27. Přehled mechanismů regulace exprese genetické informace u prokaryotních a eukaryotních buněk

27. Přehled mechanismů regulace exprese genetické informace u prokaryotních a eukaryotních buněk

- základní buň.fce realizovány genovými produkty – proteiny
-pro uskutečnění určité biologické reakce či metabolické dráhy musí být vlastní reakční komponenty nejen vytvořeny, ale aby byla reakce efektivní, musí být přítomny v určité koncentraci, čase a na určitém místě
- u jednobuněčných org je požadavek přesné odpovědi na měnící se podmínky okolí
- u mnohobuněčných org potřeba selektivní genové exprese pro dosažení určitého diferenciačního stavu
- realizace a regulace exprese genet. informace: transkripce → posttranskripční modifikace → translace → posttranslační úpravy
- základní význam v regulaci genové exprese připadá kontrole transkripce

Regulace genové exprese u eukaryot
- exprese kontrolována nejen na úrovni vlastní transkripce, ale i na úrovních dalších
- u eukaryot je mnohem vyšší počet regulačních proteinů než u prokaryot (vážou se přímo či nepřímo s molekulami DNA)
- uložením eukaryotního genomu (přesahuje velikost prokaryotního genomu o 2-3 řády) v jaderném obalu je oddělena transkripce od translace jak časově, tak i prostorově → další možnosti kontroly obou procesů (histonové a nehistonové proteiny)
- odlišnost eukaryotních chromozomů - chemická i strukturální
- složité prostorové uspořádání
- eukaryota nemají operony
- životnost mRNA: prokaryota průměrně 3 minuty x eukaryota až hodiny
- prokaryontní buňky se musí rychle přizpůsobovat stále se měnícím zevním faktorům
(teplota, výživa) x eukaryontní buňky žijí ve stálejších podmínkách
- zpúsob degragace proteinů: prokaryota – mají sice proteolytické enzymy,ale nepotřebných enzymů se zbavují spíše zředěním do dceřinných buněk
eukaryota – často se nedělí vůbec (např. nervové buňky), odstraňují proteiny jen hydrolýzou

genová exprese u eukaryot je regulována na několika úrovních: 
1. na úrovni genomu
2. na úrovni transkripce
3. modifikace RNA a její transport z jádra
4. translační proces
5. posttranslační děje
6. degradace mRNA a nasyntetizovaných proteinů


1) Regulace na úrovni genomu
- před zahájením transkripce genu - příslušná část DNA molekuly rozvinuta, aby byl
umožněn přístup RNA polymeráze a regulačním proteinům
- regulace:
a) metylace DNA - geny, jejichž DNA je metylována nejsou exprimovány (nekódují
úseky) zatím co DNA genů aktivně transkribovaných metylován není
- metyluje se cytozin, který je v sousedství guaninu (C*G)
- reakci provádí enzym metyláza (rozezná pouze nemetylovaný cytozin v sousedstvá guaninu (GC)- tato dvojice se však musí současně párovat s metylovaným C*G na komplementárním řetězci
- metylované cytoziny jsou často na nekódujících částech na 5´konci genu
- metylace je reverzibilní (všechny metylace alel se v dospělosti ztrácejí)
- dalším dokladem podílu metylace je regulace genové exprese (DNA z různě diferencovaných tkání má různý vzorek metylace)
- nemá přímý vztak k transkripční aktivitě a asi bude spíše kooperovat s jinými regulačními mechanismy
b) čleňování transpozonů – typický příklad je kontrola párovacího typu u kvasinek:
- máme kvasinky typu a a α, genová výbava obou je naprosto stejná (mají lokus MAT a na stejném chromozomu další dva lokusy s alelymi HMLα a HMRa). Fenotyp párovacího typu a se objeví tak, že se zkopíruje alela HMRa a jako transpozon se vloží do lokusu MAT, který má nyní podobu MATa. Za určitých podmínek se zase může zkopírovat HMLα a jeho kopie se vloží jako transpozon do lokusu MAT- po excisi MATa – ten má nyní podobu MATα. Transkripcí MATa a MATα se spouští odlišné defirenciační programy, které vedou k sexuálnímu chování kvasinek.

