Regulacija ekspresije gena 2
Sadržaj
Kontrola transporta iRNA
Kontrola transporta iRNA obuhvata mehanizme koji određuju koje zrele iRNA će se transportovati iz jedra u citoplazmu, pri čemu samo oko 5% od svih zrelih iRNA dospeva u citoplazmu. U ćeliji, RNA je od samog poćetka sinteze, pa sve do kraja svog životnog veka vezana za proteine za ribonukleoproteinske komplekse – RNP. Mnogi od proteina iz ovih kompleksa su veoma očuvani u toku evolucije, što ukazuje na njihov univerzalni biološki značaj, koji se po svemu sudeći, sastoji upravo u regulaciji transporta iRNA iz jedra u citoplazmu i njihove stabilnosti.
Kontrola translacije
Translacija (biosinteza proteina) obuhvata tri osnovne faze kontrolisane grupom različitih translacionih faktora.
- Inicijacija
Kod prokariota učestvuju tri inicijaciona faktora. Kao i ostali proteinski faktori translacije oni spadaju u kategoriju uslovno ribozomskih proteina, jer su vezani za ribozome samo u toku određenih faza translacije. U toku vezivanja velike subjedinice ribozoma za 30S inicijacioni kompleks inicijacioni faktori disosuju i više nemaju nikakvog uticaja na proces elongacije polipeptidnog lanca. Ta tri faktora su: IF-1 čija uloga još uvek nije sasvim jasna. Smatra se da on potpomaže delovanje IF-3, a pored toga da ima važnu ulogu u oslobađanju IF-2. IF-2 učestvuje u vezivanju inicijatorske tRNA za nekomplementarno P mesto na 30S subjedinici. On formira kompleks isključivo sa fMet-tRNA i na taj način obezbeđuje da samo inicijatorska tRNA može da učestvuje u inicijaciji. Pored toga on dovodi i do hidrolize GTP-a. IF-3 ima dvostruku ulogu: neophodan je za vezivanje male subjedinice za određeno mesto na iRNA i učestvuje u disacocijaciji ribozoma na subjedinice tj. kontroliše količinu slobodnih 30S subjedinica. Kod eukariota inicijacioni faktori su brojniji i kompleksniji nego kod prokariota iako obavljaju iste osnovne funkcije. Do sada je identifikovano više od 10 različitih inicijacionih faktora. Međutim, najbolje proučen faktor inicijacije kod eukariota je eIF-2 koji vezuje GTP, a zajedno sa njim i Met-tRNA.
- Elongacija
Vezivanje aminoacil-tRNA se odvija uz pomoć elongacionog faktora EF-T kod prokariota, odnosno EF-1 kod eukariota. Ovaj faktor je vezan za ribozom samo do trenutka dok se aminoacil-tRNA ne veže za A mesto, a zatim odmah napušta ribozom i vezuje se za drugu aminoacil-tRNA. U drugoj fazi, vezivanje kompleksa elongacionog faktora EF-G sa GTP-om dovodi do toga da se tRNA zajedno sa iRNA pomere u odnosu na malu subjedinicu tako da se peptidil-tRNA nađe u P mestu na obe subjedinice ribozoma, a deacilovana tRNA u E mestu na velikoj subjedinici. Interesantno je da ribozomi ne može da veže istovremeno i EF-T i EF-G tako da se elongacija odvija uz alternativno vezivanje i oslobađanje ovih faktora.
- Terminacija
Kada se jedan od stop kodona (UAA, UAG ili UGA) nađe u A mestu za njega se vezuje protein nazvan terminacionim faktorom. Kod prokariota postoje tri terminaciona faktora: RF-1, RF-2, RF-3. RF-1 prepoznaje stop kodone UAA i UAG, RF-2 prepoznaje UAA i UGA, a RF-3 vezuje GTP i stimuliše aktivnost prva dva faktora. Kod eukariota postoji samo jedan faktor terminacije označen kao eRF.
