BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X...

11
BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X Reglarea activităţii genelor

Transcript of BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X...

Page 1: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

BIOLOGIE GENERALĂ

- moleculară şi celulară -

CURS XReglarea activităţii genelor

Page 2: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Nu toate genele din genom sunt active

Genomul uman conţine 25 – 35 000 de gene ce codifică proteine.

Ramsköld D, Wang ET, Burge CB, Sandberg R (2009) An Abundance of Ubiquitously Expressed Genes Revealed by Tissue Transcriptome Sequence Data. PLoS Comput Biol 5(12): e1000598. doi:10.1371/journal.pcbi.1000598

8000 de gene sunt active simultan în celulele tuturor ţesuturilor.Ce rol au celelalte gene? De ce apar diferenţe de la ţesut la ţesut?

Număr de gene exprimate

Hepatocit - aprox. 11 000 gene active

Adipocit - aprox. 12 500 gene sunt active

8000 de gene sunt comune

Page 3: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Expresia genelor – definiţie şi nivele de acţiune

O genă este activă doar când informaţia pe care o conţine este accesată şi copiată în ARN – când gena este exprimată.

Reglarea şi controlul expresiei genelor se realizeză la nivele diferite:

1 reglarea transcrierii2 reglarea modificării post-transcriere a ARN-ului3 reglarea traducerii mesajului genetic

Expresia genelor – procesul prin care informaţia de pe o genă este folosită pentru a sintetiza un produs funcţional – o proteină sau moleculă ARN.

Cromozom

Gene active

Page 4: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Reglarea activităţii genelor – controlul transcrierii

Pentru ca o genă să fie transcrisă este necesar ca ARN-polimeraza să se lege de promotorul specific al genei respective.

Interacţiunea ARN-polimerază / promotor este modulată prin intermediul unor proteine reglatoare ce interacţioneză cu ADN-ul şi care: - blochează promotorul şi împiedică transcrierea - represori- facilitiează formarea asocierii promotor / polimerază şi activează transcrierea-activatori

Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de a recunoaşte secvenţe specifice 10-15 nucleotide (secvenţe reglatoare) fără a fi necesară despiralizarea moleculei de ADN. Aceste proteine ''citesc'' molecula de ADN la nivelul santului mare prin intermediul unor motive specifice numite motive de legare a ADN-ului:

1. Motivul helix-turn-helix – două poţiuni helicale amplasate aproape perpendicular una pe cealaltă şi conectate printr-un segment scurt. Una dintre zonele helicale intră în sanţul mare unde citeşte ADN-ul - helix de recunoaştere

helix de recunoaştere

Page 5: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

2. Motivul ''Degetul de Zn'' – atomii de Zn leagă o zonă -helicală de 2 zone -pliate în asa fel încât zone helicală pătrunde în sanţul mare.

Motive proteice de legare a ADN-ului

3. Motivul ''Fermoarul de Leucină'' – 2 regiuni distincte din molecula proteică ce conţin resturi numeroase de Leu interacţionoeză şi formează o structură asemănătoare unui Y, braţele fiind cele două zone ce pătrund în sanţul mare şi citesc ADN-ul.

helix-turn-helix Degetul de Zn Fermoarul de Leucină

Page 6: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Controlul transcrierii la procariote

1. Controlul prin intermediul represorilor - în special pentru controlul genelor implicate în procesele biosintetice (anabolism)Operonul trp ● - conţine cinci gene ce codifică enzimele necesare sintezei triptofanului şi care sunt transcrise

simultan sub forma unei singure molecule de ARNm (alcătuiesc un operon). Genele trebuie exprimate când nu există triptofan în celulă şi oprite când acesta se acumulează.

● - în amonte de aceste gene se află un promotor în interiorul căruia există o secvenţă reglatoare numită secvenţă operator.

● - secvenţa operator este recunoscută de un represor proteic. Gena pentru represor este amplasată în afara operonului, iar represorul este sintetizat inactiv – nu poate recunoaşte şi interacţiona cu ADN-ul. În prezenţa triptofanului, represorul se activează şi cele 2 motive helix-turn-helix pe care le conţine pot interacţiona cu ADN-ul.

Motive helix-turn-helix

Represor inactiv

Represor activ

Triptofan

Page 7: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Promotor

operator

1. triptofanul lipseşte

2. triptofanul este prezent

Represor inactivARN - polimerază

Funcţionarea operonului trp:1. Dacă în celulă nu există triptofan – represorul este inactiv, ARN-polimeraza se fixeaxă de promotor şi se produce ARNm şi apoi enzime – operonul este activ2. Dacă în celulă există triptofan – acesta interacţionează cu represorul şi il activează – represorul se leagă de secvenţa operator şi ARN polimeraza nu se mai poate lega de promotor – transcrierea încetează – operonul este inactiv

Controlul transcrierii la procariote

Represor activ

Triptofan

Gene active

Gene inactive

Page 8: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Controlul transcrierii la procariote

2. Controlul prin intermediul activatorilor- în special pentru controlul genelor implicate în procesele de bio-degradare (catabolism)- în acest caz, promotorii sunt slabi şi nu pot lega ARN-polimeraza.- moleculele proteice activator se legă de secvenţe de control şi facilitează interacţiunea ARN-pol cu ADN

Exemplu de activatori şi funcţionarea lor: ● proteina CAP (catabolite activator protein) – iniţiază transcriere genelor ce permit celulei de E.coli să degradeze

diverse substrate când nu există glucoză. CAP este produsă inactivă, însă poate fi activată de AMPc. Când concentraţia glucozei în celulă scade, ATP-ul este consumat şi se produce AMPc. Acesta activează CAP ce se leagă şi activează diverse gene catabolice precum genele pentru metabolismul lactozei.

