Svět RNA a bílkovin. RNA svět, 1. polovina. RNA svět. Doporučená literatura. Struktura RNA. Transkripce. Regulace transkripce.

Transkript

1 RNA svět, 1. polovina Struktura RNA Regulace transkripce Zrání pre-mrna Svět RNA a bílkovin Sestřih pre-mrna Transport a lokalizace RNA Stabilita RNA Doporučená literatura RNA svět Alberts B., et al.: Molecular Biology of the Cell. Garland Science Publishing Inc., 2002, ISBN Buchanan B.B., et al.: Biochemistry and Molecular Biology of Plants. Courier Companies, Inc., 2000, ISBN Lewin B.: Genes VII, Oxford University Press, 2000, ISBN Latchman D.S.: Eukaryotic Transcription Factors, 4th edition, Elsevier Academic Press, 2004, ISBN Gesteland R.F., Cech T.R., Atkins J.F.: The RNA World, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1999, ISBN

2 RNA svět Purinové a pyrimidinové báze Nukleotidy, základní stavební kameny nukleových kyselin Nukleové kyseliny Neobvyklé párování bazí Šroubovice -1řetězec Dvoušroubovice 2 komplementární řetězce spojené vodíkovými můstky mezi spárovanými bazemi Polymery nukleotidů spojených 5-3 fosfodiesterovou vazbou Vícečetné párování bazí 2

3 Rozdíly mezi RNA a DNA: Ribosa (2 -OH skupina) Uracil místo thyminu (absence methylu v poloze 5) Chemická struktura RNA Důsledky: Většinou jednořetězcová šroubovice s kratšími dvouřetězcovými úseky Variabilita prostorové organizace druhého a dalších řádů Komplexní trojrozměrná struktura RNA může mít i strukturní a katalytickou funkci Hierarchická organizace struktury RNA Primární struktura sekvence nukleotidů Sekundární struktura Watson-Crickovské párování bazí, úseky dvoušroubovice Terciální struktura organizace vyššího řádu jednotlivých sekundárních strukturních motivů vedoucí ke konečné trojrozměrné struktuře molekuly Kvartérní struktura interakce mezi molekulami RNA vedoucí ke vzniku supramoleulárních komplexů Sekundární strukturní motivy Sekundární strukturní motivy Terciální strukturní motivy Terciální strukturní motivy 3

4 Funkční domény 23S rrna RNA svět 4

5 RNA svět Ribozymy molekuly RNA oplývající katalytickou aktivitou obecně analogy bílkovinných enzymů aktivní v několika základních reakcích metabolismu RNA a syntézy bílkovin pozůstatek z RNA světa? Objev Thomas Cech intron I. typu v 26S rrna u Tetrahymena, samosestřih Sydney Altman RNasa P u Escherichia coli, zrání trna 1989 Nobelova cena za chemii Reakce katalyzované ribozymy Katalyzované reakce substrátem většinou RNA nejčastěji místně specifická hydrolýza fosfodiesterových vazeb endonukleasa cis-reakce ribozym i substrát původně součástí jediné molekuly trans-reakce ribozym i substrát původně různé molekuly obrácený směr syntéza fosfodiesterových vazeb RNA ligasa, RNA polymerasa, nukleotidyltrasnsferasa transesterifikace sestřih, editace (hypoteticky) Substrátem není RNA! hydrolýza aminoacylesterových vazeb syntéza peptidové vazby 28S rrna 5

6 Dělení ribozymů 3 archetypy 1. Hammerhead ribozym Aktivita v cis Odvozené typy: Vlásenkové ribozymy Hepatitis δ ribozym replikace genomové RNA rostlinných viroidů (vlásenkové ribozymy) a viru hepatitidy δ u savců mechanismem valivé kružnice VS ribozym (Neurospora crassa) vznik monomerů ssrna, templátů pro reverzní transkripci RNA 2. Introny I. typu Aktivita v cis Odvozené typy: Introny II. typu samosestřih U6 snrna spliceosomální sestřih 3. M1 RNA (RNA složka RNasy P) Aktivita v trans Odvozené typy: RNA složka RNasy P jiných organismů Hammerhead ribozym Tři dvoušroubovice stýkající se v konzervovaném jádře 13 nukleotidů Nejjednodušší popsaná forma katalytické RNA Popsán v ssrna genomech rostlinných patogenů, viroidů a virusoidů replikace mechanismem valivé kružnice Štěpení konkatemerů Katalyzují i opačný směr reakce - ligaci Přirozená aktivita v cis, v umělých molekulách i v trans Introny I. typu Samosestřih, mechanismus transesterifikace, nukleofilem GMP RNasa P E. coli RNA + jedna bílkovina, katalytická aktivita čisté RNA prokázána H. sapiens RNA + tři bílkoviny, katalytická aktivita RNA neprokázána Zrání trna odštěpení 5 -leaderu za vzniku zralé trna Specifické vlastnosti Skutečný enzym opakovaná aktivita v trans Rozpoznání substrátu není na základě párování bazí, ale podle struktury a tvaru Nukleofilem je hydroxylový ion OH - 6

