3.6: Γονιδιακή έκφραση

Ενώ κάθε κύτταρο μοιράζεται το ίδιο γονιδίωμα και αλληλουχία DNA, κάθε κύτταρο δεν ενεργοποιεί ή δεν εκφράζει το ίδιο σύνολο γονιδίων. Κάθε τύπος κυττάρου χρειάζεται ένα διαφορετικό σύνολο πρωτεϊνών για να εκτελέσει τη λειτουργία του. Επομένως, μόνο ένα μικρό υποσύνολο πρωτεϊνών εκφράζεται σε ένα κύτταρο. Για να εκφραστούν οι πρωτεΐνες, το DNA πρέπει να μεταγραφεί σε RNA και το RNA πρέπει να μεταφραστεί σε πρωτεΐνη. Σε έναν δεδομένο τύπο κυττάρου, δεν μεταγράφονται όλα τα γονίδια που κωδικοποιούνται στο DNA σε RNA ή μεταφράζονται σε πρωτεΐνη επειδή συγκεκριμένα κύτταρα στο σώμα μας έχουν συγκεκριμένες λειτουργίες. Οι εξειδικευμένες πρωτεΐνες που αποτελούν το μάτι (ίριδα, φακός και κερατοειδής χιτώνας) εκφράζονται μόνο στο μάτι, ενώ οι εξειδικευμένες πρωτεΐνες στην καρδιά (κύτταρα βηματοδότη, καρδιακός μυς και βαλβίδες) εκφράζονται μόνο στην καρδιά. Ανά πάσα στιγμή, μόνο ένα υποσύνολο όλων των γονιδίων που κωδικοποιούνται από το DNA μας εκφράζεται και μεταφράζεται σε πρωτεΐνες. Η έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων είναι μια εξαιρετικά ρυθμιζόμενη διαδικασία με πολλά επίπεδα και στάδια ελέγχου. Αυτή η πολυπλοκότητα εξασφαλίζει τη σωστή έκφραση στο κατάλληλο κελί την κατάλληλη στιγμή.

• 3.6.1: Εισαγωγή

  Κάθε σωματικό κύτταρο στο σώμα περιέχει γενικά το ίδιο DNA. Μερικές εξαιρέσεις περιλαμβάνουν τα ερυθρά αιμοσφαίρια, τα οποία δεν περιέχουν DNA στην ώριμη κατάσταση τους, και ορισμένα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος που αναδιατάσσουν το DNA τους ενώ παράγουν αντισώματα. Γενικά, ωστόσο, τα γονίδια που καθορίζουν εάν έχετε πράσινα μάτια, καστανά μαλλιά και πόσο γρήγορα μεταβολίζετε τα τρόφιμα είναι τα ίδια στα κύτταρα στα μάτια και στο συκώτι σας, παρόλο που αυτά τα όργανα λειτουργούν αρκετά διαφορετικά.

• 3.6.2: Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης

  Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης εξοικονομεί ενέργεια και χώρο. Θα απαιτούσε σημαντική ποσότητα ενέργειας για έναν οργανισμό να εκφράζει κάθε γονίδιο ανά πάσα στιγμή, επομένως είναι πιο ενεργειακά αποδοτικό να ενεργοποιούνται τα γονίδια μόνο όταν απαιτούνται. Επιπλέον, η έκφραση μόνο ενός υποσυνόλου γονιδίων σε κάθε κύτταρο εξοικονομεί χώρο επειδή το DNA πρέπει να ξετυλιχθεί από τη σφιχτά τυλιγμένη δομή του για να μεταγράψει και να μεταφράσει το DNA.

• 3.6.3: Ρύθμιση προκαρυωτικών γονιδίων

  Το DNA των προκαρυωτικών οργανώνεται σε ένα κυκλικό χρωμόσωμα υπερτυλιγμένο στην νουκλεοειδή περιοχή του κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Οι πρωτεΐνες που χρειάζονται για μια συγκεκριμένη λειτουργία ή που εμπλέκονται στην ίδια βιοχημική οδό, κωδικοποιούνται μαζί σε μπλοκ που ονομάζονται οπερόνια. Για παράδειγμα, όλα τα γονίδια που απαιτούνται για τη χρήση της λακτόζης ως πηγής ενέργειας κωδικοποιούνται το ένα δίπλα στο άλλο στο οπερόνιο λακτόζης (ή lac).

