Regulace genov exprese Typy regulac Regulace transkripce Regulace

Regulace genové exprese Typy regulací Regulace transkripce Regulace m. RNA a translace

Genová exprese Produkce funkčního proteinu podle informace kódované v DNA (gen) DNA obsahuje několik typů informací: 1. tripletový zápis AMK sekvence proteinu 2. informaci o začátku a konci transkriptu 3. informaci o začátku a konci exonů 4. informaci o začátku a konci ORFu 5. informaci o REGULACI (např. stabilita m. RNA) Primární sekvence proteinu určuje: 1. Lokalizaci proteinu (signální sekvence) 2. Posttraslační modifikace (např. Asn-X-Ser) 3. Konformaci proteinu

Ne všechny geny jsou exprimovány Genom: celková genetická informace buňky Transkriptom: souhrn m. RNA v buňce Proteom: souhrn proteinů v buňce Regulace genové exprese = regulace PROTEOMU

Proč je nutná regulace GE? Reakce na vnější podněty (bakterie, kvasinky) Reakce na vnitřní podněty (imunitní systém) Diferenciace buněk (vývoj)

Ve kterých krocích buňka reguluje GE? • Regulace transkripce - nejekonomičtější X • Regulace aktivity proteinu - nejrychlejší Ve všech!

Regulace GE: možnosti 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Regulace transkripce (aktivace x inhibice) Regulace RNA processingu (sestřih, editing) Regulace stability m. RNA (degradace x stabilizace) Regulace lokalizace m. RNA (polarizace buňky) Regulace translace (blok translace) Regulace aktivity proteinu (modifikace) Regulace lokalizace proteinu (cytosol x jádro) Regulace degradace proteinu (ubiqutinylace)

Mechanismus Regulace GE je vykonávána proteiny Interakce (podle regulované fáze): protein-DNA, protein-RNA, protein-protein Signál Senzor Efektor Změna GE Dráha signál → efektor může mít více stupňů Někdy: senzor = efektor Souvislosti: Buněčná signalizace

5. 1 Regulace transkripce • • • Založená na interakci protein-DNA Nejekonomičtější způsob regulace Eukaryota: každý gen pod individuální kontrolou Bakterie: reguluje se transkripce celého operonu Transkripční inhibitory/aktivátory váží specifické promotorové sekvence • DNA vazebné proteiny rozeznávají sekvence především podle velkého žlábku (interakce s povrchem) + geometrie helixu • Často dimerizace - zesílení vazby

DNA vazebné proteiny • Velký žlábek poskytuje více informací o sekvenci než malý

DNA vazebné domény Základní typy DNA vazebných proteinů: 1. Helix-turn-helix 2. Helix-loop-helix 3. Zinc finger 4. Leucine zipper Helix-turn-helix Krátká smyčka, fixní úhel C koncový helix: vazba do velkého žlábku

Helix-loop-helix Delší smyčka - poloha helixu není fixována Dimerizace (homo i hetero) Regulace - dimerizace s kratším proteinem Zinc finger Atom Zn - stabilizace 1. typ helix + β sheet (řetězce) 2. helix + helix (dimerizace)

Leucine zipper • Dimerizace (hydrofóbní interakce leucinů) • α helixy Základní DNA vazebné domény

Regulace transkripce u bakterií Jednoduchý způsob regulace 1) Specifické sigma faktory (interakce s RNA polymerázou) 2) Regulační proteiny: aktivátory, represory

Trp operon Tryptofanový represor Helix-turn-helix

Lac operon • Jacob a Monond, NC 1965 • Geny pro utilizaci laktózy Podmínky: 1) Musí být přítomna laktóza 2) Nesmí být přítomna glukóza VIDEO

*Vzdálené regulační elementy jsou u bakterií vzácné • Ntr. C - aktivátor, sigma 54 • Vyžaduje energii (ATP) - rovněž neobvyklé • Kratší vzdálenost než u eukaryot (cca 100 bp)

DNA rearrangement Vzácný způsob regulace ovlivnění GE (náhodná událost) Salmonella mění expresi flagellinu (unikání imunitnímu systému) Inverze: Místně-specifická rekombinace 2 verze flagellinu (H 1 a H 2), represor blokuje transkripci H 1 Souvislosti: DNA rekombinace

Regulace transkripce u eukaryot Složitější regulace: 1) Regulační proteiny se mohou vázat do vzdálených oblastí (kbp) 2) Role obecných transkripčních faktorů, interakce 3) Role struktury chromatinu Insulator (izolant)

• • Aktivátory Často ve vzdálených oblastech Synergický efekt Acetylace histonů (další aktivátory) Aktivátor může být zároveň represorem VIDEO

Represory mohou působit různými mechanizmy.

