7.8: ביטוי גנים

מקור: BiochemFFA_7_7.pdf. ספר הלימוד כולו זמין בחינם מהמחברים בכתובת http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

תהליכי השעתוק והתרגום שתוארו עד כה מספרים לנו אילו שלבים מעורבים בהעתקת מידע מגן (DNA) ל- RNA ובסינתזה של חלבון המכוון על ידי רצף התמליל (איור 7.102). שלבים אלה נדרשים לביטוי גנים, התהליך שבו מידע ב-DNA מכוון את ייצור החלבונים הדרושים לתא.

אבל מה קובע אם גן מתבטא בזמן נתון? תאים אינם מבטאים, כידוע, את כל הגנים שלהם כל הזמן. גנים מסוימים באים לידי ביטוי בסוגי תאים מסוימים אך לא באחרים, בעוד שאחרים עשויים לבוא לידי ביטוי בשלבי התפתחות ספציפיים. תאים חייבים גם להיות מסוגלים לשנות את דפוסי ביטוי הגנים שלהם בתגובה לרמזים פנימיים וחיצוניים, לשלוט בייצור החלבונים לפי הצורך, כדי לענות על צרכיהם המשתנים. ויסות ביטוי הגנים הוא, אם כן, חיוני. בהתחשב בכך שיש מספר שלבים המעורבים בביטוי גנים, ישנן מספר נקודות שונות שבהן ניתן להסדיר את התהליך. באופן לא מפתיע, ידועים מנגנוני ויסות רבים, שכל אחד מהם פועל בשלב אחר בדרך מ- DNA לחלבון.

ויסות תמלול

השלב הראשון בביטוי גנים הוא שעתוק, ולכן ויסות השעתוק הוא דרך ברורה להשפיע אם גן מתבטא ובאיזו מידה.

מהם המתגים המולקולריים שמפעילים או מכבים את התעתיק? למרות שישנם גורמים נוספים המשפיעים על שעתוק, כגון נגישות הגן למנגנון התעתיק, המנגנון הבסיסי שבאמצעותו מוסדר התעתיק תלוי באינטראקציות ספציפיות ביותר בין חלבונים המווסתים שעתוק לבין רצפים רגולטוריים ב-DNA.

מהם הרצפים הרגולטוריים הללו ואילו חלבונים קושרים אותם? בנוסף לרצפי האמרגן הנדרשים לתחילת שעתוק, לגנים יש רצפים רגולטוריים נוספים של cis (רצפי DNA על אותה מולקולת DNA כמו הגן) השולטים בעת שעתוק גן. רצפים רגולטוריים קשורים בחוזקה ובאופן ספציפי על ידי מווסת תעתיק, חלבונים שיכולים לזהות רצפי DNA ולהיקשר אליהם. הקישור של חלבונים כאלה ל-DNA יכול לווסת את השעתוק על ידי מניעה או הגברת שעתוק ממקדם מסוים.

ויסות תעתיק בפרוקריוטים

הבה נבחן תחילה כמה דוגמאות מפרוקריוטים. בחיידקים, גנים מקובצים לעתים קרובות בקבוצות, כך שגנים שצריכים לבוא לידי ביטוי בו זמנית נמצאים זה ליד זה וכולם נשלטים כיחידה אחת על ידי אותו מקדם. קבוצות של גנים המווסתות באופן מתואם על ידי מקדם יחיד מכונות אופרונים. ניתן לשלוט על כל מערך הגנים באופרון באמצעות פעולה של חלבונים קושרים ל-DNA הפועלים כמדכאים (מונעים שעתוק של הגנים) או כמפעילים (הגדלת שעתוק הגנים). הקישור של חלבונים אלה למטרות ה- DNA שלהם נשלט באופן אלוסטרי על ידי קישור של מולקולות קטנות ספציפיות המסמנות את מצב התא.

אינדוקציה של lac אופרון

ה lac אופרון הוא קבוצה כזו של גנים מוסדרים באופן מתואם המקודדים לחלבונים הדרושים לספיגה ופירוק של לקטוז הסוכר. תאי E.coli מעדיפים להשתמש בגלוקוז לצרכי האנרגיה שלהם, אך אם גלוקוז אינו זמין, ולקטוז קיים, החיידקים יקלטו לקטוז ויפרקו אותו לאנרגיה. מכיוון שהחלבונים לקליטה ופירוק לקטוז נחוצים רק כאשר גלוקוז נעדר ולקטוז זמין, תאי החיידק זקוקים לדרך לבטא את הגנים של lac אופרון רק בתנאים אלה. מצב ברירת המחדל של lac אופרון הוא OFF.

הסרת מדכא

שעתוק של אשכול הגנים lac נשלט בעיקר על ידי חלבון מדכא הנקשר לאזור של ה-DNA ממש במורד הזרם של רצף -10 של מקדם lac (איור 7.104). נזכיר כי האמרגן הוא המקום שבו פולימראז ה- RNA חייב להיקשר כדי להתחיל בשעתוק. המיקום על ה-DNA שבו נקשר מדכא lac נקרא אופרטור (איור 7.105). כאשר המדכא קשור במיקום זה, הוא חוסם פיזית את ה-RNA פולימראז מלתמלל את הגנים, בדיוק כפי שרכב שחוסם את שביל הגישה שלך ימנע ממך לשלוף. ברור שאם אתה רוצה לעזוב, יש להסיר את הרכב שחוסם את דרכך. באופן דומה, על מנת שתתרחש שעתוק, יש להסיר את המדכא מהמפעיל כדי לפנות את הנתיב לפולימראז RNA (איור 7.106).