Kotrola degradacije iRNA
Neke RNA opstaju satima ili danima dok se druge degradiraju već pola sata pošto su dospele u citoplazmu. Na stabilnost iRNA utiče poli-A rep na 3'-kraju koji sadrže skoro sve eukariotske iRNA. takođe na iRNA utiče i karakterističan niz nukleotida u 3' nekodirajućem delu iRNA u kome se često nalazi duplet AU koji utiče na ubrzanu degradaciju. U nekim slučajevima, degradacija iRNA je kontrolisana hormonima, tako da u zavisnosti od hormonskog statusa životinje jedna ista iRNA može imati različit poluživot.
Kontola aktivnosti proteina
Obuhvata posttranslacionu kontrolu tj. mehanizme za kovalentnu modifikaciju sintetisanih proteina i njihovog prevođenja u biološki aktivan oblik (slika 7). Najzastupljeniji tip je proteolitičko uklanjanje vodećeg metionina (formilmetionina) sa NH2-kraja polipeptida Česta modifikacija je i ograničena proteoliza tokom koje se inaktivni proteinski prekursori uklanjanjem određenih oligopeptida ili polipeptida prevode u aktivne proteine. Mnogi transmembranski i proteini namenjeni sekreciji sintetišu se sa tzv. signalnim peptidima na NH2-kraju koje uklanjaju specifične peptidaze. Poznato je takođe više od 150 različitih kovalentnih modifikacija aminokiselinskih bočnih grupa od kojih su najčešće: fosforilacije, acetilacija, glikozilacija, hidroksilacija i metilacija. Posttranslacione modifikacije proteina uključuju i vezivanje koenzima za proteinske komponente enzima. Ove modifikacije su ireverzibilne.
Kombinatorna kontrola ekspresije genoma
Genom sadrži sve informcije potrebne za rast, razvice i funkcionalnu specifikaciju. U svakoj ćeliji nekog multicelularnog organizma se nalazi ista količina genetskog materijala čija je primarna struktura identična. To je potvrđeno mnogim eksperimentima. Ako se mikropipetom iz oplođene jajne ćelije žabe izvadi jedro, pa se u ovakvu enukleiranu ćeliju unese jedro neke od ćelija blastul ili gastrule, u najvećem broju eksperimenata jajna ćelija počinje da se brazda i normalno se razvija (slika 8).
Ovim eksperimentom je dokazano da sve ćelije sadrze istu DNA , ali kako se onda u tom organizmu javlja više tipova ćelija koje imaju različit put razvoja, različitu morfologiju i funkciju? Pre nego sto je dokazano da sve ćelije sadrze istu DNA , smatralo se da se pri razvoju organizma u ćelijama gube geni i da iz toga proizilazi razlicita morfologija i funkcija ćelija jednog organizma. Sada se zna da se geni selektivno ekspresuju i da se ne gube u toku razvoja i diferencijacije ćelije. Da regulacija ekspresije gena zaista postoji može se dokazati poređenjem kompozicije proteina u razlicitim tipovma ćelija istog organizma. Ćelije mozga, epidermisa, mišićne i dr. ćelije sadrze u sebi različite proteine iako imaju identicne molekule DNA, sa naravno identicnim genomom. Kako su proteini produkti ekspresije gena, iz ovoga se može zaključiti da se u svim celijama ne ekspresuju isti geni. Naravno, postoje mnogi proteini koji se nalaze u različitim ćelijama istog organizma. To su proteini koji se sintetišu sa KONSTITUTIVNIH GENA tj. gena koji su uvek aktivirani. Na primer to su geni sa kojih se sintetisu gen-regulatorni proteini . Mnogi ćelijski procesi su slični u različitim tipovima ćelija. U svakoj ćeliji postoji mala količina specijalizovanih proteina, koji tu ćeliju čini drugacijom od ostalih. Ovi proteini se sintetisu sa INDUCIBILNIH GENA koji se aktiviraju samo ponekad i to u prisustvu specifičnih jedinjenja ili