Gen düzenlemesi

Ebeveyn
(Düzenlenmesi) gen ekspresyonu
(düzenlenmesi) makromolekül metabolizması
Ast
Epigenetik gen
regülasyonu Düzenleme transkripsiyon
Reg. MRNA proseslemesinin
Düzenlenmesi için
Reg. Proteininin işlenmesi
Gen ontolojisi
QuickGO

Biyolojide gen regülasyonu , genlerin aktivitesinin kontrolünü , daha kesin olarak gen ekspresyonunun kontrolünü tanımlar . Bu belirler protein geni tarafından kodlanan üretilir içinde hücre ne zaman olduğu ve hangi miktarda. Düzenlemenin gerçekleşebileceği çeşitli seviyeler vardır: "Gen ekspresyonu", gende bulunan bilgilerin karşılık gelen gen ürününe dönüştürülmesinin tüm sürecidir. Bu süreç birkaç adımda gerçekleşir. Düzenleyici faktörler bu adımların her birini etkileyebilir ve süreci kontrol edebilir.

Gelen Prokaryotlarda , gen regülasyonu oksijen azaltılmış kaynağı ya da bir besin değişen kaynağına, örneğin, değişen bir çevreye adapte büyük ölçüde kullanılmaktadır. Protistler haricinde , ökaryotik hücreler, dalgalanan çevresel koşullara tepki vermeye daha az bağımlıdırlar, ancak çok hücreli organizmaların gelişimini kontrol etmek gibi zor bir görevi vardır . Bunun için gerekli genlerin doğru zamanda doğru hücrelerde, doğru dokuda aktive olması sağlanmalıdır. İfadesi programı kurulduktan sonra, o zaman daha az düzenleme için ihtiyaç vardır içinde farklılaşmış hücrelerin.

Gen düzenlemesinin temel ilkeleri tüm hücrelerde aynıdır, ancak hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda özel özellikler vardır. Örneğin, bakterilerdeki genler genellikle ökaryotlarda çok nadir görülen operonlarda düzenlenir. Öte yandan ökaryotlar, düzenleyici faktörler için ek başlangıç ​​noktaları sunan transkriptleri işlemek için mekanizmalara sahiptir .

Gelen operonunun pozitif ve negatif düzenleyici yönetmelik ayrılmıştır. Pozitif regülasyonda, RNA polimerazın DNA'ya bağlanan bir aktivatöre ihtiyacı vardır , böylece transkripsiyon gerçekleşebilir. Negatif düzenlemede, bir baskılayıcı DNA'ya bağlanır ve RNA polimeraz geni kopyalayamaz. Ek olarak, bazı metabolitler aktivatörleri ve baskılayıcıları aktive edebilir (aktivatör / baskılayıcı DNA'ya bağlanabilir) veya onları inaktive edebilir (DNA'dan ayrıştırılmış aktivatör / baskılayıcı). Metabolitin bağlanması transkripsiyona (ve dolayısıyla gen ekspresyonuna) (baskılayıcının inaktivasyonu veya aktivatörün aktivasyonu) yol açtığı zaman indüksiyondan söz edilir. Bastırma, substratın gen ekspresyonunu engellediği anlamına gelir (aktivatör etkisiz hale getirilir veya baskılayıcı etkinleştirilir).

Gen ifadesinin adımları

Düzenleme, aşağıdaki gen ekspresyon adımlarında uygulanır:

Kromatin

Ökaryotlarda, genomik DNA kısmen histonların etrafına sarılır. Modifikasyon histon transkripsiyonu için kullanılabilir DNA katlanmamış alanda bir değişikliğe neden olur. DNA metilasyon ökaryotlarda genleri inaktive. Histon modifikasyonu ve DNA metilasyonu, bir hücrenin epigenetik kodunun bir parçasıdır .