כיצד מסירים את המדכא? כאשר הסוכר לקטוז קיים, כמות קטנה ממנו נלקחת על ידי התאים ומומרת לצורה איזומרית, אלולקטוזה (איור 7.107). אלולקטוזה נקשר למדכא, משנה את הקונפורמציה שלו כך שהוא כבר לא נקשר למפעיל. כאשר המדכא אינו קשור עוד למפעיל, "מחסום הדרכים" מול פולימראז ה-RNA מוסר, מה שמאפשר שעתוק של הגנים של lac אופרון

מה שהופך את זה למערכת בקרה יעילה במיוחד הוא שהגנים של lac operon מקודדים לחלבונים המאפשרים פירוק לקטוז. הפעלת גנים אלה דורשת לקטוז להיות נוכח. לאחר פירוק הלקטוז, מדכא lac נקשר למפעיל פעם נוספת והגנים lac אינם באים לידי ביטוי עוד. זה מאפשר לגנים לבוא לידי ביטוי רק כאשר הם נחוצים.

גיוס RNA פולימראז

אך כיצד רמות הגלוקוז משפיעות על הביטוי של גני lac? ציינו קודם לכן שאם גלוקוז היה קיים, לקטוז לא ישמש. רמה שנייה של שליטה מופעלת על ידי חלבון הנקרא חלבון מפעיל קטבוליט (CAP - איור 7.108)). CAP (המכונה לפעמים גם חלבון מחייב CBP או cAMP) נקשר לאתר הסמוך לפרומוטור ויש צורך לגייס RNA פולימראז כדי לקשור את מקדם lac.

כריכת cAMP

CAP נקשר לאתר שלו רק כאשר רמות הגלוקוז נמוכות. רמות גלוקוז נמוכות קשורות להפעלה של אנזים, אדנילט ציקלאז, שהופך את המולקולה AMP מחזורית (cAMP). הקישור של cAMP ל-CAP גורם לשינוי קונפורמטיבי ב-CAP המאפשר לו להיקשר לאתר מחייב ה-CAP. כאשר CAP קשור באתר זה, הוא מסוגל לגייס RNA פולימראז כדי להיקשר בפרומוטור, ולהתחיל בשעתוק.

השילוב של קישור CAP ומדכא lac המתנתק מהמפעיל כאשר רמות הלקטוז גבוהות מבטיח שעתוק של lac אופרון בדיוק כאשר הוא נחוץ ביותר. ניתן לחשוב על הקישור של CAP כאור ירוק לפולימראז ה- RNA, בעוד שהסרת מדכא lac היא כמו הרמת מחסום לפניו. כאשר שני התנאים מתקיימים, ה-RNA פולימראז מתמלל את הגנים במורד הזרם.

שליטה באופרון trp על ידי הדחקה

ה lac אופרון שתיארנו זה עתה הוא קבוצה של גנים המתבטאים רק בתנאים הספציפיים של דלדול גלוקוז וזמינות לקטוז. גנים אחרים עשויים לבוא לידי ביטוי אלא אם מתקיים תנאי מסוים. עבור גנים אלה, מצב ברירת המחדל הוא ON.

דוגמה לכך היא האופרון trp, המקודד לאנזימים הדרושים לסינתזה של חומצת האמינו טריפטופן. גנים אלה באים לידי ביטוי מכונן (תמיד דולק), למעט כאשר טריפטופן זמין מסביבת התא, מה שהופך את הסינתזה שלו למיותרת. בתנאים שבהם טריפטופן נמצא בשפע בסביבה, ניתן לכבות את הגנים trp. זה מושג על ידי חלבון מדכא שייקשר למפעיל רק בנוכחות טריפטופן (איור 7.110). קישור טריפטופן למדכא גורם לקשירה של המדכא למפעיל. מכיוון שהוא פועל יחד עם המדכא כדי לכבות את הגנים trp, טריפטופן נקרא מדכא משותף.

הנחתה

מנגנון נוסף המסדיר את הביטוי של האופרון trp הוא הנחתה. הנחתה היא תהליך שבו הביטוי של אופרון נשלט על ידי הפסקת שעתוק לפני הגן הראשון של האופרון (איור 7.111).

באופרון trp, זה מתפקד כדלקמן: שעתוק מתחיל במרחק מה במעלה הזרם של הגן הראשון באופרון, ומייצר מה שמכונה רצף מנהיג 5'. רצף מנהיג זה מכיל מסוף פנימי שיכול ליצור מבנה סיכת ראש שעוצר את השעתוק כאשר רמות גבוהות של טריפטופן זמינות לתאים. זה יכול גם ליצור מבנה שונה המאפשר המשך שעתוק של הגנים באופרון כאשר רמות הטריפטופן נמוכות. כיצד משפיעה רמת הטריפטופן אילו משני המבנים הללו נוצרים?