Kontrola regulačních proteinů Existuje celá řada mechanizmů, jak je řízena aktivita regulačních proteinů v závislosti na SIGNÁLU.

Příklad: párovací typ Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces cerevisae střídá haploidní a diploidní fází Haploid (párovací typ "a " nebo " α ") x diploid alpha 1 OFF

Zpětná vazba Proteinový produkt může regulovat vlastní transkripci Pozitivní x negativní Paměťové obvody + oscilace (vnitřní hodiny)

Genová exprese: vývoj Homeotické geny

Epigenetická dědičnost 1) Inaktivace X-chromozómu, genová dóze 2) Methylace Genová dóze: počet kopií genu v buňce X-inaktivace: rané embryonální stadium

Metylace Genomic imprinting

5. 2 Postiniciační regulace • • Terminace transkripce m. RNA processing: sestřih, editace Degradace, stabilizace, lokalizace m. RNA Translace Transkripce: ANO/NE Postiniciační regulace: rozhoduje i o struktuře proteinu Souvislosti: RNA processing RNA editing a RNA splicing

Alternativní sestřih Regulovaný x konstitutivní (daná frekvence variant) Velmi časté u vyšších eukaryot Často souvisí s alternativním terminačním místem Různé tkáně - různá sestřihová varianta Přímá kontrola sestřihu Calcitonin: štítná žláza, snižuje Ca 2+ nervová tkáň, vasodilatace DSCAM: rekordní množství variant vývoj nervové soustavy

Imunoglobuliny Alternativní sestřih je předurčen místem terminace transkripce Nestimulovaný B-lymfocyt: protilátka vázaná v membráně Stimulovaný B-lymfocyt: sekretovaná protilátka

Determinace pohlavních znaků Drosophila melanogaster Pohlaví je určené jako u savců: XX sameček ♀ XY samička ♂ Rozhodující je poměr kopií X chromozómů a autosomálních chromozómů

Lokalizace a život m. RNA, translace Roli hrají UTR (nepřekládané oblasti) - poločas rozpadu Lokalizace m. RNA (polarizace buňky, diferenciace) - 3´ UTR Cytosolická akonitáza - příklad dvojí regulace VIDEO

Příklady ze života. . . 1) Regulace příjmu železa u Saccharomyces cerevisiae 2) Oxygen sensing u Homo sapiens

m. RNA degradation (3´UTR) Nuclear localization Iron using enzymes Low Fe Aft 1 p Cth 2 p Coxp Qrcp TCA enzymes High affinity uptake Low affinity uptake Siderohore uptake Fet 3 p/Ftr 1 p Fet 4 p Arn 1 -4 p (Fet 5 p/Fth 1 p) Copper loading (Smf 3 p) Fit 1 -3 p CCC 2 p Fet 3 (20 x) Fet 4 (40 x) Heme synthesis High Fe O 2 Rox 1 p

cytosol jádro Transkripce běží HIF 1 O 2 P HIF MAPK/p 38 p 300 HIF 1 Vazba Transkripce MAPK Hypoxie HIF putuje fosforylací hypoxických a do p 300 jádra dále aktivuje genů HIF Hypoxický gen

cytosol jádro Transkripce neběží PHD 1, 2, 3 OH O 2 HIF 1 U. p. VHL HIF Proteazóm Ub. Lig. PHDs kyslík Proteazóm Hydroxylace HIF Normoxie jevyžadují pak ukončí cílem prolinu pro krátký ubiquitinylaci život HIF p 300 Hypoxický gen

cytosol jádro SUMO ARD 1 O 2 ac. NO HIF 1 OH p. VHL HIF 1 OH HIF IPAS FIH p 300 ARD 1 FIH. . . což SUMOyzace IPAS Nitrozace hydroxylují inhibuje zvyšuje brání acetyluje má vazbě snižuje dvojaký afinitu HIF 1 asparagin. . . HIF 1. . . p 300 aktivitu kefekt p. VHL HIF Hypoxický gen

Regulace GE: shrnutí Další příklady → viry Souvislosti: Viry a jejich strategie Růžová barva = regulace, o kterých jsme (zatím) nemluvili

Změny Neslo by lepe zakomponovat epigenetiku? (nebo vynechat? ) Trosku upravit slide "mechanismus"