410 likes | 646 Views
Regulace genové exprese. Genová exprese. 6 000 - 12 000 genů. 28 000 genů. „Svět RNA“. Ústřední dogma molekulární biologie. Prokaryotická a eukaryotická mRNA. Úrovně regulace genové exprese eukaryot. Chemická struktura RNA. Důsledky:
E N D
Regulace genové exprese Genová exprese 6 000 - 12 000 genů 28 000 genů
„Svět RNA“ Ústřední dogma molekulární biologie
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 Rozdíly mezi RNA a DNA: Ribosa (2’-OH skupina) Uracil místo thyminu (absence methylu v poloze 5)
Katalytická RNA - ribozymy • Katalyzované reakce – substrátemvětšinouRNA • nejčastěji místně specifická hydrolýza fosfodiesterových vazeb • endonukleasa • obrácený směr – syntéza fosfodiesterových vazeb • RNA ligasa, RNA polymerasa • transesterifikace • sestřih • Substrátem není RNA ! • hydrolýza aminoacylesterových vazeb • syntéza peptidové vazby • 28S rRNA
Transkripce Dvě základní regulační úrovně: 1. Struktura chromatinu 2. Aktivita RNA polymerasy a s ní kooperujících bílkovin Dvě základní regulační úrovně: 1. Struktura chromatinu 2. Aktivita RNA polymerasy a s ní kooperujících bílkovin
m7G m7G m7G AAAAA Zrání pre-mRNA - posttranskripční modifikace exon intron heterogenní jaderná RNA = primární transkript = pre-mRNA = hnRNA Syntéza čepičky čepička Sestřih Polyadenylace poly(A) řetězec mediátorová RNA = mRNA
C-terminální doména RNA polymerasy II Regulace aktivity RNAP II • Platforma pro asociaci RNP komplexů posttranskripčních modifikací primárního transkriptu • Vytvoření čepičky, sestřih, rozštěpení, polyadenylace CTD platforma
RNA a RNP RNP – ribonukleoproteinová částice hnRNP/mRNP – komplexní a dynamická struktura • velká množina bílkovin vážících se k transkriptu po celou dobu jeho existence • obecné a specifické bílkoviny • bílkovinné složení se průběžně mění
Čepička 1974: mRNA několika eukaryotických virů • na 5’-konci není trifosfát, ale čepička Dnes: • Čepička u téměř všech eukaryotických mRNA Základní struktura čepičky: m7GpppN(m)pN(m)p
Úprava 3’-konce pre-mRNA - polyadenylace • Význam čepičky a poly(A) řetězce • Účast při sestřihu • Export mRNA z jádra • Stabilizace mRNA v cytoplasmě • Regulace degradace mRNA • Komunikace obou konců mRNA • Translace Výjimka – histonové mRNA
S-fáze • 35 x nárůst abundance H mRNA • aktivace transkripce • zvýšení stability (T1/2 = 45-60 min) konec S-fáze • úbytek H mRNA • represe transkripce • destabilizace mRNA (T1/2 = 10 min) Metabolismus histonové mRNA Replikace DNA • S-fáze buněčného cyklu: syntéza DNA • koordinovaná syntéza množství histonů Histonová mRNA –– 70 typů H mRNA (savci) • neobsahuje introny, není polyadenylovaná • synchronizovaná regulace exprese všech H genů
Sestřih (splicing) Vystřižení intervenujících sekvencí (intronů) následované spojením odpovídajících částí kódující oblasti (exonů) M E C H A N I S M U S snRNP, spliceosom Kvasinky Introny v 235 z 6000 genů Obratlovci a rostliny Introny v 80 - 85 % všech genů Lidský gen pro dystrofin 78 intronů: 99.4 % délky genu Pre-mRNA: 2 500 000 nt / 79 exonů mRNA: 14 000 nt
Místo 2’,3’,5’-fosfotriesterové vazby s A v místě větvení Párování k 5’-SS Párování k místu větvení Formování terciálních interakcí mezi U6 a U2 snRNA (pseudoknot) Katalytické jádro spliceosomu velice pravděpodobně ribozym Fosfát vážící Mg++
Drosophila • gen pro Down syndrome cell adhesion molecule (DSCAM): • teoreticky až 38 016 isoforem Alternativní sestřih Sestřih pre-mRNA • Nezbytná součást genové exprese • Významný regulační krok Variabilní užití potenciálních míst setřihu Komplexní transkripční jednotka • Jedna pre-mRNA může dát vzniknout mnoha zralým mRNA • Mnoho bílkovin může být kódovanáno jedním genem Člověk - 40 % genů ( podle 5 000 000 EST / 33 000 genů ) Arabidopsis - zatím asi 5 % genů ( podle 179 000 EST / 27 000 genů )