Transkripsiyonun başlatılması

Transkripsiyonun başlangıcını kontrol ederek, genin ifade edilip edilmeyeceği (okunup okunmayacağı) ve bazı durumlarda kaç mRNA molekülünün üretilmesi gerektiği konusunda genel karar verilir . Bu karar, düzenleyici sıralara göre verilir . Bunlar , genin hemen yakınında veya daha uzakta ( destekleyici ) olabilen , ancak kendileri kopyalanmayan DNA alanlarıdır . Transkripsiyonu aktive eden veya inhibe eden ( baskılayan ) proteinler, bu düzenleyici dizilere bağlanabilir . Bu anahtar proteinlere transkripsiyon faktörleri denir ve hücrenin temel bir mekanizma aracılığıyla genleri açıp kapatmasını sağlarlar. RNA polimerazın bağlanmasını destekleyen bir transkripsiyon faktörüne aktivatör denir . Bağlanmalarını engelleyen bir transkripsiyon faktörüne baskılayıcı denir. Karşılık gelen baskılayıcı DNA dizilerine susturucular denir .

Belirli bağlanmasından sonra transkripsiyon faktörleri promoter veya güçlendirici , bir değişiklik olduğu konformasyonu kromatin . Bu, bazal transkripsiyon faktörleri olarak adlandırılan diğer proteinlerin de DNA'ya bağlanmasını sağlar. Bazal transkripsiyon faktörleri daha sonra RNA polimerazı işe alır ve genin transkripsiyonu başlatılır. Özgüllük faktörleri , RNA polimeraz bağlama özgüllüğünü düzenleme proteinlerdir. Bir baskılayıcı, düzenleyici DNA alanlarına bağlanırsa, başka transkripsiyon faktörlerinin birikmesini önler ve böylece genin aktivasyonunu önler. Başka bir baskı biçimi, transkripsiyonel müdahale olarak bilinen şeydir . Gen promoterinin önünde ikinci bir promoter yer alır. Bu aktifse, RNA polimeraz ona bağlanır ve kodlamayan RNA'yı sentezler . Bu transkripsiyon, gerçek genin kopyalanmasını engeller. Katabolit baskısı , özel bir transkripsiyon düzenleme durumudur .

Transkripsiyonun sonlandırılması

Transkripsiyonun sonlandırılması için, prokaryotlarda ve ökaryotlarda çeşitli düzenleyici mekanizmalar geliştirilmiştir. Sonlandırmanın etkinliği, genden kaç mRNA molekülünün ortaya çıkabileceği konusunda belirleyicidir, çünkü polimeraz DNA zincirinden yeterince hızlı düşmezse, kabaca konuşursak, sonraki polimeraz molekülü yukarı hareket edemez ve mRNA Moleküllerinin üretimi yavaşladı.

Prokaryotlarda fesih

Prokaryotlar durumunda, "Rho'dan bağımsız" ve "Rho'ya bağımlı" sonlandırma arasında bir ayrım yapılır. Ayrıca, polimerazın, transkripsiyonun başlamasından hemen sonra DNA'dan tekrar düştüğü zayıflama adı verilen bir mekanizma da vardır .

