Genų raiškos reguliacija. I dalis

https://www.ck12.org/biology/eukaryotic-gene-regulation/lesson/Eukaryotic-Gene-Regulation-BIO/

Ląstelės genetinė mašinerija yra tarpusavyje susijusi su ląstelės metaboline mašinerija. Bakterinės ląstelės atlieka begales metabolinių reakcijų. Bendra visų metabolinių reakcijų savybė yra ta, kad jas visas katalizuoja fermentai. Tačiau ląstelei ne visada yra reikalingi visi jai būdingi fermentai. Jau susintetintus fermentus stabdo grįžtamais ryšis (fermento aktyvumą tiesiogiai reguliuoja galutinis metabolinės reakcijos arba tarpiniai produktai). Tačiau gali būti sustabdoma ir ląstelei tuo metu nereikalingų fermentų sintezė. Tai yra genų ekspresijos (raiškos) reguliacija.

Transkripcijos ir transliacijos metu genai yra nuskaitomi ir paverčiami produktais (baltymais), kurių dauguma yra fermentai, naudojami ląstelės metabolizme. Kadangi baltymų sintezei reikia didelių kiekių energijos, baltymų sintezės reguliacija yra svarbi taupant ląstelės energiją. Ląstelės energiją taupo gamindamos tik tuos baltymus, kurių joms tuo metu reikia. Toliau apžvelgsime kaip cheminės reakcijos yra reguliuojamos, kontroliuojant fermentų sintezę.

Dauguma genų, apie 60-80 % nėra reguliuojami, jie yra konstityvūs, tai yra, jų produktai yra gaminami nuolatos tam tikru dažniu. Dažniausiai šie genai, kurie visą laiką yra įjungti, koduoja tuos fermentus, kurių ląstelei reikia dideliais kiekiais ir yra svarbūs pagrindiniams gyvybiniams procesams, pavyzdžiui, glikolizės (pirmasis ląstelinio kvėpavimo etapas) fermentai. Kitų fermentų gamyba yra reguliuojama ir jie sintetinami tik tada, kada jų reikia. Trypanosoma, vienaląstis protistas, parazitas, sukeliantis Afrikinę tripanosomozė (miego liga), turi šimtus genų, kurie koduoja paviršiaus glikoproteinus. Kiekviena protisto ląstelė vienu metu įjungia tik vieną glikoproteino geną. Kai šeimininko imuninė sistema nužudo parazitą su vieno tipo paviršiaus molekule, parazitai ekspresuoja kito tipo glikoproteiną ir gali augti toliau.

Genų raiškos reguliacija gali vykti dar prieš jų transkripciją arba po jos, prieš transliaciją.

Pre-transkripcinė kontrolė

Represija ir indukcija – du genetinės kontrolės mechanizmai, kurie reguliuoja iRNR transkripciją, vadinasi ir fermentų sintezę. Šie mechanizmai kontroliuoja fermentų formavimąsi ir kiekį ląstelėje, o ne jų aktyvumą.

Represija – reguliacinis mechanizmas, kuris inhibuoja (stabdo) genų ekspresiją ir sumažina fermentų sintezę. Represija dažniausiai yra atsakas į per didelį galutinio metabolinio kelio produkto kiekį. Dėl represijos sumažėja fermento, kuris yra atsakingas už to produkto gamybą, sintezė. Represiją vykdo reguliaciniai baltymai, vadinami represoriais, kurie blokuoja RNR polimerazės vykdomą transkripcijos iniciaciją. Numatytoji represuojamo geno pozicija yra on.

Indukcija – procesas, kuris įjungia genų transkripciją. Dalelė, kuri dalyvauja transkripcijos indukcijoje, vadinama induktoriumi, o fermentai, kurie yra sintetinami esant induktoriams, yra indukuojami fermentai. Vienas žinomiausių indukcinės sistemos pavyzdžių yra genai, reikalingi E. coli laktozės metabolizmui. Vienas iš šios sistemos genų koduoja fermentą β-galaktozidazę, kuri suskaido substratą laktozę į du paprastuosius cukrus: gliukozę ir galaktozę. Jei E. coli auginama terpėje, kurioje nėra laktozės, tai organizmuose beveik nėra β-galaktozidazės, tačiau jei į terpę pridėsime laktozės, bakterijos pradės gaminti didelius šio fermento kiekius. Laktozė ląstelėje yra konvertuojama į giminingą alolaktozę, kuri yra laktozės metabolizmui reikalingų genų induktorius. Laktozės buvimas netiesiogiai skatina ląsteles sintetinti daugiau fermento. Numatytoji indukuojamo geno pozicija yra off.

Genų ekspresijos operono modelis

Genų ekspresijos kontrolės indukcija ir represija detalės yra apibūdinamos operono modeliu. Francois Jacob ir Jacques Monod suformulavo šį modelį 1961. Savo modelį jie parėmė tirdami E. coli laktozės katabolizmo fermentų indukciją. Be β-galaktozidazės jie tyrė lac permeazę, kuri dalyvauja laktozės transporte ląstelėje, ir transacetilazę, kuri metabolizuoja tam tikrus kitus disacharidus.

Šių trijų fermentų, susijusių su laktozės paėmimu ir utilizavimu, genai bakterijų chromosomose yra vienas šalia kito ir reguliuojami kartu. Šie genai, kurie nusprendžia baltymo struktūras, yra vadinami struktūriniais genais. Kai aplinkoje yra laktozės, visi lac struktūriniai genai yra transkribuojami ir greitai, visi tuo pačiu metu, transliuojami. O kaip vyksta reguliacija?

Kontroliniame lac operono regione yra du palyginti trumpi DNR fragmentai. Vienas, promotorius, yra DNR vieta, kur RNR polimerazė inicijuoja transkripciją. Kitas yra operatorius, kuris yra kaip šviesoforas, pradėk arba stabdyk signalas struktūrinių genų transkripcijai. Operatoriaus ir promotoriaus saitai ir struktūriniai genai, kuriuos jie reguliuoja, yra operonas, taigi trys struktūriniai lac genai ir šalia esantys kontroliniai regionai sudaro lac operoną.

Reguliacinis genas, vadinamas I genu, koduoja represoriaus baltymą, kuris įjungia indukuojamus arba išjungia represuojamus operonus. Lac operonas yra indukuojamas operonas. Kai aplinkoje nėra laktozės, represorius prisijungia prie operatoriaus saito, taigi užkertamas kelias transkripcijai. Kai aplinkoje yra laktozės, represorius jungiasi prie laktozės metabolito, o ne prie operatoriaus, ir laktozę skaldantys fermentai yra transkribuojami.


Represuojamų operonų atveju, struktūriniai genai yra transkribuojami iki kol jie yra išjungiami, arba represuojami. Triptofano sintezės fermentų genai yra reguliuojami šiuo būdu. Struktūriniai genai yra transkribuojami ir transliuojami, dėl ko sintetinamas triptofanas. Kai pasiekiamas triptofano perteklius, triptofanas elgiasi kaip korepresorius, prisijungiantis prie represoriaus baltymo. Tada represorius gali prisijungti prie operatoriaus ir stabdyti tolimesnę triptofano sintezę.

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai:

• Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. “Microbiology. An Introduction”. 11th edition. p.218-222