на действие: а) гормонов, б) теплового шока, в) действие металлов, например, кадмия и цинка, г) некоторых химических токсинов и т.д.
Синтез и процессинг РНК. Синтез РНК- это сложный многоэтапный процесс, идущий с потреблением энергии. На первом этапе происходит деконденсация хроматина, затем наступает стадии инициации, элонгации и терминации.
Инициация запускается тремя факторами инциации белковой природы. В ходе стадии инициации РНК-полимераза, присоединяясь к промотору, начинает раскручивать цепи ДНК кпереди от себя. Синтез мРНК всегда идет на одной из двух цепей ДНК. мРНК всегда одноцепочечная. Построение РНК на ДНК происходит по принципу комплементарности, с той лишь разницей, что вместо тимина используется урацил. Заканчивается синтез РНК в терминирующей последовательности. Эта последовательность называется кодоном терминации трансляции.
Область транскрибируемой ДНК, лежащей между промотором и терминатором, называется единицей транскрипции или транскриптоном. Образующаяся РНК называется первичным транскриптатом. У прокариот первичный транскриптат обычно содержит РНК-копии нескольких генов, у эукариот - только одного.
Существует несколько типов РНК-полимераз, в процессе синтеза РНК участвует РНК-полимераза II. Первоначально синтезируется 5 - конец РНК-транскриптата, который сразу кэпируется. Функция кэпирования - это защита РНК-транскриптата от разрушения, а также с помощью кэпа РНК связывается с рибосомой.
Кэпирование - это присоединение определенной последовательности нуклеотидов. С нее начинается на рибосоме трансляция, затем кэп удаляется. Стадия элонгации или удлинения РНК-транскриптата. Во время этой стадии происходит дальнейшее расплетание ДНК и разрушение нуклеосом. Скорость синтеза - 30 нуклеотидов в секунду. Элонгация контролируется специальными факторами элонгации белковой природы. Стадия терминации: завершение синтеза РНК-транскриптата происходит в стоп-кодоне вследствие присоединения факторов терминации белковой природы. При этом к 3-концу транскриптата присоединяются от 100 до 200 остатков адениловой кислоты, которые образуют polyA - хвост. Считается, что poly-А-хвост предотвращает деградацию РНК-транскриптата и облегчает его транспорт в цитоплазму. Первичные РНК-транскриптаты могут либо хранится в нуклеоплазме, либо подвергаться сплайсингу.
