2) Exprese genů a přenos signálu

1 2014 2) Exprese genů a přenos signálu a) Velikost a organizace rostlinného genomu b) Exprese genů v rostlinách c) Přenos signálu v rostlinách Martin Fellner Laboratoř růstových regulátorů PřF UP v Olomouci a ÚEB AVČR

2 Živá buňka obsahuje instrukce pro vybudování celého organismu = GENY Lineárně poskládané GENY tvoří chromozóm (J. G. Mendel 1865) 1953 - struktura DNA (Nobel Price in Medicine 1962) Prof. Gregor Johann Mendel Vývoj molekulární biologie Prof. James Watson (USA) Prof. Francis Crick (UK) ( 29.7. 2004)

3 Vývoj organismu regulují signály (faktory) Receptor R Vnitřní genetická info metabolismus hormony Vnější světlo teplota vlhkost plyny gravitace Signál Receptor Zesilovač Reakce (např. exprese genů)

4 a) Velikost a organizace rostlinného genomu GEN = sekvence DNA, která kóduje molekuly RNA přímo zapojené ve tvorbě enzymu či strukturálního proteinu buňky (pojem gen poprvé použil v roce 1909 W. L. Johannsen) Geny na chromozómu tvoří vazebné skupiny = dědí se společně GENOM = celkové množství DNA (tj.genetické informace) v buňce (tj. jádře + organelách) Růst, vývoj a reakce organizmu k prostředí je naprogramované zapínání a vypínání genů (tj. naprogramovaná exprese) Změna v sestavách enzymů a strukturálních proteinů Růst, vývoj, reakce organismu

5 Haploidní sestavy: E. coli = 4,7 x 10 6 bp Drosophila = 2 x 10 8 bp Člověk = 3 x 10 9 bp Velikost eukaryontního genomu neurčuje složitost organismu, protože ne všechna DNA kóduje geny: GENOM = DNA kódující proteiny (člověk ~ 5-10%) + DNA NEkódující proteiny * Repetitivní DNA Spacer DNA Velikost rostlinného genomu je velice proměnlivá: Arabidopsis = 1,46 x 10 8 bp Trillium = 10 11 bp Druhy rodu Vicia se liší i 20x velikostí svého genomu Trillium grandiflorum

6 Odlišnost velikosti genomů je dána odlišným množstvím repetitivní a spacer DNA Arabidopsis = nejmenší genom ze všech rostlin, protože jen 10% DNA je repetitivní => Arabidopsis - modelová rostlina 1. přednáška SFZR Genomické sekvenční projekty => znám genom mnoha organismů Bakterie = 500 genů 8 tisíc genů Kvasinky = 6 tisíc genů Drosophila = 12 tisíc genů Arabidopsis = 26 tisíc genů (1 gen = ~ 5 kb) Většina haploidních genomů rostlin obsahuje průměrně 20 30 tisíc genů Dnešní představa - 12 tisíc genů stačí k formování eukaryontního organismu

7 Housekeeping (provozní) geny = konstitutivní (neustálá) exprese genu (geny kódující proteiny, které mají důležitou funkci v mnoha typech buněk) Rostliny: UBQ (pro protein ubiquitin), ACT (pro protein aktin) Člověk: UBQ, EMC7 (ER membrane protein complex subunit 7) Regulované geny = geny se zapínají a vypínají podle potřeb nebo jako reakce na specifické podněty

8 b) Exprese genů v rostlinách Prokaryontní organismy: transkripce a translace jsou časově i prostorově spojeny = syntéza proteinů začíná ještě před koncem syntézy mrna; transkripce i translace probíhají v cytoplasmě Prokaryontní organismy nemají jádro DNA mrna Protein transkripce translace Eukaryontní organismy: transkripce a translace jsou časově i prostorově odděleny = mrna je transportována do cytoplasmy, kde probíhá syntéza proteinů. cytoplasma DNA mrna mrna Protein jádro transkripce translace Potřeba dalších kontrolních regulačních mechanismů