נזכיר שקצה 5 'של ה- RNA הוא החלק הראשון של התמליל שיש לבצע וכי בתרגום חיידקים מקושר לשעתוק, כך שקצה 5' של ה- RNA מתחיל להיות מתורגם לפני ביצוע התמליל כולו. מתברר שרצף המנהיג 5' של ה-trp אופרון mRNA מקודד לפפטיד קצר המכיל שני קודונים טריפטופן. אם יש הרבה טריפטופן זמין, רצף המנהיג יתורגם בקלות. בתנאים אלה, רצף המנהיג מסוגל ליצור את סיכת הסיום, ולמנוע את התעתיק של גני trp במורד הזרם.

אם, לעומת זאת, רמות הטריפטופן נמוכות, הריבוזום נעצר כשהוא מנסה לתרגם את רצף המנהיגים. בתנאים אלה, רצף המנהיג מאמץ קונפורמציה שונה המאפשרת המשך שעתוק של הגנים של האופרון trp.

ריבוסוויצ'ים

דומה במושג להחלשה של אופרון trp שתואר לעיל, אך אינו תלוי בתרגום, הוא מנגנון בקרה הנקרא ריבוסוויץ '(איור 7.113). ריבוסוויצ'ים נמצאים בדרך כלל ב- 5'UTR של RNA שליח (כלומר, הם חלק מרצף ה- RNA). רצפים אלה יכולים לשלוט בתעתיק הגנים במורד הזרם בהתבסס על הקונפורמציה שהם מאמצים. קונפורמציה אחת מאפשרת המשך שעתוק, ואילו השנייה מסיימת אותה. אז מה קובע איזו קונפורמציה הם מאמצים?

תכונות

לריבוסוויצ'ים שני מאפיינים אופייניים החשובים לתפקודם. האחד הוא אזור ברצף הנקרא aptamer, המתקפל לצורה תלת מימדית שיכולה לקשור מולקולת אפקטור קטנה. השני הוא אזור סמוך של ה-RNA, הנקרא פלטפורמת הביטוי, שיכול להתקפל לקונפורמציות שונות בהתאם אם האפטאמר קשור לאפקטור או לא.

דוגמה לריבוסוויץ 'שנמצא בחיידקים הוא הריבוסוויץ הגואנין, השולט בביטוי הגנים הנדרשים לביוסינתזה של פורין. אזור האפטאמר של ריבוסוויץ זה נקשר לאפקטור, גואנין, כאשר רמות הבסיס גבוהות. הקישור של הגואנין מעורר שינוי בקיפול פלטפורמת הביטוי במורד הזרם, וגורם לו לאמץ קונפורמציה המפסיקה את שעתוק הגנים הדרושים לסינתזה של גואנין. בהיעדר גואנין, פלטפורמת הביטוי מניחה קונפורמציה שונה המאפשרת שעתוק של הגנים הביוסינתזה של הפורין. לפיכך, ניתן לחוש ברמות של גואנין וניתן לבטא את הגנים הדרושים לסינתזה שלו לפי הצורך.

ויסות שעתוק באיקריוטים

שעתוק באאוקריוטים מוסדר גם על ידי קישור חלבונים לרצפי DNA ספציפיים, אך עם כמה הבדלים מהתכניות הפשוטות שתוארו לעיל.

עבור רוב הגנים האוקריוטיים, גורמי שעתוק כלליים ו-RNA פולימראז (כלומר, קומפלקס התחלת השעתוק) נחוצים אך אינם מספיקים לרמות גבוהות של שעתוק. רצפי DNA פרוקסימליים פרוקסימליים כמו תיבת CAAT ותיבת GC קושרים חלבונים המקיימים אינטראקציה עם קומפלקס התחלת השעתוק, ומשפיעים על היווצרותו (איור 7.114).

רצפים רגולטוריים רחוקים

יש צורך ברצפים רגולטוריים נוספים הנקראים משפרים והחלבונים הנקשרים אליהם כדי להשיג רמות גבוהות של שעתוק. משפרים הם רצפי DNA קצרים המווסתים את שעתוק הגנים, אך עשויים להיות ממוקמים במרחק מהגן שהם שולטים בו (למרות שהם נמצאים על אותה מולקולת DNA כמו הגן). לעתים קרובות משפרים נמצאים במרחק של קילו-בסיסים רבים על ה-DNA, במעלה הזרם או במורד הזרם של הגן. כפי שהשם מרמז, משפרים יכולים לשפר (להגדיל) את התעתיק של גן מסוים. כיצד יכול רצף DNA רחוק מהגן המתועתק להשפיע על רמת השעתוק?

מפעילי תעתיק

משפרים פועלים על ידי קשירת חלבונים (מפעילי תעתיק) שיכולים, בתורם, לקיים אינטראקציה עם החלבונים הקשורים בפרומוטור. אזור המשפר של ה-DNA, עם מפעילי התעתיק הקשורים אליו יכול לבוא במגע עם קומפלקס התחלת השעתוק הקשור באתר מרוחק על ידי לולאה של ה-DNA (איור 7.115). זה מאפשר לחלבון הקשור במשפר ליצור קשר עם החלבונים במכלול השעתוק הבסיסי. האינטראקציה של המפעיל עם קומפלקס התחלת השעתוק עשויה להיות ישירה, או שהיא יכולה להיות באמצעות "איש ביניים", קומפלקס חלבונים הנקרא מתווך.