induktora.Tipična sisarska ćelija ekspresuje oko 10 000 gena od postojećih 60 000 gena. Znači, upravo ta ekspresija različitih setova gena u svakoj ćeliji dovodi do razlike u velicini, obliku i funkciji potpuno diferenciranih ćelija organizma. Kako dolazi do kontrole ekspresije gena??? Na primer, kod čoveka postoji 250 osnovnih tipova ćelija. Dolazi se do zaključka da su u različitim ćelijama aktivirani različiti geni, i da postoje određeni načini regulacije genomske aktivnosti. Postoji jasna razlika između kontrole ekspresije gena kod jednoćelijskih i visećelijskih organizama. Kod jednoćelijskih organizama aktivnost gena zavisi od spoljasnje sredine (hranljivi sastav) tj ćelija se prilagođava promenama u spoljašnjoj sredini . Kod multicelularnih organizama način regulacije ekspresije gena je u funkciji razvoja organizma kao celine tj difrencijacije ćelije. Bitna stvar u vezi ekspresije genoma je da ona zavisi u velikoj meri od vrste organizma, pola i stadijuma razvoja. To je činjenica na kojoj se zasniva kombinatorna kontrola ekspresije genoma. Kombinacija vise gen-regulatornih proteina , a ne jednog gen-regulatornog proteina, utiče na to koji deo DNA i kada ce se transkribovati. Kao primer kombinatorne kontrole genoma može se uzeti diferencijacija mišićne ćelije. Familija miogenih proteina (MioD, Mzf5, miogenin i Mrf4) je normalno prisutna u mišićnim ćelijama. Ovi proteini utiču na aktivaciju mišicno specifičnih strukturnih gena. Ako se ukloni miogenin ćelija se nece diferencirati, ali ako se u fibriblastu ponovo aktivira gen za miogenin, on će se pretvoriti u mišićnu ćeliju. Međutim, drugi ćelijski tipovi se neće diferencirati u mišićnu ćeliju pomoću miogenin proteina. To nagoveštava da te ćelije u sebi nemaju neke druge proteine koji su zajedno sa miogeninom potrebni za diferencijaciju u mišićnu ćeliju. Multipli gen-regulatorni proteini mogu učestvovati u regulaciji ekspresije pojedinih gena, ipak, kombinatorna kontrola ekspresije gena znači više, odnosno nema svaki gen svoje multiple gen-regulatorne proteine, već svaki regulatorni protein ima svoj doprinos u kontroli ekspresije mnogih gena. Mada neki gen-regulatorni proteini kao MioD ili miogenin su specifični za specifične tipove ćelija. Jedan sam gen-regulatorni protein nema određenu funkcju. On tek zajedno sa nekim drugim regulatornim proteinima utiče na aktivnost gena. Tako da dodavanje novog gen-regulatornog proteina u ćeliju može, ali ne mora imati posledice , što zavisi od istorije ćelije odnosno od regulatornih proteina koji se već nalaze u njoj (slika 9).
Diferencijalna genska ekspresija je ključna komponenta mnogih fenomena koji ukljucuju ćelijski razvoj i diferencijaciju, ćelijsko odrzavanje kao i ćelijsku smrt. Činjenica je da skup gena koji se ekspresuju određuju fenotip ćelije. Takođe gubitak nad kontrolom sinteze regulatornih proteina odnosno gubitak kontrole diferencijacije ćelije moze dovesti do velikog broja bolesnih stanja ćelije kao sto je naprimer cancer (rak). Identifikacija genskih produkata koji se ekspresuju u jednom tipu ćelije nasuprot genskih produkata koji se ekspresuju u drugom tipu celije ,moze pomoci u objasnjavanju funkcije tih gena. Takođe tako se dobija slika stanja o tome šta se trenutno dešava u toj ćeliji. Iz tih razloga identifikacija diferencijalno ekspresovanih gena je bitna jer se iz toga može videti kako ćelija reaguje na različite stimuluse kao sto su hormoni , hemijski agensi, X zraci itd.