Organizace genomu u eukaryontních organizmů: - jeden gen kóduje jeden polypeptid - jaderný genom neobsahuje operony - místo operonů jsou exony a nekódující oblasti DNA se nazývají introny 9 Počátek transkripce AUG = počátek translace UAA,UAG,UGA = konec translace 5 3 3 RNA polymeráza Promotor Exon Intron Exon Intron Exon Pre-mRNA Update 2007 Cassas-Molleno JA et al. (2007) J Exp Bot 57: 3301-3311 Introny se podílejí na expresi genů regulujících strukturu a funkci heterochromatinu (rostliny, savci, Drosophila, kvasinky) Směr růstu mrna: od 5 k 3 konci m 7 G cap (m 7 G = 7-methylguanylát) 5 mrna Polysom Transkripce + capping + polyadenylace (poly-a-polymeráza) AAAA n 5 AAAA n Vznik mrna: vyštípnutí intronů, spojení exonů Transport mrna z jádra do cytoplasmy AAAA n 3 Update 2007 Ideue T et al. (2007) Genes and Development 21: 1993-1998 Introny významná role v tvorbě proteinových komplexů vážících se k exonu před procesem splicing => regulace splicing Vytvořený polypeptid Translace

10 Různé úrovně regulace exprese eukarytického genu Genom Transkripce Úprava RNA a translokace Chromatin Amplifikace genu Přeskládání DNA Dekondenzace chromatinu Metylace DNA DNA pro expresi RNA polymeráza II Primární RNA transkript Úprava RNA (5 capping, přidání poly-a tail, vyštípnutí intronů, spojení exonů), rozpad mrna v jádře Transport mrna přes jaderný obal Jádro Post-transkripce Translace mrna v cytosolu Translace Možná vazba k ER Rozpad (turnover) Cytoplasma Posttranslace Polypeptid v cytosolu či ER Složení proteinu či seskupení Štěpení proteinu Modifikace proteinu Transport proteinu do organely Funkční protein Rozpad proteinu (turnover) (např. ubiquitinace)

11 Post-transkripční regulační mechanismy 1) Stabilita (turnover rate) mrna závisí na pletivu a fyziologických podmínkách rostliny 2) Translatabilita molekuly mrna = schopnost mrna být přeložena do molekuly proteinu Faktory ovlivňující translatabilitu: Sekundární a terciální struktura RNA přístupnost AUG k ribozómu Predispozice kodónu (codon bias) množství vzácných kodónů Buněčná lokalizace translace volné polyzómy či polyzómy vázané na ER

dsrna Model potlačení exprese genu pomocí mirna a sirna (RNAi RNA interference) 12 sirna RISC = RNA-induced silencing complex RNA-dependent RNA polymeráza DICER ribonukleáza mi/sirna Hairpin loop pri-mirna (70 nukleotidů) mirna (21-23 nukleotidů) RISC* Aktivace pomocí ATP antisense mi/sirna m 7 G JÁDRO Terčová mrna Rozštěpení m 7 G CYTOPLAZMA Degradace Podle Taiz L and Zeiger E (2006) Plant Physiology, 4th ed. mirna - microrna sirna - short interfering RNA

Regulace exprese prostřednictvím microrna (mirna) 13 Transkripce (pomocí RNA polymerázy II) specifického lokusu kódujícího primární RNA (prirna) => pri-mirna Vznik dvouvláknové smyčky Vznik krátkých 21-24 nukleotidových fragmentů pomocí proteinů DCL1 (DICER- LIKE1) a HYL1 (HYPONASTIC LEAVES1) Jeden fragment je spojen s ribonukleázovým komplexem RISC (RNA-Induced Silencing Complex), obsahující katalytický protein ARGONAUTE (AGO). RISC je transportován do cytoplazmy pomocí proteinů EXPORTIN5 a HASTY. MiRNA navázaná na AGO se váže ke komplementární mrna a dochází k inhibici translace. Nebo je mrna rozštěpena a vzniklé fragmenty jsou uvolněny do cytoplazmy, kde jsou dále degradovány. Podle Taiz L and Zeiger E (2010) Plant Physiology, 5th ed.