השפעה אחת של אינטראקציה זו היא לסייע בגיוס חלבונים הדרושים לשעתוק, כמו גורמי השעתוק הכלליים ו-RNA פולימראז לפרומוטור, הגדלת התדירות והיעילות של היווצרות קומפלקס התחלת השעתוק. ישנן גם עדויות לכך שבחלק מהמקדמים, לאחר הרכבה של קומפלקס התחלת השעתוק, פולימראז ה-RNA נשאר תקוע בפרומוטור. במקרים כאלה, האינטראקציה עם קומפלקס התחלת השעתוק של מפעיל הקשור למשפר יכולה למלא תפקיד בהקלת המעבר של פולימראז ה- RNA לשלב ההתארכות של השעתוק.

חלבוני שיפוץ כרומטין

מנגנון נוסף שבאמצעותו מפעילים הקשורים במשפר יכולים להשפיע על השעתוק הוא על ידי גיוס לחלבוני הפרומוטור שיכולים לשנות את המבנה של אותו אזור בכרומוזום. באיקריוטים, ה- DNA ארוז בחלבונים ליצירת כרומטין. כאשר ה-DNA קשור קשר הדוק לחלבונים אלה, קשה לגשת אליו לשעתוק. כך שחלבונים שיכולים להפוך את ה-DNA לנגיש יותר למנגנון השעתוק יכולים גם הם לשחק תפקיד במידה שבה מתרחש שעתוק.

משתיקי קול

בנוסף למשפרים, ישנם גם רצפים רגולטוריים שליליים הנקראים משתיקי קול. רצפים רגולטוריים כאלה נקשרים לחלבונים מדכאי תעתיק. בדומה למפעילי התעתיק, מדכאים אלה פועלים על ידי אינטראקציה עם קומפלקס התחלת התעתיק. במקרה של מדכאים, ההשפעה שיש להם על קומפלקס התחלת השעתוק היא הפחתת התעתיק.

חלבונים קושרים ל- DNA

מפעילים ומדכאים תעתיק הם חלבונים מודולריים- יש להם חלק הקושר DNA וחלק שמפעיל או מדכא שעתוק על ידי אינטראקציה עם קומפלקס התחלת השעתוק (איור 7.118). תחום הקישור ל- DNA הוא החלק של החלבון המקנה ספציפיות לקביעת אילו גנים יופעלו או יודחקו. תחום ההפעלה הוא החלק של החלבון המעורר או מדכא שעתוק. התחומים המחייבים את ה-DNA של מפעילי תעתיק יוצרים מבנים אופייניים המזהים את רצפי ה-DNA היעד שלהם על ידי יצירת קשרים עם בסיסים, בדרך כלל בחריץ הראשי של סליל ה-DNA. אפשר להנדס גורמי שעתוק היברידיים המשלבים את תחום הקישור ל-DNA של מפעיל אחד עם תחום ההפעלה של אחר. חלבונים כאלה שומרים על הספציפיות המוכתבת על ידי תחום מחייב ה-DNA. ניתן ליצור גם גורמי שעתוק קטועים בעלי תחום מחייב ה-DNA שלהם אך חסרים את תחום ההפעלה. גורמי שעתוק כאלה יכולים להיות כלים שימושיים בחקר ויסות תעתיק מכיוון שתחומי הקישור ל-DNA שלהם יכולים להתחרות בגורמי התעתוק האנדוגניים על אתרי קישור רגולטוריים מבלי להגביר את התעתיק ממקדמי המטרה.

גורמים מרובים

התיאור לעיל עשוי להצביע על כך שכל גן באוקריוטים נשלט על ידי קישור של מפעיל או מדכא תעתיק יחיד לאתר משפר או משתיק קול מסוים. עם זאת, מתברר כי התעתיק של כל גן נתון עשוי להיות מוסדר בו זמנית על ידי שילוב של חלבונים, הן מפעילים והן מדכאים, הקשורים במספר אתרי רגולציה ב-DNA, שכולם מקיימים אינטראקציה עם קומפלקס התחלת השעתוק. האופי הקומבינטורי של ויסות כזה מספק צדדיות רבה, כאשר שילובים שונים של אלמנטים רגולטוריים וחלבונים פועלים יחד בתגובה למגוון רחב של תנאים ואותות.

המנגנונים שתוארו עד כה התמקדו ביסודות הרצף ב-DNA המווסתים את השעתוק דרך החלבונים המפעילים והמדכאים הקשורים אליהם. לאחר שעתוק, שחבור חלופי (ראה כאן) ועריכה של התמלילים יכולים גם לשנות את החלבונים המיוצרים על ידי התא. כעת נבחן כמה מהדרכים האחרות שבהן ביטוי גנים מאופנן בתאים.

ראשית, נשקול כמה מנגנונים אפיגנטיים כביכול המשפיעים על ביטוי גנים. המונח אפיגנטיקה נובע מ- epi (מעל, או על גבי) וגנטי (של גנים) ומתייחס לעובדה שמנגנונים אלה פועלים בנוסף למידע ברצפי הגנים או מכוסים עליו. שני מנגנונים אפיגנטיים כאלה הם השינויים הקוולנטיים של היסטונים בכרומטין ומתילציה של רצפי DNA.

שינוי היסטון

כפי שצוין קודם לכן, שעתוק באיקריוטים מסובך מהעובדה שה-DNA ארוז בהיסטונים לייצור כרומטין. המשמעות היא שכדי לתמלל גן, יש לפתוח את האזורים הרלוונטיים של הכרומטין כדי לאפשר גישה לפולימראז RNA ולגורמי שעתוק. זה מספק נקודת שליטה פוטנציאלית נוספת בביטוי הגנים. גורמי שיפוץ הכרומטין, שהוזכרו קודם לכן, מסייעים בארגון מחדש של מבנה הנוקלאוזום באזורים שצריך להנגיש.