Determinacija i diferencijacija embrionalnih ćelija
Život svake višećelijske jedinke, kao što je rečeno počinje jednom jedinom, oplođenom jajnom ćelijom, zigotom. U genomu zigota je upisan razvojni plan novog organizma koji treba da se realizuje tokom embrionalnog i fetalnog perioda. Embrion se razvija iz zigota dugim i slozenim procesima, od kojih su najznačajniji proliferacija ćelija (rast), diferencijacija ćelije i oblikovanje nove jedinke, morfogeneze. Morfogeneza je uslovljena rastom i diferencijacijom. Centralni problem biologije razvića je pitanje: kako od jedne ćelije, nastaje složeni organizam od nekoliko milijardi ćelija? Sve te ćelije nastaju od zigota. Zigot je totipotentan. Sa svakom novom deobom potencije blastomera se ograničavaju (pluriporentnost, multipotentnost) da bi se, ranije ili kasnije definitivno svele nan jedan jedini razvojni put-embrionalne ćelije postaju unipotentne. Osnovna razlika među diferenciranim ćelijama je u biosintezi specifičnih proteina tj. diferencirana ćelija je specifična po tipu proteina koji proizvodi i po ulozi koju ima u organizmu. Ako se tokom razvića jedra kvalitativno ne menjaju, zašto ipak dolazi do diferencijacije, do nastajanja razlika između embrionalnih ćelija? Važna komponenta jajne ćelije je citoplazma. U mnogim jajnim ćelijama, neposredno po oplođenju, mogu da se uoče kvalitativno različiti predeli citoplazme. To je MATERINSKI EFEKAT. Ti predeli se razlikuju po konzistenciji citoplazme, po prisustvu ili odsustvu različitih inkluzija, po količini RNA, rasporedu organela, biohemijskim procesima i dr. Znači citoplazma jajne ćelije nije uniformna, ona sadrži miks gen-regulatornih proteina koji su nejednako raspoređeni duž embriona. Svojstvo potomka je rezultat dejstva majčinskih nuklearnih gena koji se u vidu iRNA ili proteina nalaze u oociti i imaju dejstvo posle oplodnje. Faktori koji se nalaze u citoplazmi usmeravaju neke od procesa u embriogenezi, modifikujući ili potpuno maskirajući informacije koje se nalaze u genomu samog embriona. U toku brazdanja, sa svakom novom deobom, embrionalne ćelije postaju sve manje i manje i ne menjaju svoj polozaj u odnosu na predele zigota. To znači da od početka brazdanja blastomere dobijaju kvalitativno različitu citoplazmu. Citplazma predstavlja spoljašnju sredinu jedra i može da utiče na aktivnost jedra. To je dokazano eksperimentima. Ako se jedro diferencirane ćelije presadi u citoplazmu zigota, prestaje transkripcija RNA, karakteristična za diferenciranu ćeliju. Zaključak je da diferencijacija primarno zavisi od kvaliteta citolazme u kojoj se nalazi jedro. Veoma je zanimljivo da oplođena jajna ćelija kojoj je uklonjeno jedro može da se brazda, zavisno od vrste kojoj pripada, do blastule, gastrule pa čak i do larve. Ako je zigot bez jedra sposoban da de se brazda, onda moramo da predpostavimo da se u samoj citoplazmi zigota nalaze izvesne informacije koje obezbeđuju brazdanje. Te informacije mora da potiču od genoma jer se i zigot bez jedra brazda po određenom nasleđenom planu, na određen nasledan način.
Embrionalno razviće kod Drosophila melanogaster
Embrion Drosophile u ranom razviću ima malo ćelija koje se nalaze u vidu sincicijuma koji se sasrtoji od citplazmi i jedara. Citoplazma jajne ćelije nije uniformna, ona sadrži miks gen-regulatornih proteina koji su nejednako raspoređeni duž embriona. Ovakva struktura održava se kroz ćelijske deobe sve dok ne bude proizvedeno 1500 jedara. Nakon toga počinje da se obrazuje sa spoljažnje strane sincicijuma blastoderm. U toku brazdanja, sa svakom novom deobom, embrionalne ćelije postaju sve manje i manje i ne menjaju svoj polozaj u odnosu na predele zigota. To znači da od početka brazdanja blastomere dobijaju kvalitativno različitu citoplazmu. Geni koji kontrolišu proces embrionalnog razvića zovu se homeotski geni. Oni deluju na principu da jedan gen uključuje drugi , a ovaj uključuje naredni. Primer ovakvo multigenetičkog prekidaca se može opisati kod Drosophile. Geni za razviće deluju hijerarhijski, deleći embrion u sve manje regione, da bi stvorili što više detalja. Kod Drosophile se na istom hromozomu nalazi grupacija od osam homeotskih gena i oni su poznati kao Hox geni (slika 10). Svaki od tih osam gena utiče na različiti deo mušice. Veoma zanimljivo je da su geni poređani istim redosledom kao i delivi tela na koji utiču. Prvi gen utiče na usta, drugi na lice, treći na vrh glave, četvrti na vrat, peti na grudni koš, šesti na prednju polovinu abdomena, sedmi na zadnju polovinu abdomena i osmi na razne druge delove abdomena. I ne samo da prvi gen definiše prednji deo, a poslednji zadnji deo tela mušice, nego su svi, bez izuzetka istim redosledom povezani duž hromozoma. Zajednička stvar za sve homeotske gene ja da svi u sebi sadrže deo lanca sa istim redosledom nukleotida (180 bp) poznat kao homeoboks. Ako svih 8 gena sadrži istu sekvencu nukleotida, šta je to što odredjuje diferencijaciju dela tela? Homeoboks je deo gena pomoću koga se protein iz citoplazme jajne ćelije vezuje za DNA da bi uključio ili isključio drugi gen. Svi homeotski geni su geni za uključivanje ili isključivanje drugih gena. Idući od glave ka zadnjem delu tela, geni se uključuju jedan za drugim i svaki novi gen preobražava taj deo embriona u sledeći deo tela.