Regulace exprese prostřednictvím short interfering RNA (sirna) 14 Transkripce sirna (pomocí RNA polymerázy IV) z repetitivního heterochromatinového úseku RdRP2 = RNA-dependentní RNA polymeráza 2 Alternativně vzniká dsrna přepisem z opačných promotorů. Amplifikace pre-sirna pomocí RdRP2 - vzniká dlouhá dsrna, která je enzymem DCL3 rozštípána na 21-24 nukleotidové sirna fragmenty. Dlouhá dsrna je enzymy DCL1 a DCL2 rozštípána na 21-24 nukleotidové sirna fragmenty. Připojení jednovláknových fragmentů sirna k AGO v komplexu RISC SiRNA navázaná na RISC usnadňuje metylaci DNA a připojených histonů v sekvenci komplementární k sirna. SiRNAs řídí tyto modifikační enzymy, které umlčují genomické sekvence. Chromatinová struktura je remodelována v reakci vyžadující ATP a následně je metylována, což vede k těsnější kondenzaci a heterochromatizaci DNA regionů. Podle Taiz L and Zeiger E (2010) Plant Physiology, 5th ed.

15 mirna a sirna regulují expresi genů Důležitá úloha v signalizaci růstu a vývoje rostlin Update 2012 Marín-Gonzáles E et al. (2012) Plant Science 196: 18-30 mirna jsou transportovány na dlouhé vzdálenost Sunkar R (2012) MicroRNAs in Plant Development and Stress Responses. Springer Pi uptake and translocation

16 Regulace genové exprese na úrovni trankripce Trankripce u eukaryontů je mnohem složitější než u prokaryontů. Tři základní rozdíly v traskripci mezi eu- a prokaryonty: 1) Eukaryonti využívají nejméně 3 různé RNA polymerázy: I, II a III I - lokalizovaná v jadérku, role v syntéze ribozomální RNA II - lokalizována v nukleoplazmě, role v syntéze pre-mrna III - lokalizována v nukleoplazmě, role v syntéze trna či 5S RNA 2) Eukaryontní RNA polymerázy vyžadují další proteiny- tzv. obecné transkripční faktory - zajišťují správnou pozici RNA polymerázy ve startovacím místě; transkripční faktory tvoří složité komplexy TF a mirna sdílí obecnou regulační logiku: a) TF i mirna jsou vymezeny pro individuální typy buněk b) TF i mirna kontrolují desítky či stovky terčových genů c) Většina genů je regulována kombinací TFs nebo mirnas

Komplex transkripčních faktorů regulujících transkripci 17 TATA box Místo startu transkripce TFIID (Transkripční faktor pro RNA polymerázu II, protein D) Vazba TFIID k TATA boxu pomocí TATA-binding protein TFIIB TFIIB se přidává ke komplexu TFIIE TFIIH (protein kináza) TFIIF RNA polymeráza II, TFIIF vázaná k RNA polymeráze II se přidává ke komplexu společně s TFIIE a TFIIH Aktivita protein kinázy II (TFIIH) TFIIH fosforyluje RNA polymerázu, další trankripční faktory se uvolňují a trankripce začíná P P P P Transkripce začíná Podle Taiz L and Zeiger E (2002) Plant Physiology, 3rd ed.

18 3) Eukaryontní promotory (= sekvence před iniciačním místem) jsou složité Struktura eukaryontního promotoru: - core (minimální promotor) = minimální sekvence potřebná pro expresi - regulační sekvence = sekvence kontrolující aktivitu minimálního promotoru Každá z polymeráz I, II a III vyhledává odlišný typu promotoru. Typický promotor pro RNA polymerázu II

19 Organizace a regulace typického eukaryotického minimálního promotoru (core promotoru) pro RNA polymerázu II Transkripční faktory (trans-acting faktory) Transkripční iniciační komplex RNA polymeráza II DNA GGGCGG GCCCCAATCT TATAAA Gen X - 100-80 Spacer DNA - 25 GC box CAAT box TATA box RNA transkript Proximální promotorové sekvence (cis-acting regulační sekvence) Vlastní promotor

20 Regulace transkripce distálními regulačními sekvencemi Silně aktivující proteinový komplex (aktivátor) 3 Spící proteinový komplex 4 DNA 2 B Silně inhibující protein (represor) C D RNA polymeráza + obecný transkripční faktor 1 A Slabě aktivující protein (aktivátor) TATA box 1 2 3 4 Distální regulační sekvence A D = Trans-acting faktory

UPDATE 2014 lincrna long intergenic noncoding RNA 21 Ariel F et al. (2014) Molecular Cell 55: 1-14 Auxin Nekódující RNA APOLO Wang Y et al. (2014) PNAS 111: 10359-10364 Nekódující RNA HID1 HID1 Nuclear protein PIF3 PIF3 PIF3 G-box PIF3 TATA box Exprese fotomorfogenních genů Nekódující RNA (DNA) hraje roli v mechanizmech s adaptace rostlin k proměnlivému vnějšímu prostředí.