Operonul lac – un exemplu de control dublu în care sunt implicaţi atât un represor cât şi un activator● - conţine 3 gene ce codifică enzimele necesare degradării lactozei în glucoză şi galactoză. Trebuie

să fie activ doar când există lactoză în mediu dar nu şi glucoză.

● - promotorul este încadrat de două secvenţe de control: un operator pentru represorul lac - în aval de promotorun situs de legare pentru CAP – în amonte de promotor

● - represorul lac este sintetizat activ si se poate lega de molecula de ADN la nivelul operatorului său.

situs de legare pentru CAP operator

-galactozidază

Gena pentru

represorul lac

permează

transacetilază

Operonul lac

Page 9: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Controlul transcrierii la procariote

Funcţionarea operonului lac1. Dacă în celulă există glucoză – nu există AMPc deci CAP este inactivă şi ARN-polimeraza nu poate iniţia transcrierea – operonul este inactiv2. Dacă în celulă nu există glucoză (a fost consumată) – se acumulează AMPc şi deci CAP se activează – ARN-polimeraza se poate lega de promotor. 2A. Dacă în celulă nu există lactoză, represorul lac activ este legat de secvenţa operatoare şi ARN-polimeraza nu poate înainta – operonul este represat2B. Dacă în celulă există lactoză - represorul lac este inactivat, se desprinde de pe secvenţa operatoare şi ARN-polimeraza poate înainta, genele sunt transcrise şi operonul este activ – operonul este indus (lactoza este inductor, poate induce expresia operonului lac)

operonul lac represat

operonul lac indus

Represor activ

Lactoza în represorul inactiv

OperatorPromotor

Promotor Operator

AMPc

Page 10: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Controlul transcrierii la eucariote

Aceleaşi principii de bază de funcţionare a activatorilor şi represorilor sunt valabile şi la eucariote. Controlul transcrierii este de asemenea completat prin :

1. Existenţa unui mecanism de control de la distantă prin intermediul regiunilor amplificatoare – secvenţe amplasate la distanţă mare de gena de interes ce îi pot influenţa expresia. Complexul de proteine necesar activării transcrierii unei gene eucariote include şi proteine activatoare ce interacţioneză cu aceste regiuni.

2. Împachetarea ADN-ului în fibre de cromatină – asocierea histonelor cu regiunile promotor duce la imposbilitatea realizării complexului promotor / ARN-polimerază.

3. Metilarea ADN-ului la nivelul citozinei cu formarea 5-metil citozinei – un mecanism de inactivare suplimentară a genelor, prin care celulele se asigură că genele inactive rămân inactive în orice condiţii.

De c e este nevoie de aceste mecanime suplimentare de reglaj?

Page 11: BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS X ...marius.mihasan/teaching/pdfs/general_biology... · Proteinele reglatoare au capacitatea de a interacţiona cu ADN şi de

Controlul activităţii genelor post-transcriere la eucariote

Principalul mecanism de reglare a activității genelor este la nivelul transcrierii. Pentru unele gene însă, reglajul activității se realizează și după transcriere și poate implica diverse nivele:

1. procesarea copiei primare a mesajului în cadrul procesului de maturare a ARNm – splicing. În aces mecanism sunt implicate o serie de ribonucleo-proteine nucleare de dimensiuni mici numite snRNPs (snurps) ce conțin molecule de ARN specific (snRNA) și care alcătuiesc spliceosomul. Ex: aceasi genă codifică atât hormonul proteic calcitonină produs de tiroida cat și CGRP produs în hipotalamus. Produsul rezultat este stabilit în spliceosom, unde are loc ansamblarea specifică a exonilor pentru a forma hormonul dorit.2. transportului prin porii nucleari – în medie 10% din secvențele transcrise în nucleu sunt exoni în doar 5% ajung în citoplasmă – trebuie să existe un mecanism de control la acest nivel dar care nu este încă cunoscut

3. traducerea selectivă a ARNm – în cazul feritinei (proteină ce leagă fierul) molecula de ARNm interactionează cu aconitaza si formează la capătul 5' un complex ce împiedică legarea ribosomului și traducerea mesajului genetic. Dacă în celulă crește conc. de Fe, aconitaza se desprinde și traducerea poate începe crescându-se nivelul de feritină de 100 ori.

4. degradarea selectivă a ARNm