  • Basit sonlandırma: Rho'dan bağımsız veya basit sonlandırma , genin sonundaki veya transkriptin 3 'UT alanındaki sonlandırma dizilerini kullanır . Bu sekanslar, GC açısından zengin bir segment ve bir dizi üridin tortusundan oluşur ve bir saç tokası yapısı oluşturabilir , ardından Hfq'yi bağlamak için birkaç üridin izler . Bu gerçeği ile oluşturulan bir döngü olarak hayal edilebilir bir nükleotid bir RNA segmenti iç aynı telin nükleotidler ile bağlantılı baz eşleşmesi çift şerit ile kök oluştururlar ve böylece. Firkete ilmeğinin oluşumu, bu dizileri henüz oluşturan RNA polimerazına geri etki eder, böylece kendisini durdurur ve mRNA'nın PolyU bölümü ile DNA zinciri şablonundan ayırır. Bu RNA'ların polyA kuyruğu yoktur.
  • Rho'ya bağlı sonlandırma: Rho'ya bağlı sonlandırma, başka bir protein olan Rho faktörü kullanır . Tek sarmallı RNA çevresinde heksamerik bir kompleks oluşturur , böylece RNA sarmalının yaklaşık 70 ila 80 nükleotidi merkezi eksen olarak etrafına sarılır. ATP'nin tüketilmesiyle birlikte, Rho faktörü, başlangıçta , RNA polimeraz ile karşılaşana kadar yeni ortaya çıkan (ortaya çıkan) mRNA boyunca hareket eder . Orada DNA ile temasa geçer, bir helikaza benzer şekilde RNA polimeraz tarafından üretilen DNA-RNA hibridini ve dolayısıyla ayrıca DNA şablonundan polimerazı ayırır . RNA polimeraz düşer ve transkripsiyon tamamlanır. Rho faktörü, mRNA boyunca kendisini oluşturan polimerazdan daha hızlı hareket etmelidir. Polimeraz, DNA boyunca tekdüze olarak hareket etmediğinden ve bireysel RNA sentezi aşamalarında onu biraz yavaşlattığından, Rho faktörü yakalayabilir.
  • Zayıflatma : durumunda zayıflama , ait olan bir transkripsiyon zamanından önce sona ise sadece oluşturmasını oluşmuştur mRNA saç tokası şeklindeki bir sonlandırma gibi ikincil yapı iç baz eşleştirme yoluyla sinyal . Daha sonra RNA polimeraz, yapısal genler okunmadan önce bile kendini DNA şablonundan ayırır, çünkü zayıflatıcı sekans , transkriptin başlangıcında 5 'UT alanında yer alır. Olası sonlandırma sinyali için olanlara ek olarak, bu alan genellikle belirli koşullar altında oluşumunu engelleyebilen ve böylece transkripsiyona izin veren birkaç başka düzenleyici sekans içerir. Bu, örneğin gecikmeli olarak hareket eden bir ribozomun halihazırda oluşturulmuş olan mRNA segmentinde belirli pozisyonları alması ve sonlandırıcı firkete yapısına katlanmayı imkansız hale getirmesi durumunda söz konusu olabilir.

Ökaryotlarda fesih

Üç farklı ökaryotik RNA polimeraz (I, II ve III), henüz özellikle iyi çalışılmamış farklı sonlandırma mekanizmalarını kullanır. Bununla birlikte, bakterilerin sonlandırılması arasında bazı benzerlikler ve farklılıklar vardır:

  • RRNA genlerini kopyalayan RNA polimeraz I, RNA'ya değil, aşağı akımdaki DNA'ya bağlanan Rho benzeri bir sonlandırma faktörü gerektirir.
  • MRNA'yı kopyalayan RNA polimeraz II, muhtemelen yalnızca poliadenilasyon gerçekleştiğinde transkripsiyonu durdurur (bir sonraki bölüme bakın).
  • RNA polimeraz III, tRNA kopyalanmış genler, bir dizi urasil - nükleotidin dahil edilmesiyle transkripsiyonu sonlandırır .

RNA işleme

Kapatma

Kapatma sırasında, 7-metil-guanozin, RNA'nın stabilitesini ve daha sonra çevirisini etkileyen pre-mRNA'nın 5 'ucunda sentezlenir. 5 'kapak yapısı, bitmiş mRNA'nın translasyon (başlatma) sırasında ribozoma bağlanmasını kolaylaştırır .

Poliadenilasyon

Hayvan hücrelerinden gelen hemen hemen tüm mRNA'ların bir poli (A) kuyruğu vardır. Bu kuyruğu bağlama işlemi poliadenilasyon olarak bilinir. Transkripsiyonun sonlandırılmasına benzer şekilde, transkripsiyonun gücü poliadenilasyon mekanizmasının etkinliğine bağlıdır. Poli (A) kuyruğunun bağlanması düzgün çalışmazsa, mRNA hücre çekirdeğinde birikmez, bunun yerine hızlı bir şekilde parçalanır. Düzenleyici faktörlerin devreye girebileceği yer burasıdır.

Ekleme

Ekleme kaldırır intronlar gelen ön-mRNA ve birleştirmeler kalan eksonları birlikte. Spliceozom tarafından gerçekleştirilen bu işlem için, alternatif ekleme olarak da bilinen birçok gen için alternatifler vardır . Düzenleyici faktörler, hangi intronların ekleneceğini belirler ve böylece bitmiş mRNA'nın nasıl görüneceğini belirler.