אבל מה קובע שאזור נתון של הכרומטין יפעל על ידי מתחמי השיפוץ? חלבוני מפעיל תעתיק הקשורים למשפרים, לפעמים פועלים על ידי גיוס אנזימים משנים היסטון לאזור האמרגן. דוגמה לאנזים משתנה כזה הוא היסטון אצטיל טרנספראז (HAT) הפועל לאצטילציה של שאריות חומצות אמינו ספציפיות בזנבות ההיסטונים היוצרים את ליבת הנוקלאוזום (איורים 7.119 & 7.120). אצטילציה של היסטונים נחשבת אחראית לשחרור האינטראקציה בין היסטונים ל-DNA בנוקלאוזומים ועוזרת להפוך את ה-DNA לנגיש יותר לשעתוק. ההשפעה ההפוכה עשויה להיות מושגת אם האנזימים שגויסו הם היסטון דיאצטילאזים (HDAC) המסירים קבוצות אצטיל מזנבות ההיסטונים בנוקלאוזום, ומובילים לאריזה הדוקה יותר של הכרומטין.

סופרים, קוראים ומחקים

בנוסף להיסטון אצטיל טרנספראזות ולדיאצטילאזים, אנזימים אחרים עשויים להוסיף או להסיר קבוצות מתיל, קבוצות פוספט ויחידות כימיות אחרות לשרשראות צד ספציפיות של חומצות אמינו בזנבות ההיסטון. הדפוסים של שינויים קוולנטיים אלה, המכונים לפעמים קוד ההיסטון, נקבעים על ידי מה שמכונה "סופרים", או אנזימים, כגון מתילטרנספראזות היסטון, המוסיפים את הקבוצות הכימיות לזנבות ההיסטון. עם זאת, אנזימים אחרים, כמו ההיסטון דמתילאזים, עשויים לפעול כ"מחקים ", ולהסיר את הקבוצות הכימיות שנוספו על ידי" הכותבים". קוד ההיסטון מתפרש על ידי "קוראים", חלבונים הנקשרים לשילובים ספציפיים של השינויים ומסייעים בהשתקת ביטוי הגנים בסביבה או בהפיכת האזור לפעיל יותר מבחינה תעתיק.

מתילציה של DNA

ניתן לווסת את ביטוי הגנים גם על ידי מתילציה של המרכיב האחר של הכרומטין - DNA. אנזימים הנקראים מתיל-טרנספראזות DNA (DNMTs) מזרזים את התוספת הקוולנטית של קבוצת מתיל ל-C5 של ציטוזינים ב-DNA. דפוסי מתילציה של ציטוזינים משתנים באורגניזמים שונים, כאשר מתילציה מרוכזת בחלקים מסוימים של הגנום בקבוצות מסוימות ומפוזרת ברחבי הגנום באחרות. אצל בעלי חוליות, הציטוזינים המתילטים נמצאים בדרך כלל ליד גואנין (הדינוקלאוטיד CG מקוצר בדרך כלל כ-CpG). נראה כי מתילציה של DNA מתואמת עם השתקת גנים בעוד דמתילציה קשורה לשעתוק מוגבר (איור 7.121).

כיצד מתילציה של ה-DNA באתרי CpG מסדירה את ביטוי הגנים? למרות שנצפה כי מידת המתילציה של DNA ליד מקדמים מתואמת עם השתקת גנים, לא ברור כיצד בדיוק מתילציה מביאה לאפקט זה. הוצע כי מתילציה יכולה לחסום את הקישור של חלבונים הדרושים לשעתוק. מתילציה באתרי משפרים עשויה גם למנוע את הקישור של מפעילי תעתיק אליהם.

תצפית מעניינת נוספת היא שנראה כי חלבונים מסוימים הנקשרים לאתרי CpG מתילטים מקיימים אינטראקציה עם דיאצטילאזות היסטון. כפי שצוין לעיל, היסטונים דאצטילאזים מסירים קבוצות אצטיל מהיסטונים, ומקדמים אריזה הדוקה יותר של כרומטין והשתקת תעתיק. לפיכך, מתילציה על DNA פועלת ככל הנראה בשילוב עם שינוי היסטון כדי להשפיע על ביטוי הגנים.

RNAs רגולטוריים

אחת התגליות הבלתי צפויות ביותר בעשורים האחרונים הייתה התפקיד שממלאים RNA בוויסות ביטוי הגנים. ההשקפה הקלאסית לפיה RNA מקודד חלבונים (mRNA) או סייע בסינתזה שלהם (rRNA ו- tRNA) ידועה כיום כהערכה עצומה של הדרכים השונות שבהן RNA מתפקדים בביטוי גנים. כעת ברור של-RNA רגולטורי יש השפעות נרחבות ומשמעותיות על ביטוי גנים, הבנה שחוללה מהפכה בהבנתנו את ויסות הגנים.

מהן כמה מהדרכים שבהן RNA רגולטורי מתפקד כדי לווסת את ביטוי הגנים?