• 3.6.4: Ρύθμιση ευκαρυωτικού επιγενετικού γονιδίου

  Η έκφραση του ευκαρυωτικού γονιδίου είναι πιο περίπλοκη από την έκφραση του προκαρυωτικού γονιδίου επειδή οι διαδικασίες μεταγραφής και μετάφρασης διαχωρίζονται φυσικά. Σε αντίθεση με τα προκαρυωτικά κύτταρα, τα ευκαρυωτικά κύτταρα μπορούν να ρυθμίσουν την γονιδιακή έκφραση σε πολλά διαφορετικά επίπεδα. Η έκφραση του ευκαρυωτικού γονιδίου ξεκινά με τον έλεγχο της πρόσβασης στο DNA. Αυτή η μορφή ρύθμισης, που ονομάζεται επιγενετική ρύθμιση, συμβαίνει ακόμη και πριν ξεκινήσει η μεταγραφή.

• 3.6.5: Ρύθμιση γονιδίου ευκαρυωτικής μεταγραφής

  Όπως τα προκαρυωτικά κύτταρα, η μεταγραφή γονιδίων στους ευκαρυώτες απαιτεί τις δράσεις μιας RNA πολυμεράσης να συνδεθεί με μια αλληλουχία ανάντη ενός γονιδίου για να ξεκινήσει η μεταγραφή. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα προκαρυωτικά κύτταρα, η ευκαρυωτική RNA πολυμεράση απαιτεί άλλες πρωτεΐνες ή παράγοντες μεταγραφής για να διευκολύνει την έναρξη της μεταγραφής. Οι παράγοντες μεταγραφής είναι πρωτεΐνες που συνδέονται με την αλληλουχία προαγωγέα και άλλες ρυθμιστικές αλληλουχίες για τον έλεγχο της μεταγραφής του γονιδίου στόχου.

• 3.6.6: Ευκαρυωτική μετα-μεταγραφική γονιδιακή ρύθμιση

  Το RNA μεταγράφεται, αλλά πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία σε ώριμη μορφή πριν ξεκινήσει η μετάφραση. Αυτή η επεξεργασία μετά τη μεταγραφή ενός μορίου RNA, αλλά πριν μεταφραστεί σε πρωτεΐνη, ονομάζεται μετα-μεταγραφική τροποποίηση. Όπως και με τα επιγενετικά και μεταγραφικά στάδια της επεξεργασίας, αυτό το μετα-μεταγραφικό βήμα μπορεί επίσης να ρυθμιστεί για τον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης στο κύτταρο. Εάν το RNA δεν υποστεί επεξεργασία, μεταφορά ή μετάφραση, τότε δεν θα συντεθεί πρωτεΐνη.

• 3.6.7: Ευκαρυωτικός μεταφραστικός και μετα-μεταφραστικός γονιδιακός κανονισμός

  Αφού το RNA μεταφερθεί στο κυτταρόπλασμα, μεταφράζεται σε πρωτεΐνη. Ο έλεγχος αυτής της διαδικασίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μόριο RNA. Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, η σταθερότητα του RNA θα έχει μεγάλο αντίκτυπο στη μετάφρασή του σε πρωτεΐνη. Καθώς αλλάζει η σταθερότητα, αλλάζει και ο χρόνος που είναι διαθέσιμος για μετάφραση.

• 3.6.8: Καρκίνος και γονιδιακή ρύθμιση

  Ο καρκίνος δεν είναι μια ενιαία ασθένεια, αλλά περιλαμβάνει πολλές διαφορετικές ασθένειες. Στα καρκινικά κύτταρα, οι μεταλλάξεις τροποποιούν τον έλεγχο του κυτταρικού κύκλου και τα κύτταρα δεν σταματούν να αναπτύσσονται όπως θα έκαναν κανονικά. Οι μεταλλάξεις μπορούν επίσης να αλλάξουν τον ρυθμό ανάπτυξης ή την εξέλιξη του κυττάρου μέσω του κυτταρικού κύκλου. Ένα παράδειγμα γονιδιακής τροποποίησης που μεταβάλλει τον ρυθμό ανάπτυξης είναι η αυξημένη φωσφορυλίωση της κυκλίνης Β, μιας πρωτεΐνης που ελέγχει την εξέλιξη ενός κυττάρου μέσω του κυτταρικού κύκλου και χρησιμεύει ως πρωτεΐνη σημείου ελέγχου κυτταρικού κύκλου.

• 3.6.9: Βασικοί όροι

• 3.6.10: Περίληψη κεφαλαίου

• 3.6.11: Ερωτήσεις οπτικής σύνδεσης

• 3.6.12: Ερωτήσεις αναθεώρησης

• 3.6.13: Ερωτήσεις κριτικής σκέψης

Μικρογραφία: Τα νουκλεοσώματα απέχουν πολύ μεταξύ τους έτσι ώστε το DNA να εκτίθεται. Οι παράγοντες μεταγραφής μπορούν να δεσμευτούν, επιτρέποντας την εμφάνιση γονιδιακής έκφρασης. (CC BY 4.0/τροποποιημένο από το πρωτότυπο; OpenStax).