Sitoplazmaya taşıma

MRNA, nükleer zarfın içindeki gözenekler yoluyla sitoplazmaya taşınır . Sadece tam olarak işlenmiş mRNA'lar nükleer gözenek boyunca 5 'ucu ilk olacak şekilde kanalize edilir ve hemen sitoplazmada ribozomlarla doldurulur. Bu amaç için, mRNA, bir oluşturmak üzere çeşitli proteinlerin ile birleştirilir hnRNP kompleksi , nükleer gözenekler dolaşabilmektedir tamamlanmış olarak mRNP . Bu işlemin verimliliği, sitoplazmaya ulaşan ve faktörlerle düzenlenebilen bitmiş mRNA'ların hızını ve miktarını belirler.

Çevirinin başlatılması

Çevirinin başlangıcı, bazı genlerdeki en önemli düzenleyici adımdır, ancak diğerlerinde pek rol oynamaz. Hem ökaryotlarda hem de prokaryotlarda, bir ribozomun küçük alt birimi ile etkileşime giren çeşitli proteinlerden oluşan bir ön başlatma kompleksi oluşur. Bu kompleks daha sonra çeviri başlangıç ​​sitesini tanır. Düzenleme olanakları yine çok çeşitlidir. Spesifik başlatma faktörlerinin kullanımından , ön-başlatma kompleksinin (eIF2) bir proteinin bir serin kalıntısının fosforile edilmesiyle elde edilebilen, genel bir başlatma kapatmasına kadar çeşitlilik gösterirler.

Bazı mRNA'ların translasyonu , RNA'nın 5 'bölgesine tamamlayıcı olarak bağlanan ve böylece küçük ribozomal alt birimin bağlanmasını önleyen antisens RNA'lar tarafından bloke edilebilir . Ayrıca mikroRNA'lar , çeviri düzenlemesinde önemli bir rol oynar. Çeviri sırasında örn. B. düzenleyici bir mekanizma olarak zayıflama trp -operon ile prokaryotlarda .

MRNA kararlılığı

Transkripsiyonun başlamasından ve (bazı genler için) translasyonun başlamasından sonra , bir mRNA'nın yarı ömrünün düzenlenmesi başka bir düzenleyici süreçtir. Bir mRNA'nın konsantrasyonu, ne kadar hızlı üretildiğine ve ne kadar hızlı tekrar parçalandığına bağlıdır. Bir mRNA çok kararlıysa, protein üretimi gen inaktive edildikten sonra uzun süre devam edebilir. Bu nedenle, kısa ömürlü bir mRNA, gerekirse hızlı bir şekilde "kapatılması" gereken, yani artık mevcut olmayan proteinler için avantajlıdır. AUUUA sekansları B. parçalanmasını hızlandırırlar bağlanarak RNaz'larına . Bir mRNA'nın stabilitesi, diğer şeylerin yanı sıra, transkriptin çevrilmemiş 3 'alanında birkaç AUUUA sekansının meydana gelmesi gerçeğiyle belirlenir. Ne kadar çok varsa, RNA o kadar hızlı parçalanır. MRNA'nın stabilitesi için bir başka önemli faktör, poli (A) kuyruğunun uzunluğudur. Bu ne kadar kısa olursa, yarı ömür o kadar kısadır. MRNA stabilitesini kontrol eden başka bir mekanizma, mRNA'daki erken durdurma kodonlarını tanıyan ve bunların kesilmiş proteinler olarak ekspresyonunu önleyen anlamsız aracılı mRNA bozunmasıdır .

Çoğu bakteriyel mRNA'nın yalnızca birkaç dakikalık bir yarılanma ömrü vardır. Farklılaşmış ökaryotik hücrelerin gen düzenlemesine büyük ölçüde daha az ihtiyacı vardır (yukarıya bakınız), birçok genin mRNA molekülleri birkaç saatlik yarı ömre ulaşır. Yalnızca kısa bir süre için ihtiyaç duyulan diğer ökaryotik genler (örneğin hormonlar veya sitokinler ) patlama şeklinde ifade edilir.

Protein stabilitesi

Kısa etkili genlerde proteinler, bir proteinin parçalanmasını hızlandıran amino asitler veya amino asit dizileri içerir, örn. B. N-End Kuralına göre belirli amino asitler , PEST dizileri veya proteaz yarılma siteleri .