22 Strukturální motivy transkripčních faktorů Transkripční faktory se skládají ze 3 strukturálních částí DNA-binding (vázající) doména Transkripci-aktivující doména Ligand-binding doména Aby se DNA-binding doména transkripčního faktoru mohla vázat k DNA, musí intenzívně interagovat s double helix DNA tvorbou vodíkových můstků, iontových a hyrofobních vazeb. DNA-binding motivy Wehner N et al. (2011) Frontiers in Plant Science 2(68): 1-7 Review of metodách studia transkripčních faktorů

23 DNA-binding motivy Helix-turn-helix 2 a helixy odděleny smyčkou polypetidového řetězce; funguje jako dimer; často kódovaný homeotickými geny Leucine zipper a helix asi 30 aminokyselin, každá sedmá aminokyselina je leucin; funguje jako dimer Zinc finger Různorodé struktury, kde Zn hraje důležitou roli; k DNA se váže jako monomer či dimer; COP1-hraje roli ve fotomorfogenezi Basic zipper (bzip) (např. vazba k ABA-response elementu) Helix-loop-helix (např. exprese genů regulovaných fytochromy)

24 c) Přenos signálu v rostlinách Signální dráhy koordinují expresi genů s životními podmínkami obklopujícími rostlinu či se změnami v jejich vývoji. Schopnost rostliny reagovat na vše kolem Dvoustupňový systém přenosu signálu a regulace exprese: Vstupní signál P Vstup Přenašeč Přijímač Výstup Receptorový protein Regulátor reakce Výstupní signál Podle Taiz L and Zeiger E (2006) Plant Physiology, 4th ed.

25 Multibuněčné organismy Nutnost koordinace vývojových reakcí a reakcí k vnějším podnětům Potřeba nových signálních mechanismů složitějších než dvoustupňový systém Rostliny se nepohybují Není nervový systém Potřeba nových signálních mechanismů = chemičtí poslové secondary messengers

26 Pochopení základních mechanismů signálních drah u živočichů Obr. Zvíře web Nalezeny paralely u rostlin (např. brassinosteroidy) Pochopeny podobné signální mechanismy u rostlin

Schéma přenosu signálu u rostlin 27 Receptor R Signál Receptor Zesilovač (secondary messenger) Reakce (např. exprese genů) López-Bucio et al. (2006) Current Opinion in Plant Biology 9: 523-529 Nové druhy signálních molekul důležitých pro růst a vývoj rostlin

28 Schéma přenosu signálu u rostlin Signál Receptor Zesilovač (secondary messenger) Vnější (světlo, teplota, gravitace, vlhkost) Vnitřní (hormony, metabolity, genetická informace) Intracelulární (pro lipofilní hormony => snadno difundující membránou) Membránové (povrchové) (pro hormony rozpustné ve vodě => neschopné procházet membránou) Cyklický AMP a GMP, diacylglycerol, inositol-trifosfát, Ca 2+ ionty Reakce Exprese genů, indukce aktivity kanálů a pump, atd.

Zesilovače (přenašeče, secondary messengers) 29 Cyklický AMP (cyklický adenosin monofosfát) O 5 CH 2 NH 2 N N N N O 4 1 - O P O 3 2 OH O Cyklický GMP (cyklický guanosine monofosfát) 1,2-Diacylglycerol (DAG) Inositol-1,4,5-trifosfát (IP 3 ) Ca 2+ ionty oxid dusnatý O N

Obecné schéma inositol-lipidové signální dráhy 30 Vnější prostor (apoplast) Hormon Fosfolipáza C Plazmatická membrána Receptor Protein kináza C Vnitřní prostor (cytozol) Gbg Ga G protein P PIP 2 P P IP 3 P Ca 2+ P P DAG DAG Aktivní (fosforylovaný) protein P Neaktivní protein Buněčné reakce Endoplazmatické retikulum nebo vakuola Ca 2+ kanál citlivý k IP 3 Buněčné reakce Alan M Jones The University of North Carolina at Chapel Hill, USA Ca 2+ PIP 2 - Fosfoinositol-bifosfát IP 3 - Inositol-trifosfát DAG - Diacylglycerol Podle Taiz L and Zeiger E (2006) Plant Physiology, 4th ed.