RNAs רגולטוריים קטנים

MicroRNAs (miRNAs) ו- RNA מפריעים קצרים (siRNAs) הם RNA קטנים שאינם מקודדים הפועלים ברמה שלאחר התעתיק כדי לווסת את ביטוי הגנים (איור 7.123 & 7.124). נראה כי RNA אלה משתיקים גנים על ידי זיווג בסיסים עם mRNA מטרה ומסמנים אותם לפירוק, או על ידי חסימת התרגום שלהם. הצורות הפונקציונליות של miRNAs ושל siRNAs הן באורך של 20-30 נוקלאוטידים והן נגזרות על ידי עיבוד מתמלילים ראשוניים ארוכים יותר. miRNAs ו-siRNAs בוגרים פועלים בשיתוף עם מחלקה של חלבונים הנקראים חלבוני ארגונאוט ליצירת קומפלקס השתקת גנים.

מיקרו-רנ"א מתועתקים מגנים ספציפיים על ידי RNA פולימראז II. התמליל העיקרי, המכונה pri-miRNA מתקפל על עצמו ליצירת מבני סיכת שיער דו-גדיליים המבוקעים על ידי RNase בגרעין הנקרא דרושה. התוצרים של מחשוף דרושה, RNA דו-גדילי של בערך 60-70 נוקלאוטידים המכונים pre-miRNA, מיוצאים לציטופלזמה, שם הם מעובדים עוד יותר לאורכי 20-30 נוקלאוטידים קטנים של miRNAs דו-גדילי בוגרים על ידי אנזים המכונה Dicer. דופלקסים RNA של miRNAs אינם תואמים באופן מושלם, ויש להם לולאות ואי התאמות (איור 7.124).

siRNAs נובעים גם מ- RNA דו-גדילי, אך אלה עשויים לנבוע ממקורות אנדוגניים או אקסוגניים (כגון וירוסים). RNAs דו-גדילי אלה מעובדים בציטופלזמה על ידי אותו אנזים, Dicer, המייצר את ה-miRNAs הבוגרים, כדי לייצר את ה-RNAs הקטנים, 20-30 נוקלאוטידים דו-גדילי.

בניגוד ל-miRNAs, ה-siRNAs הבוגרים מזווגים בצורה מושלמת לאורך אורכם.

הרכבת RISC

גם miRNAs וגם siRNAs מורכבים לאחר מכן עם חלבוני ארגונאוט ליצירת קומפלקס השתקה הנקרא RISC (קומפלקס השתקה המושרה על ידי RNA). נזכיר כי גם miRNAs וגם siRNAs הם, בשלב זה דו-גדילי. גדיל אחד של ה- RNA מכונה RNA המדריך, ואילו השני נקרא RNA הנוסע.

במהלך תהליך העמסת ה- RNA על חלבון הארגונאוט, גדיל המדריך של ה- RNA נשאר קשור לחלבון, בעוד גדיל הנוסע מוסר. ה- RNA המדריך הקשור לחלבון ארגונאוט הוא קומפלקס השתקת הגנים הפונקציונלי (איור 7.125).

זיווג בסיסים ספציפי לרצף של ה- RNA המדריך עם mRNA מוביל לפירוק ה- mRNA על ידי חלבון הארגונאוט (במקרה של ה- siRNA) או לדיכוי תרגום ה- mRNA (עבור miRNAs). המידה שבה תהליכים אלה ממלאים תפקיד בוויסות ביטוי הגנים מרשימה. הביטוי של לפחות שליש מכל הגנים האנושיים כבר הוכח כמווסת על ידי miRNAs, מה שמדגים בבירור כי RNA אלה ממלאים תפקיד מרכזי בוויסות הגנים.

RNAs ארוכים שאינם מקודדים

RNAs ארוכים שאינם מקודדים (lncRNAs) הם RNA של יותר מ-200 נוקלאוטידים שאינם מקודדים לחלבונים. חלק מה-RNA הללו נגזרים מרצפי אינטרונים, בעוד שאחרים, המתועתקים מאזורים בין-גניים יוצרים תת-קבוצה של lncRNAs הנקראים lincRNAs (RNAs בין-גניים ארוכים שאינם מקודדים). עם זאת, lncRNAs אחרים מיוצרים כתמלילי אנטי-סנס של גנים מקודדים. 30,000 תמלילים מדהימים בבני אדם נחשבים ל-lncRNAs, אך מעט ידוע על תפקודם. מבין מעט ה- lncRNAs שנחקרו באופן אינטנסיבי, ניכר כי לא כולם מתפקדים באותה צורה. עם זאת, נראה שהם משפיעים על ביטוי הגנים במגוון דרכים, כולל שינוי מבנה הכרומטין, ויסות השחבור או משמשים כפיגומים מבניים להרכבת מתחמי נוקלאופרוטאין. מנגנונים נוספים ללא ספק ייחשפו כאשר RNA מרתקים אלה נחקרים בשנים הבאות.

