16.3: Udhibiti wa jeni ya Eukaryotic Epigenetic

Last updated
Save as PDF

Page ID: 176426

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Ujuzi wa Kuendeleza

Eleza mchakato wa kanuni za epigenetic
Eleza jinsi upatikanaji wa DNA unadhibitiwa na muundo histone

Usemi wa jeni wa Eukaryotiki ni ngumu zaidi kuliko kujieleza kwa jeni ya prokaryotiki kwa sababu michakato ya transcription na tafsiri hutenganishwa kimwili. Tofauti na seli za prokaryotiki, seli za eukaryotiki zinaweza kudhibiti usemi wa jeni katika ngazi mbalimbali. Eukaryotic jeni kujieleza huanza na udhibiti wa upatikanaji wa DNA. Aina hii ya udhibiti, inayoitwa kanuni ya epigenetic, hutokea hata kabla ya transcription kuanzishwa.

Udhibiti wa Epigenetic: Kudhibiti Upatikanaji wa Jeni ndani ya Chromosome

Jenomu ya binadamu inajumuisha jeni zaidi ya 20,000; kila moja ya jozi 23 za kromosomu za binadamu zinajumuisha maelfu ya jeni. DNA katika kiini ni jeraha, iliyopigwa, na imeunganishwa kwenye chromosomes ili iweze kuingia ndani ya kiini. Pia imeandaliwa ili makundi maalum yanaweza kupatikana kama inahitajika na aina maalum ya seli.

Ngazi ya kwanza ya shirika, au kufunga, ni vilima vya DNA vinavyozunguka protini za histone. Mfuko wa Histones na utaratibu wa DNA katika vitengo vya miundo inayoitwa complexes ya nucleosome, ambayo inaweza kudhibiti upatikanaji wa protini kwenye mikoa ya DNA (Kielelezo\(\PageIndex{1}\) a). Chini ya darubini ya elektroni, upepo huu wa DNA karibu na protini za histone kuunda nucleosomes inaonekana kama shanga ndogo kwenye kamba (Kielelezo\(\PageIndex{1}\) b). Shanga hizi (protini za histone) zinaweza kusonga kando ya kamba (DNA) na kubadilisha muundo wa molekuli.

Sehemu ya A inaonyesha nucleosome linajumuisha protini za histone za spherical ambazo zinaunganishwa pamoja. Helix ya DNA iliyopigwa mara mbili huzunguka nucleosome mara mbili. DNA ya bure inaenea kutoka mwisho wa nucleosome. Sehemu ya B ni micrograph ya elektroni ya DNA inayohusishwa na nucleosomu. Kila nucleosome inaonekana kama bead. Shanga zinaunganishwa pamoja na DNA ya bure. Shanga tisa zilizopigwa pamoja ni takriban 150 nm kote. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): DNA ni folded karibu protini histone kujenga (a) complexes nucleosome. Nucleosomes hizi hudhibiti upatikanaji wa protini kwenye DNA ya msingi. Inapotazamwa kupitia darubini ya elektroni (b), nucleosomes inaonekana kama shanga kwenye kamba. (mikopo “micrograph”: mabadiliko ya kazi na Chris Woodcock)

Kama DNA encoding jeni maalum ni kuwa transcribed katika RNA, nucleosomes jirani kwamba mkoa wa DNA inaweza slide chini DNA kufungua eneo maalum kromosomu na kuruhusu mashine transcriptional (RNA polymerase) kuanzisha transcription (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Nucleosomu zinaweza kuhamia kufungua muundo wa kromosomu ili kufichua sehemu ya DNA, lakini fanya hivyo kwa namna ya kudhibitiwa sana.

Sanaa Connection

Nucleosomes zinaonyeshwa kama miundo kama gurudumu. Nucleosomu zinajumuishwa na histones, na zina DNA zimefungwa nje. Kila histone ina mkia kwamba tu nje kutoka gurudumu. Wakati DNA na mkia wa histone ni methilated, nucleosomes huingiza kwa pamoja kwa hiyo hakuna DNA huru. Sababu za uandishi haziwezi kumfunga, na jeni hazielezeki. Acetylation ya mkia wa histone husababisha kufunga kwa kasi ya nucleosomes. DNA ya bure inaonekana kati ya nucleosomes, na mambo ya transcription yanaweza kumfunga jeni kwenye DNA hii iliyo wazi. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Nucleosomes inaweza slide pamoja DNA. Wakati nucleosomes zimewekwa kwa karibu pamoja (juu), mambo ya transcription hayawezi kumfunga na kujieleza kwa jeni huzima. Wakati nucleosomes ni spaced mbali mbali (chini), DNA ni wazi. Sababu za usajili zinaweza kumfunga, kuruhusu kujieleza kwa jeni kutokea. Marekebisho ya histones na DNA huathiri nafasi ya nucleosome.

Katika wanawake, moja ya chromosomes mbili za X hazipatikani wakati wa maendeleo ya embryonic kwa sababu ya mabadiliko ya epigenetic kwa chromatin. Unafikiri mabadiliko haya yatakuwa na athari gani kwenye kufunga kwa nucleosome?