Samosestřih – introny II. typu Samosestřih - ribozymy Mechanismus sestřihu stejný jako u spliceosomů • snad jejich evoluční předchůdci • teorie vzniku snRNA rozpadem intronů II. typu Mobilní genetické elementy Součást katalytickéha jádra ORF ribozym nukleofil
Komplex jaderného póru 1 000 – 10 000 jaderných pórů na jednom jádře Obratlovci (Xenopus) – 125 MDa (30 x velikost ribosomu); odhad: původně 50-100 bílkovin, dnes cca 30-40
Komplex jaderného póru Hustota pórů na povrchu jádra oocytuXenopus laevis Celý komplex • průměr 120 nm Průměr kanálu • 9 nm v klidu • 26 nm v aktivním stavu
Export mRNP z jádra Slinné žlázy larev Chironomus tentans Obrovská mRNA ~ 75 kb > 10 MDa Ø 50 nm
Stabilita, lokalizace a translatovatelnost mRNA Cis-elementy Primární sekvence mRNA Strukturní elementy Čepička (5’-5’ trifosfátová vazba) Poly(A) řetězec Trans-faktory Ribosomy RNA-vazebné bílkoviny Ribonukleasy Antisense RNA Komplexní soubor vztahů – dynamické složení mRNP lokalizacex stabilita x translační aktivace/inhibice
Stabilita, lokalizace a translatovatelnost mRNA Abundance mRNA – aktuální poměr rychlosti syntézy a degradace Transkripty Extrémně stabilní - skladované mRNA Stabilní - konstitutivní geny Nestabilní – regulační bílkoviny • transkripční faktory, geny buněčného cyklu, geny stresové odpovědi • regulace stability mRNA – změna poločasu života dané mRNA až 10x • fyziologická – vývojové stadium, rychlost růstu, diferenciace • podněty okolí – stres, výživa, hormony
Iron-responsive element Vztah stability a translatability mRNA Transferrin receptor exprese při nedostatku Fe Naprosto opačný efekt stejného elementu v závislosti na jeho poloze v mRNA Ferritin exprese při nadbytku Fe IRE (iron-responsive element) • vlásenka (23-27 nt) • smyčka (6 nt) IRP(IRE-binding protein) • volný – enzym akonitasa • vazba k IRE stabilizuje TR mRNA • regulace železem
Lokalizační cis-elementy ash1 mRNA
Drosophila melanogaster Embryo Lokalizace některých mRNA
Petunia (1990): změny barev květů po transformaci genem pro chalcon synthasu za 35S promotorem Obranná strategie – kontrola virové infekce umlčování cizorodých genů Umlčování genů / gene silencing Protismyslná RNA • RNA komplementární k cílové RNA, reguluje její funkci • ovlivnění stability cílové RNA • inhibice nebo zesíleníexprese • chemická modifikace cílové RNA/DNA Délka 22 nt až >10 kb Umělé protismyslné molekuly –antisense DNA oligonukleotidy terapeutické užití štěpeny RNasou H (štěpí DNA/RNA hybrid)
Translace Syntéza bílkovin na základě matrice mRNA
Ribosom a translace Peptidyl transferasa - ribozym Ribosom – největší RNP částice 4,2 MDa = 2,8 + 1,4 MDa
Zrání ribosomální RNA • Rozštěpení polycistronického 45S transkriptu • endonukleasy, exonukleasy • Samosestřih pre-rRNA • ribozym • Modifikace nukleotidů pre-rRNA • účast snoRNP
Posttranskripční modifikace tRNA • Úprava 5’-konce tRNA • RNasa P, RNPribozym • RNA + 1 či více bílkovin • 3’-terminální sekvence CCA • ATP(CTP):tRNA nukleotidyltransferasa • enzymatická syntéza bez templátu • Sestřih (introny IV. typu) • introny v antikodonové smyčce • enzymatický – endonukleasa, ligasa Modifikace nukleotidů
Modifikace nukleotidů v tRNA 80 popsaných (2001) nukleotidových derivátů Význam: Specificita aminoacylace Rozpoznání kodónu 3D struktura molekuly Zvýšení povrchu tRNA (dostupnost pro bílkoviny)
Závěry Množství úrovníregulace genové exprese Komplikovanost a vzájemné propojení regulačních mechanismů Obrovská variabilita „světa RNA“ v současné eukaryotické buňce Řada reakcí katalyzovaných ribozymy Dynamika formování a přeskupování ribonukleoproteinových komplexů Kontinuum světa RNA a bílkovin v eukaryotické buňce
Kontakt: David Honys ÚEB AV ČR http://www.ueb.cas.cz/laboratory_of_pollen_biology/default.htm