2) Regulace transkripce
- transkripční faktory: zastoupení transkripčních faktorů se různí podle typu RNA
polymerázy
promotor pro RNA polymerázu II se skládá z:
1) krátké iniciační sekvence inr
2) sekvence TATAbox
3) další bloky - proximální kontrolní elementy (jsou umístěny v blízkosti startu
transpozonu)
- na TATAbox se váže proteinový transkripční faktor TFIID(pro polymerázu II), ke kterému se ak přikládá TFIIB a teprve pak se připojuje RNA polymeráza
- iniciační komplex ještě doplněn faktory TFIIH a TFIIE ....takto sestavený iniciační komplex je nastaven na „basální“ rychlost transkripce
- ovlivnění rychlosti transkripce (většina genů kódujících proteiny má promotorové sekvence delší nebo kratší, na které se vážou faktory, které snižují či zvyšují rychlost transkripce:
1) proximální kontrolní elementy (v blízkosti startu)
2) distální kontrolní elementy (dál od příslušného genu) → na tyto elementy se váží další
faktory → ovlivnění rychlosti
entrancery - zesilovače transkripce
silencery - tlumiče transkripce

3) Modifikace RNA
- další mechanismus kontroly na posttranskripční úrovni: alternativní sestřih RNA
př.: kontrola tvorby protilátek typu IgM - zda budou secernovány z buňky (sestřih)
nebo zůstanou zakotveny v plazmatické membráně - ovlivňuje to počet exonů
mRNA ze čtyř exonů (3,4,5,6) → membránová forma
mRNA ze dvou exonů( 3, 4) → secernovaná forma

Proteiny regulace transkripce - dvě funkční místa (domény)
1) doména pro regulaci transkripce
2) doména pro vazbu s DNA - mají charakteristickou terciární strukturu → velká
specifita – nejčastější strukturní motivy:
helix - otáčka - helix
zinkový prst
leucinový zip
helix - klička - helix

4) Translace
- kontrola především iniciace
- ovlivnění - hladinou iniciačních faktorů
dostupností komponent translace
rychlostí odbourávání mRNA

5) Posttranslační kontrola
- procesy, které modelují proteolýzu, glykozylaci, fosforylaci + další chemické modifikace proteinové molekuly + začleňování hotového proteinu do finálního kompartmentu (např. do plazm.membr.)
Součásti posttranlační kontroly:
- obrat (turnover) bílkovin
- dlouhá životnost proteinů - stavební proteiny, bílkoviny řasinek a bičíků, bílkoviny buň.stěn
x
- krátká životnost proteinů - signální proteiny, transkripční faktory, proteiny regulující dělení
- nesprávné proteiny - rychlé odbourání
- degenerace pomocí proteasomů (komplexy proteáz) + pomoc ATP → degradace
proteinů na peptidy → hydroláza peptidů na aminokyseliny
- proteasom rozezná špatnou bílkovinu díky ubikvitinu (byl na špatnou bílkovinu dán
určitým komplexem v místě lyzinu)
- ubikvitin = molekulární značka

Koordinace regulace
- aktivace většího počtu genů (u prokaryot jsou geny uspořádány do operonů) u eukaryot
jsou roztroušeny po genomu → jiná regulace
př.: bílkoviny tepelného šoku Hsp minimalizují poškození buňky při tepelné denaturaci,
geny pro tyto proteiny obsahují specifickou regulační sekvenci „heat shock
element“, při zvýšení teploty se aktivuje regulační protein - aktivace transkripce →
geny rozmístěné na různých místech mohou být aktivovány stejným signálem

- homeogeny = geny, které kontrolují embryonální vývoj určité části těla, každý z nich
obsahuje homeotor - sekvenci)
kódují rodinu regulačních proteinů → vývoj určité části těla
regulační proteiny (produkty homeogenů) se váží na DNA
homeodoménou (terciární struktura)

Regulace genové exprese u prokaryot

Exprese genu je u prokaryotních buněk regulována:

1.    regulací transkripce;

2.    stabilitou mRNA;

3.    regulací translace;

4.    posttranslační modifikací polypeptidů.