הסדרת התרגום

הסינתזה של חלבונים תלויה בזמינות של ה-mRNA המקודדים להם. אם mRNA נחסם בקצה 5' שלו, לא ניתן לתרגם אותו. קצב הפירוק של mRNA ישפיע על משך הזמן שיש לכוון את הסינתזה של החלבון שהוא מקודד לו. ביטוי גנים יכול, אם כן, להיות מווסת על ידי מנגנונים המשנים את קצב פירוק ה-mRNA. ויסות התרגום משמש לשליטה בייצור חלבונים רבים. שתי דוגמאות, פריטין וקולטן הטרנספרין, חשובות לאחסון והובלת ברזל בתאים. פריטין הוא חלבון קושר ברזל המסלק אטומי ברזל בתאים כדי למנוע מהם להגיב. כאשר רמות הברזל גבוהות, יש צורך ביותר פריטין מאשר כאשר רמות הברזל נמוכות. כיצד מוסדרים רמות פריטין? ה-5'UTR של ה-mRNA של פריטין מכיל רצף של 28 נוקלאוטידים הנקרא אלמנט תגובת הברזל, או IRE (איור 7.127). כאשר רמות הברזל נמוכות, ה- IRE קשור לחלבון. הנוכחות של החלבון המחייב IRE ב-5'UTR חוסמת תרגום של ה-mRNA של פריטין. עם זאת, אם רמות הברזל גבוהות, הברזל נקשר לחלבון קושר IRE, שעובר שינוי קונפורמטיבי ומתנתק מה- IRE. זה משחרר את קצה ה-5' של ה-mRNA של פריטין להרכבה ותרגום של ריבוזומים, ומייצר יותר פריטין.

החלבון האחר המעורב בהובלת ברזל, קולטן הטרנספרין, נדרש לספיגת ברזל לתאים, כאשר רמות הברזל התוך תאי נמוכות. במקרה של קולטן הטרנספרין, כאשר רמות הברזל נמוכות יש צורך ביותר ממנו. כאשר רמות הברזל גבוהות, אין צורך לייצר יותר קולטן טרנספרין. ל-mRNA המקודד לקולטן הטרנספרין יש גם רצפי IRE, אך במקרה זה, ה-IRE ממוקם ב-3'UTR של התמליל (איור 7.128). ה- IRE, כמו במקרה של פריטין, קשור לחלבון קושר IRE. כאשר רמות הברזל בתא גבוהות, הברזל קושר את החלבון המחייב IRE, שמתנתק מה- IRE. זה משאיר את ה-3'UTR רגיש להתקפה על ידי RNases, מה שמוביל לפירוק ה-mRNA של קולטן הטרנספרין. בזמנים שבהם רמות הברזל נמוכות, החלבון הקושר ל-IRE נשאר קשור ל-3' UTR של ה-mRNA, מייצב אותו ומאפשר ליצור יותר קולטן טרנספרין על ידי תרגום.

ביטוי גנים נשלט בשלבים רבים

כפי שניתן לראות מהדוגמאות בסעיף זה, ויסות ביטוי הגנים בתאים אוקריוטיים הוא פונקציה של מספר מנגנונים הפועלים בשלבים שונים בזרימת המידע מ- DNA לחלבון, המגיבים למצב הפנימי של התא וכן תנאים ואותות חיצוניים.

עיבוד מידע: ביטוי גנים

803

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

804

איור 7.102 - רמות מרובות של שליטה בביטוי גנים

ויקיפדיה

805

איור 7.103 - גנים פרוקריוטיים המאורגנים באופרון

ויקיפדיה

איור 7.104 - אתרי קישור לחלבון באזור הרגולטורי lac

תמונה על ידי מרתה בייקר

למידה אינטראקטיבית

מודול

פה

806

איור 7.105 - מבנה ומוצרי אופרון לאק

תמונה על ידי מרתה בייקר

איור 7.106 - לאק אופרון בהיעדר (אמצע) ונוכחות (תחתונה) של מעורר

תמונה על ידי מרתה בייקר

807

איור 7.107 - אלולקטוז (למעלה) ולקטוז (למטה)

איור 7.108 - CAP (כחול) קשור ל-DNA הסמוך למקדם lac (כתום). cAMP מוצג בוורוד.

ויקיפדיה

איור 7.109 - לאק אופרון בנוכחות (למעלה) והיעדר (תחתון) של גלוקוז

תמונה על ידי מרתה בייקר

808

איור 7.110 - מבנה וויסות האופרון trp

ויקיפדיה

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

809

איור 7.111 - הנחתה בוויסות האופרון trp

ויקיפדיה

איור 7.112 - רצף אזור המנהיג של האופרון trp

XX אוגוסט AAA GCA AUC גואה קאג AAA GGU UGG UGG CGC ACU UCC UGA -XX

עם לי אלה איל פה ואל ליי ליס גלי TRP TRP ARG THR SER STOP

810

איור 7.113 - תכונות ריבוסוויץ '

811

איור 7.114 - רצפים רגולטוריים לגן אוקריוטי

ויקיפדיה

812

איור 7.115 - לולאת DNA מאפשרת מגע בין מפעיל הקשור במשפר רחוק לבין קומפלקס השעתוק הבסיסי

