Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ Mária Čudejková 2. Transkripce genu a její regulace
Transkripce genetické informace z DNA na RNA
Transkripce dvou genů zachycená na snímku z elektronového mikroskopu.
Formy RNA mrna, rrna a trna Všechny tři formy se účastní syntézy proteinů Všechny produkovány RNA polymerasami na základě sekvence DNA - transkripce Ne všechny geny kódují proteiny. Další kódují např. rrna a trna. Transkripce je přísně regulovaná. Pouze asi 0.01% genů v typické eukaryotní buňce prochází transkripcí současně.
Buněčná diferenciace = rozdíly v expresi proteinů
Geny mohou být exprimovány různě silně
Transkripce u prokaryot RNA polymerasa (E. coli) Escherichia coli: RNA polymerasa (465 kda) - podjednotky 2 α, 1 β, 1 β', 1 = jádro enzymu - sigma faktor - spolu s jádrem enzymu tvoří holoenzym - rozpoznává sekvenci promoteru po iniciaci transkcipce oddisociuje od jádra enzymu
RNA polymerasa (E. coli) - jádro enzymu je zodpovědné za samotnou polymeraci - β' se váže na DNA - β váže NTPs a interaguje s - rozpoznává sekvenci promoteru na DNA - α je důležitá pro stabilitu struktury a interakci s regulačními proteiny
Promoter u prokaryot
Transkripční cyklus RNA polymerasy
Transkripční reakce RNA polymerasy
E. coli RNA polymerasa
Terminace transkripce u prokaryot Rho - independent Rho dependent -Vyžaduje aktivitu tzv. Rho faktoru -Rho helikáza schopná oddělovat helixy RNA-DNA -Rho je zodpovědný za terminaci transkriptů bez terminační vlásenky -Rho rozpoznává speciální sekvence před terminačním místem (80-100 nukleotidů, vysoký obsah C, nízky G)
Transkripce u eukaryot RNA Pol I transkripce rrna genů RNA Pol II transkripce mrna RNA Pol III transkripce převážně trna genů Velké multimerní proteiny (500-700 kda) Obsahují 2 velké podjednotky podobné a ' u E. coli RNA Pol podobné katalytické místo Interagují s promoterem prostřednictvím transkripčních faktorů Transcripční faktory rozpoznávají a iniciují transkripci na specifických promoterech Některé transkripční faktory (TFIIIA a TFIIIC) se vážou do sekvencí uvnitř kódující oblasti genu
Porovnání struktur prokaryotní a eukaryotní RNA polymerasy RNA Pol II Mg Zn
Iniciační komplex Promotor obsahuje TATA box, který se nachází cca 25 nukleotidových párů před místem transkripce Sekvenci TATA boxu rozpoznává transkripční faktor TFIID, jeho vazba na TATA box umožní nasednutí TFIIB faktoru RNA polymeráza II a ostatní TF nasedají na promotor THIIH fosforyluje RNA polymerázu II a tak dochází je jejímu uvolnění z iniciačního komplexu začíná samotná transkripce
TATA box
Tvorba iniciačního komplexu musí být aktivována tzv. aktivátory (enhancers)
Cesta od genu k proteinu u eukaryot a prokaryot
Struktury prokaryotní a eukaryotní mrna Primární transkript u eukaryotů je v jádře upravován: - přidání čepičky (RNA capping) - polyadenylace - sestřih RNA (RNA splicing)
Introny a exony Struktura dvou lidských genů:
Introny a exony Introny jsou odstraňované enzymy složenými z proteinů a RNA, tzv. malé jaderné ribonukleoproteinové částice (snrnp) Jednou z úloh RNA v snrnp je na základě párování báz rozpoznat začátek a konec intronu
Sestřih genů Sestřih genů zabezpečuje komplex snrnps a dalších proteínů = sestřihový komplex (spliceosome)
Reakce spliceosomu
http://www.evolutionnews.org/2013/09/the_spliceosome _1076371.html
Alternativní sestřih genů
Regulace genové exprese Transkripce je regulována regulačními proteiny, které se vážou na regulační sekvence DNA
Velký zářez = regulační místo
Regulace transkripce Pro mnoho regulačních proteinů je charakteristický stabilní konformační motiv (DNA vazební motiv): - helix-loop-helix - helix-turn-helix - homeodoména - zinkový prst - leucinový zip
homeodoména motiv zinkového prstu motiv leucinového zipu
Regulace transkripce housekeeping geny provozní geny (např. polymerázy, RNA geny atď) konstitutivní exprese regulovaná exprese obecné transkripční faktory (iniciace transkripce u eukaryot) regulační transkripční faktory aktivátory, represory cis-elements (DNA) trans-elements (protein)
Regulace transkripce u prokaryot Geny kódující enzymy stejné metabolické dráhy jsou seřazeny blízko za sebou, tvoří operony Tento způsob uložení umožňuje koordinovanou expresi Regulační sekvence sousedí s operonem, nazývá se operátor Regulační proteiny interagují s operátory a kontrolují tak transkripci genů operonu
Lac operon u E. coli
Regulace transkripce Lac operonu Negativní kontrola Positivní kontrola
Vazba CAP a RNA Pol do oblasti lac promoteru
Vazba CAP-(cAMP) 2 na DNA
Komplexní kontrola exprese genů u eukaryot
Regulace transkripce u eukaryot - Signalizace ze vzdálené sekvence - Komplexní regulační sekvence - Mnoho transkripčních faktorů - Chromatin remodeling
Regulace transkripce u eukaryot - Chromatin remodeling Složení chromosomu
Regulace transkripce u eukaryot - Chromatin remodeling
Regulace transkripce u eukaryot - Chromatin remodeling
Regulace transkripce u eukaryot - methylace umlčování genů euchromatin heterochromatin
Regulace transkripce u eukaryot