Sve proističe iz osnovne asimetrije hemikalija koje se nalaze u jajetu. Ustanovljeno je da miševi imaju takođe grupacije Hox gena i to četiri. Oni su takođe poređani određenim redosledom-prvo za glavu, a na kraju za rep. Hox geni miševa imaju skoro identičan homeobox kao i vinska mušica. Ljudska bića imaju potpuno iste Hox grupacije kao miševi. Sličnost među genima je toliko velika da su naučnici uradili neverovatan eksperiment. Namerno mutirani neki gen mušice su nokautirali i tehnikom genetičkog inženjeringa zamenili ekvivalentnim genom čoveka i odgojili normalnu mušicu. Uključivanjem i iskljucivanjem gena blastomere dobijaju različite proteine. Tako blastomere na prednjem delu embriona sadrže cipolazmu bogatu proteinom bicoid, na zadnjem nanos, a hunchback i caudal su raspoređeni ravnomerno po citiplazmi i deluju posredstvom predhodna dva. Bicoid aktivira hunchback gene što uslovljava povećavanje koncentracije njegovih proteina, a što smanjuje stvaranje proteina caudal gena, odnosno inhibira translaciju caudal iRNA. Nanos suzbija translaciju hunchback iRNA što doprinosi daljem raspoređivanju hunchback proteina. Krajnji rezultat je veća koncentracija bicoid i hunchback-a u prednjem delu, a nanos-a i caudal-a u zadnjem delu. Tu se uključuje i protein torzo i još jedan protein gena materinskog efekta koji se akumulira na krajevima prednjeg i zadnjeg dela embriona. Slični procesi odvijaju se i u uspostavljanju dorzalno-ventralnog gradijenta gde dominira protein dorsal (slika 11).
Literatura
- www.findology.com
- www.dev-biologie.de/versuche/ embryo/fotoembryo.ht
- www.csu.edu.au/faculty/health/biomed/subjects/ molbol
- Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts , The Art * Of Molecular Biology of the Cell – fourth edition, 2000.
- Dr.Gordana Matić, Osnovi molekularne biologije, Beograd, 1997.
- D. Marinković, N. Kekić, N. Tucić, Genetika, šesto izdanje, Beograd 1991.
- Zoran L. Kovačević , Biohemija i molekularna genetika, Novi Sad, 1999.
- Met Ridli, Genom-autobiografija vrste u 23 poglavlja, Plato Beograd, 2001.
- Jovan Anđić, Osnovi medicinske biohemije, Naučna knjiga, Beograd, 1999.
- R. K. Anđus ,Opšta fiziologija i biofizika-jonski kanali, Beograd, 2001.
- D. Kovačević, G. Bjelaković, V.B.Đorđević, J. Nikolić, D. D. Pavlović, G. Kocić, Biohemija, Savremena administracija, Beograd, 1996.
- V. Diklić, M. kosanović, J. Nikoliš, S. Dukić, Biologija sa humanom genetikom, reprint izdanja 1997, Grafopan, Beograd, 2001.
- Lj. Vapa, D. Obreht, Genetika kroz primere i zadatke, Novi Sad, 2003.