31 Přenos signálu z buňky do buňky reguluje vývoj a růst Osud buňky je určen jejím umístěním v rostlině (polohou v orgánu). Buňka monitoruje svou polohu díky komunikaci s buňkami sousedními. Mechanismy komunikace: a) Signál indukovaný ligandem b) Hormonální signál c) Signál pomocí přenosu mrna či proteinu

32 a) Signál indukovaný ligandem Model CLV1/CLV2 receptor-kinázové signální dráhy regulující vývoj stonkového apikálního meristému CLV1/CLV2 - receptor protein kináza = integrální membránový protein Clark SE (2001) Nature Reviews Molecular Cell Biology 2:276-284 Ligand Receptorová doména Transmembránová doména Kinázová katalytická doména kinase-associated protein phosphatide rho-gtpase mitogen-activated protein kinase

33 b) Hormonální signál Auxin nejvýznamnější rostlinný hormon PIN1 protein - lokalizovaný v bazálních částech buňky; transportuje auxin z buňky do buňky distribuce auxinu. Auxin je distribuován do míst iniciace laterálních orgánů WT pin1 auxin PIN1 Mutant pin1 auxin není distribuován do míst iniciace laterálních orgánů => netvoří primordia laterálních orgánů

34 Auxin hraje úlohu v axiální polaritě rostlin a ve vývoji vaskulárního systému. Gen GNOM hraje úlohu v signálních dráhách auxinů. GNOM GNOM je nutný pro správnou lokalizaci proteinu PIN1 v bazálních částech buňky, který slouží k transportu auxinu. WT WT gnom PIN1 Mutant gnom nevytváří dělohy a kořen = chybí axiální polarita gnom GNOM kontroluje apikálně-bazální polaritu

35 Exprese KNOX řídí syntézu a metabolismus giberelinů Exprese KNOX => blokace biosyntézy GAs (GA20 oxidáza) v centrální části meristému Exprese KNOX => stimulace konverze neaktivních GAs na aktivní GAs (GA2 oxidáza) v místech iniciace listů Veit B (2009) Plant Mol Biol 69: 397-408 Vysoká hladina cytokininů udržování nediferencovaného meristému Vysoká hladina auxinů a giberelinů iniciace laterárních orgánů

36 c) Signál pomocí přenosu mrna či proteinu Symplastická komunikace mezi buňkami = pomocí plazmodezmat protein mrna plazmodezmata Oparka K (2005) Plasmodesmata. Blackwell Publishing. Exprese genu KN1 L1 KN1 je exprimován pouze v L2 apikálního meristému. L2 KN1 mrna nebyla nikdy detekována v L1 KN1 protein byl detekován v L1 KN1 protein byl transportován do L1

37 Plazmodezmata spojují cytoplazmy dvou buněk otvorem v buněčné stěně Velké molekuly (proteiny, např. KN1; virové proteiny) aktivní transport dezmotubulem z ER do ER; schopnost aktivního rozšíření průsvitu kanálu (dezmotubulu) Menší molekuly (RNA, malé proteiny) pasivní transport plazmodezmatem kolem dezmotubulu (cytoplazmatickým pouzdrem) = Cytoplazmatické pouzdro Alberts B et al. (2008) Molecular Biology of The Cell. Garland Science, str. 1158.

38 UPDATE 2012 Maule AJ et al. (2012) Frontiers in Plant Science 3: 1-5 Syntéza kalózy enzym glykosyl syntáza (kalóza syntáza) Degradace kalózy enzym β-1-3-glukanáza Signály spouštějící expresi genů zapojených v ukládání či degradaci kalózy: - stress (viry) - ROS (reaktivní kyslíkové radikály) ovlivňují lokální redoxní stav nebo stav buňky