Regulace transkripce

Transkripce je u prokaryí regulována zásadně odlišně oproti eukaryotické regulaci. Základní rozdíl je v tom, že u prokaryí může být jedna regulační oblast společná pro více genů, jejichž transkripce je poté ovlivňována společně. U eukaryot připadá vždy jedna promotorová oblast na jeden gen a naopak. Takto svázané geny označujeme jako operon. Místo, kam nasedá RNA-polymeráza označujeme standardně promotor, místo, kam nasedají regulační proteiny, označujeme jako operátor.

Celý operon je následně exprimován jako jedna molekula mRNA.

Operony rozlišujeme dvojího druhu: katabolický a anabolický. Příkladem katabolického operonu je Lac operon – v přítomnosti laktózy, která má na transkripci indukční efekt, se transkribuje najednou více genů zodpovědných za katabolismus laktózy. Oproti tomu typickým anabolickým operonem je Trp operon – v přítomnosti tryptofanu se inhibuje transkripce genů, které jsou zodpovědné za anabolismus této aminokyseliny.

Transkripční faktory

Regulaci obecně dělíme na pozitivní a negativní. Na regulaci se podílí řada bílkovinných transkripčních faktorů, které musí rozeznat určitý úsek na molekule DNA – a to v místech hlubokého žlábku DNA. Jejich DNA vázající domény obsahují různé konzervované motivy (evolučně málo proměnné sekvence proteinů, které jsou schopné se vázat na DNA), přičemž transkripční faktory pro operonový systém většinou obsahují β-hřebeny (β-sheet).

Ostatní konzervované motivy jsou tyto:

I. HTH (helix – turn – helix) a HLH (helix – loop – helix) = 2 α-helixy spojené krátkým řetězcem AMK→ vytvářejí „otáčku“;

II. Homeodomény HTH – uplatňující se v ontogenezi;

III. Steroidní receptory;

IV. Zinc – fingers (zinkové prsty) = 1 α-helix a 1 β-hřeben – drženy v konstantní poloze atomem Zn;

V. Leucinové zipy= spojují 2 α-helixy vazbami mezi molekulami leucinu;

VI. β-hřebeny (β-sheet) – operonový systém.

Translace

Pro popis regulace translace je třeba si uvědomit zásadní rozdíly v transkripci a translaci u prokaryot oproti eukaryím. Prokaryotické geny mohou být exprimovány společně v jednom operonu jako jedna molekula mRNA, zároveň však není oddělena transkripce od translace z důvodu nepřítomnosti jaderné membrány. Ribosomální podjednotky mohou tedy nasedat přímo na tvořící se mRNA, která tedy nepodléhá posttranskripčním úpravám.

Posttranslační úpravy

= odstranění prvního methioninu z N-konce polypeptidu, odstranění signálního peptidu z N-konce

Kaskádová regulace

·      geny exprimovány v určitém pořadí

·      nejprve geny časné transkripce

·      později geny pozdní transkripce

·      geneticky naprogramovaná kaskáda

·      promotory genů časné transkripce mají signální sekvence na které se váže sigma-faktor RNA-polymerasy hostitelské buňky

·      iniciuje jejich transkripci

Další regulace

1.     Mezi geny časné transkripce je gen pro virovou RNA-polymerázu, která se specificky váže na promotory virových genů pozdní transkripce

2.     Mezi geny časné transkripce je gen pro protein, který nahradí hostitelské RNA-polymeráze σ-faktor a zajistí specifitu vazby bakterie na promotory genů pozdní transkripce