Jinsi protini za histone zinazohamia zinategemea ishara zilizopatikana kwenye protini zote za histone na kwenye DNA. Ishara hizi ni vitambulisho vilivyoongezwa kwa protini za histone na DNA zinazosema histones ikiwa kanda ya chromosomal inapaswa kufunguliwa au kufungwa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) inaonyesha marekebisho ya protini za histone na DNA). Vitambulisho hivi si vya kudumu, lakini vinaweza kuongezwa au kuondolewa kama inahitajika. Wao ni marekebisho ya kemikali (phosphate, methyl, au makundi ya acetyl) ambayo yanaunganishwa na asidi amino maalum katika protini au kwa nucleotides ya DNA. Vitambulisho havibadili mlolongo wa msingi wa DNA, lakini hubadilisha jinsi tightly jeraha DNA ni kuzunguka protini histone. DNA ni molekuli yenye kushtakiwa vibaya; kwa hiyo, mabadiliko katika malipo ya histone yatabadilika jinsi tightly jeraha molekuli ya DNA itakuwa. Wakati hazijabadilishwa, protini za histone zina chaji kubwa; kwa kuongeza marekebisho ya kemikali kama vikundi vya asetili, malipo huwa chini ya chanya.

Molekuli ya DNA yenyewe pia inaweza kubadilishwa. Hii hutokea ndani ya mikoa maalum sana inayoitwa visiwa vya CpG. Hizi ni stretches na frequency ya juu ya cytosine na guanine dinucleotide DNA jozi (CG) kupatikana katika mikoa promoter ya jeni. Wakati usanidi huu upo, mwanachama wa cytosine wa jozi anaweza kuwa methylated (kikundi cha methyl kinaongezwa). Urekebishaji huu unabadilisha jinsi DNA inavyoingiliana na protini, ikiwa ni pamoja na protini za histone zinazodhibiti upatikanaji wa kanda. Mikoa ya DNA yenye methylated (hypermethylated) yenye histones ya deacetylated ni tightly coiled na transcriptionally inaktiv.

Mchoro unaonyesha kromosomu ambayo ni sehemu ya unraveled na kukuzwa, akifunua protini histone jeraha kuzunguka DNA helix mara mbili. Histones ni protini karibu ambayo DNA upepo kwa compaction na kanuni jeni. Methylation ya DNA na mabadiliko ya kemikali ya mikia ya histone hujulikana kama mabadiliko ya epigenetic. Mabadiliko ya Epigenetic hubadilisha nafasi ya nucleosomes na kubadilisha kujieleza kwa jeni. Mabadiliko ya epigenetic yanaweza kusababisha kutokana na maendeleo, ama katika utero au utoto, kemikali za mazingira, madawa ya kulevya, kuzeeka, au chakula. Mabadiliko Epigenetic inaweza kusababisha kansa, ugonjwa autoimmune, matatizo ya akili, na ugonjwa wa kisukari. — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Protini za Histone na nucleotides ya DNA zinaweza kubadilishwa kemikali. Marekebisho huathiri nafasi ya nucleosome na kujieleza jeni. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NIH)

Aina hii ya udhibiti wa jeni inaitwa kanuni ya epigenetic. Epigenetic ina maana “karibu na genetics.” Mabadiliko yanayotokea kwa protini za histone na DNA hazibadili mlolongo wa nucleotidi na si wa kudumu. Badala yake, mabadiliko haya ni ya muda (ingawa mara nyingi yanaendelea kupitia raundi nyingi za mgawanyiko wa seli) na kubadilisha muundo wa chromosomal (kufunguliwa au kufungwa) kama inahitajika. Jeni linaweza kugeuka au kuzima kulingana na mahali na marekebisho ya protini za histone na DNA. Ikiwa jeni itasajiliwa, protini za histone na DNA zinabadilishwa zinazozunguka eneo la kromosomal encoding hiyo jeni. Hii inafungua kanda ya chromosomal kuruhusu upatikanaji wa polymerase ya RNA na protini nyingine, inayoitwa sababu za transcription, kumfunga kwa mkoa wa promoter, iko tu juu ya mto wa jeni, na kuanzisha transcription. Ikiwa jeni itabaki imezimwa, au imesimamishwa, protini za histone na DNA zina marekebisho tofauti ambayo yanaashiria usanidi wa kromosomu uliofungwa. Katika usanidi huu uliofungwa, polymerase ya RNA na mambo ya transcription hawana upatikanaji wa DNA na transcription haiwezi kutokea (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Unganisha na Kujifunza

Tazama video hii inayoelezea jinsi kanuni za epigenetic zinazodhibiti usemi wa jeni.

Muhtasari

Katika seli za eukaryotic, hatua ya kwanza ya udhibiti wa kujieleza jeni hutokea katika ngazi ya epigenetic. Taratibu za epigenetiki hudhibiti upatikanaji wa eneo la kromosomu ili kuruhusu jeni kugeuka au kuzima. Taratibu hizi hudhibiti jinsi DNA inavyojaa ndani ya kiini kwa kusimamia jinsi tightly DNA inavyojeruhiwa kuzunguka protini za histone. Kuongezewa au kuondolewa kwa marekebisho ya kemikali (au bendera) kwa protini za histone au ishara za DNA kwa seli kufungua au kufunga kanda ya kromosomu. Kwa hiyo, seli za eukaryotiki zinaweza kudhibiti iwapo jeni inaonyeshwa kwa kudhibiti upatikanaji wa mambo ya transcription na kumfunga kwa polymerase ya RNA kuanzisha transcription.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Katika wanawake, mojawapo ya chromosomes mbili za X hazipatikani wakati wa maendeleo ya embryonic kwa sababu ya mabadiliko ya epigenetic kwa chromatin. Unafikiri mabadiliko haya yatakuwa na athari gani kwenye kufunga kwa nucleosome?

Jibu: Nucleosomes ingekuwa pakiti zaidi tightly pamoja.

faharasa

sababu ya transcription: protini ambayo hufunga kwa DNA katika mkoa wa promoter au enhancer na kwamba huathiri transcription ya gene