תמונה על ידי מרתה בייקר

813

איור 7.116 - גורמי שעתוק בוויסות שעתוק אוקריוטי

ויקיפדיה

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

814

איור 7.117 - קישור של חלבון c-myc לרצף ה-DNA היעד שלו

ויקיפדיה

איור 7.118 מפעילים הקשורים במספר אתרים יכולים לווסת את התעתיק ממקדם נתון

אופנסטקס

815

איור 7.119 - הפעלה תעתיק (מימין) והשבתה (משמאל) על ידי שינוי היסטון

ויקיפדיה

816

איור 7.120 - תצורת הכרומטין משפיעה על התעתיק

ויקיפדיה

למידה אינטראקטיבית

מודול

פה

817

איור 7.121 - ביטול שעתוק על ידי מתילציה של CpG

תמונה על ידי אינדירה רג'גופל

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

818

איור 7.122 - שינויים אפיגנטיים באמצעות שינוי היסטון ו-DNA

819

איור 7.123 - miRNAs מתפקדים בוויסות ביטוי הגנים

ויקיפדיה

איור 7.124 מבני סיכת ראש טרום מירנה עם miRNAs המדריך הבוגר המוצגים באדום

ויקיפדיה

820

איור 7.125 - השתקת גנים על ידי siRNA

תמונה על ידי פהר ג'ייקובסון

821

איור 7.126 - דופלקס siRNA מעובד עם זיווג בסיסים מושלם, פוספטים 5' ושני בסיסים תלויים בכל קצה 3'

822

איור 7.127 -ויסות תרגום mRNA של פריטין

תמונה על ידי אליה קים

הרצאות ביוטיוב

מאת קווין

כאן & כאן

823

איור 7.128 -ויסות תרגום mRNA של קולטן טרנספרין

תמונה על ידי אליה קים

תמונות גרפיות בספר זה היו תוצרים של עבודתם של כמה תלמידים מוכשרים. קישורים לדפי האינטרנט שלהם נמצאים למטה

לחץ כאן עבור

מרתה בייקר

דף אינטרנט

לחץ כאן עבור

של פהר ג'ייקובסון

דף אינטרנט

לחץ כאן עבור

של אליה קים

דף אינטרנט

לחץ כאן עבור

של פנלופה אירווינג

דף אינטרנט

ערכת בעיות הקשורה לסעיף זה כאן

סיכום נקודה אחר נקודה של סעיף זה כאן

לקבלת תעודה לשליטה בחלק זה של הספר, לחץ כאן

קורסי iTunes U בחינם של קווין אהרן - בית ספר בסיסי/רפואה/מתקדם

ביוכימיה חינם וקל (הספר האחר שלנו) כאה/עמוד פייסבוק

המדריך של קווין ואינדירה להיכנס לבית הספר לרפואה - קורס U של iTunes /ספר

כדי לראות קורסים בקמפוס OSU של קווין אהרן - BB 350/BB 450/BB 451

להרשמה לקורסי קמפוס OSU של קווין אהרן - BB 350 /BB 450/BB 451

ביוכימיה חינם לכל עמוד הפייסבוק (אנא עשו לנו לייק)

דף האינטרנט של קווין אהרן/עמוד הפייסבוק/דף האינטרנט של טרלין טאן

ההורדות החינמיות של קווין אהרן כאן

התוכנית לביוכימיה/ביופיזיקה של OSU כאן

המכללה למדעים של OSU כאן

אוניברסיטת אורגון סטייט כאן

שלח דוא"ל לקווין אהרן/אינדירה רג'גופל/טרלין טאן

אלוהים יברך את המתחמים האלה

למנגינה של "אלוהים יברך את אמריקה"

אתר מנגינות מטבוליות כאן

כל המידע ב

DNA של תאים

רק מגביר

עם חתיכות

מעורב ומתאים ב- mRNA

קישור אקסונים

כולם ביחד

שימוש בסנורפים ב

מורכב-ES

אלוהים יברך את הספליזוזומים

וטרנס-קריפ-טומס

(איטי וקולני) אלוהים יברך את הספליזוזומים

וה- ge-nome שלי

פרטי התוכנית שלך הם

ב- DNA

מכיוון שאתה צריך את זה

הגהה את זה

או שתשתנה את ה-mRNA

אתה יכול לתרגם

כל הקודונים

עם דור התאים

קוד et-ic

אלוהים יברך את הריבוזומים

הם מתרגמים קוד

(איטי ורם) אלוהים יברך את הריבוזומים

ופרוטאומים

הקלטה מאת דיוויד סימונס

מילים על ידי קווין אהרן
הקלטה על ידי דוד סימונס מילים על ידי קווין אהרן

ספר החיים

למנגינה של "מבט האהבה"

אתר מנגינות מטבוליות כאן

ספר החיים - חומר החלומות

נמצא בכל מקום, נראה

ספר החיים, הוא ביוכימיה ו

מילותיו מתמלאות כל יום

בדיוק מה שהוא אומר כתוב ב- DNA

אני רק רוצה להכיר את זה

איך המידע מקודד

מה הם כל הסודות?

ריבוזומים יכולים לקרוא את זה

אלוהים יודע שזה נחוץ

וכך האלף-בית שלה

בצורות קודון

לתולעי ספרים של ריבוזום

הם קראו את זה נכון

תפקודו של חלבון לרצף שלו תואם

זה לא רק קשרי פפטיד שנוצרו באופן אקראי

איזה פלא של יצירה, איך הם עושים תרגום

של שרשראות M-R-n-A,

שימוש בפיסות גליצין

פרולין וקצת ליסין

תרגם את הקוד

אינסטרומנטלי

אני פשוט מתפעל מהידע

'שקיבלתי בקולג

ללמוד את כל הסודות

חללי סליל כפולים

בסיסים משלימים

פירמידינים

מזווג לפורינים

ספר החיים

הקלטה מאת קרול אדריאן סמית

מילים על ידי קווין אהרן
הקלטה על ידי קרול אדריאן סמית מילים על ידי קווין אהרן