Epigenetik Düzenleme

Ayrıca, genin yavru hücrelerde aktive edilip edilmemesi veya bastırılması gerektiğine ilişkin bilginin doğrudan gende bulunmadığı veya genin aracılık ettiği, bunun yerine onu düzenleyen transkripsiyon faktörlerinin aracılık ettiği genler de vardır. Transkripsiyon faktörleri, deyim yerindeyse, "kalıtsaldır". Epigenetik ve damgalama bu mekanizmalarla ilgilenir .

Özel düzenleme mekanizmaları

Belirli genler her zaman ifade edilir ve bu nedenle düzenlemeye gerek yoktur; bunlar temizlik genleri olarak bilinir .

Gen düzenleyici alanlar

Gende veya gene ait olanlarda, düzenlemeden sorumlu olan belirli alanlar vardır. Bunlar

Edebiyat

  • James E. Darnell , Harvey Lodish, David Baltimore : Moleküler Hücre Biyolojisi . de Gruyter, Berlin ve diğerleri 1993, ISBN 3-11-011934-X (4. baskı. Harvey Lodish: Molecular Cell Biology. Spectrum Akademischer Verlag, Heidelberg ve diğerleri 2001, ISBN 3-8274-1077-0 ).
  • Benjamin Lewin: Genlerin Moleküler Biyolojisi . Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg ve diğerleri 1998, ISBN 3-8274-0234-4 .
  • William S. Klug, Michael R. Cummings, Charlotte A. Spencer: Genetik . 8., güncellenmiş baskı 2007, s. 410-411, ISBN 978-3-8273-7247-5 .
  • Donald Voet, Judith G. Voet: Biyokimya. 3. baskı, John Wiley & Sons, New York 2004. ISBN 0-471-19350-X .
  • Bruce Alberts , Alexander Johnson, Peter Walter, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts: Hücrenin Moleküler Biyolojisi , 5. Baskı, Taylor & Francis 2007, ISBN 978-0815341062 .

Bireysel kanıt

  1. ↑ H. Otaka, H. Ishikawa, T. Morita, H. Aiba: Bakteriyel küçük RNA'ların rho bağımsız sonlandırıcısının PolyU kuyruğu, Hfq eylemi için gereklidir. In: Ulusal Bilimler Akademisi Tutanakları . Cilt 108, Sayı 32, Ağustos 2011, sayfa 13059-13064, ISSN  1091-6490 . doi : 10.1073 / pnas.1107050108 . PMID 21788484 . PMC 3156202 (ücretsiz tam metin).
  2. ↑ P. Regnier, E. Hajnsdorf: Hfq, poli (A) polimeraz I ve ekzoribonükleazların RNA'ların 3 'uçlarında etkileşimi Rho'dan bağımsız sonlandırmanın sonucu: Geçici bir model. İçinde: RNA biyolojisi. Cilt 10, Sayı 4, Nisan 2013, sayfa 602-609, ISSN  1555-8584 . doi : 10.4161 / rna.23664 . PMID 23392248 . PMC 3710367 (ücretsiz tam metin).
  3. ↑ M. Boudvillain, M. Nollmann, E. Margeat: Transkripsiyon sonlandırma faktörü Rho motor ile hızlanma. In: Transkripsiyon. Cilt 1, Sayı 2, 2010 Eylül-Ekim, sayfa 70-75, ISSN  2154-1272 . doi : 10.4161 / trns.1.2.12232 . PMID 21326894 . PMC 3023631 (ücretsiz tam metin).
  4. ↑ M. Boudvillain, N. Figueroa-Bossi, L. Bossi: Terminatör hala ilerliyor: Rho faktörü için genişleyen roller. İçinde: Mikrobiyolojide Güncel Görüş. Cilt 16, Sayı 2, Nisan 2013, sayfa 118-124, ISSN  1879-0364 . doi : 10.1016 / j.mib.2012.12.003 . PMID 23347833 .
  5. ↑ Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer : Biochemistry. 6. baskı, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007. ISBN 978-3-8274-1800-5 . (ücretsiz tam metin erişimi) .
  6. ↑ Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer : Biochemistry. 6. baskı, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007. ISBN 978-3-8274-1800-5 . (ücretsiz tam metin erişimi) .