7 RNA svět Centrální dogma molekulární biologie Úrovně regulace genové exprese eukaryot RNA svět 7

8 Narušení procesu transkripce činí další kroky genové exprese a regulační úrovně redundantními Katalyzována multiproteinovým komplexem RNA polymerasy Dvě základní regulační úrovně: Aktivita RNA polymerasy a s ní kooperujících bílkovin První krok exprese genetické informace Přepis genetické informace z DNA do sekvence nukleotidů v RNA Základní a klíčová regulační úroveň kontroly exprese genů RNA svět Transkripční regulace genové exprese přítomnost regulačních sekvencí v DNA a s nimi interagujících bílkovin přístupnost sekvenčních motivů pro regulační bílkoviny struktura DNA umožňující rychlý a lokalizovaný přístup transkripčního aparátu Chromatin - nukleosomy Nukleosom Základní strukturní jednotka chromatinu 1,65 závitu DNA kolem bílkovinného jádra 8 histonů (dvakrát H2A, H2B, H3 a H4) Nukleosomy přemostěny H1 Chromatin: komplex DNA a asociovaných bílkovin histony a nehistonové bílkoviny hmotnostní poměr histonů a DNA přibližně 1:1 8

9 Histony Malé basické bílkoviny aa Extrémně konzervované Základní struktura: Histone fold (HLHLH) formování nukleosomu, rigidní strukturní oblast N-terminal tail kovalentní modifikace, regulační oblast Dynamika skládaní histonového jádra nukleosomu Další uspořádání chromatinu 30 nm vlákno Účast H1 a N-konců ostatních histonů Variabilita struktury 30 nm vlákna různý stupeň kondenzace chromatinu Regulace struktury 30 nm vlákna Histon H1 Největší histon Nejméně konzervovaný Několik genů, nejsou esenciální N-konce histonů Interakce s dalšími nukleosomy Modifikace - regulace Komplexy remodelující chromatin 9

10 Komplexy remodelující chromatin Nehistonové bílkoviny Cyklický mechanismus remodelace a zpětného zformování nukleosomů Hydrolýza ATP - změna struktury nukleosomů Důsledky: Přístupnost DNA pro další bílkoviny Změna pozice nukleosomů podél řetězce DNA Několik typů komplexů Více než 10 podjednotek Specializace Regulace fosforylací Teorie histonového kódu Kovalentní modifikace N- a C-konců histonů Teorie histonového kódu Acetylace (Lysin) Methylace (Lysin) Fosforylace (Serin) Ubiquitinace (Lysin) H3K9 Více možných modifikací na jednom místě Řada enzymových komplexů HATs, HDACs Precizně regulované komplexy množství podjednotek 10

11 Komplex remodelující chromatin Původně popsán u kvasinek Multiproteinový komplex Využívá energii z ATP Tři způsoby modifikace struktury chromatinu: Komplex SWI/SNF Vztah struktury chromatinu a modifikací histonů při regulaci transkripce Swi6 součást komplexu SWI/SNF Remodelace chromatinu Přeskupení histonů uvnitř nukleosomů změna jejich schopnosti vzájemně interagovat H3mK9 methylace => transkripční silencing; heterochromatin Sklouznutí nukleosomu (nucleosome sliding) Posunutí celého nukleosomu po řetězci DNA Přemístění nukleosomu (nucleosome displacement) Celý nukleosom opustí regulované vlákno DNA a naváže se jinam Euchromatin Heterochromatin H3mK4 methylace => transkripční aktivace; euchromatin Epigenetická kontrola formování heterochromatinu Globální struktura chromatinu Postupná aktivita histon deacetylas a methylas histonový kód pro heterochromatin Vazba Swi6 na H3mK9 Multimerizace Swi6 platforma pro vazbu dalších bílkovin Snad forma buněčné paměti a dědičnosti heterochromatinových struktur při dělení Další kondenzace solenoidů smyčky napojené na jadernou matrix MAR specifické sekvence DNA 11

12 Struktura chromosomu v interfázi Smyčky: kb Dekondenzovaná oblast; struktura 30 nm vlákna Centromera Přítomnost specializovaných nukleosomů a specifických bílkovin Kinetochorové bílkoviny Specifický histon H3 Jaderná matrix Fosforylace H3 12