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Inverno_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_24 - Biologia

Inverno_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_24 - Biologia


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Obiettivi didattici associati a Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_24

  • Data una via metabolica, proporre e giustificare potenziali molecole (come regolatori positivi/negativi, fattori di trascrizione, ecc.) per regolare i passaggi chiave della via.
  • Dati alcuni vincoli specifici su un circuito di regolazione, prevedere il comportamento del circuito sotto la possibile influenza di perturbazioni ambientali o genetiche (cambiamenti).
  • Essere in grado di classificare i diversi livelli di regolazione discussi a lezione in base all'efficienza energetica per la cella e creare dichiarazioni che illustrino la logica utilizzata nelle classifiche.
  • Utilizzando una rete regolatoria, interpretare accuratamente le relazioni tra geni/proteine ​​nella rete e prevedere potenziali bersagli di regolazione da parte di vari prodotti nel percorso.

Esempi di regolazione genica batterica

Questa sezione descrive due esempi di regolazione trascrizionale nei batteri. Prestate attenzione in classe, nelle discussioni e nelle guide di studio per estensioni di queste idee e usatele per spiegare i meccanismi regolatori usati per regolare altri geni.

Esempi di regolazione genica in E. coli

Il DNA dei batteri earcheadi solito sono organizzatiin uno o più cromosomi circolari nel citoplasma. Il denso aggregato di DNA che puòessere vistoin micrografie elettronicheè chiamatoil nucleoide. Nei batteri e negli archei,geni,la cui espressione ha bisogno diessere strettamente coordinato(ad es. geni che codificano per proteine ​​coinvolte nella stessa via biochimica)sono spesso raggruppatistrettamente uniti nel genoma. Quando l'espressione di più geniè controllatodallo stesso promotore e una sola trascrizioneè prodottoqueste unità di espressionesono chiamatioperoni. Ad esempio, nel batterio Escherichia coli tutti i geni necessari per utilizzare il lattosiosono codificatiuno accanto all'altro nel genoma. Chiamiamo questa disposizione il lattosio (o lacca) operone. In molti batteri e archaea quasi il 50% di tutti i genisono codificatiin operoni di due o più geni.

Il ruolo del promotore

Il primo livello di controllo dell'espressione genica è presso il promotore stesso. Alcuni promotori reclutano l'RNA polimerasi e trasformano gli eventi di legame DNA-proteina in trascritti in modo più efficiente rispetto ad altri promotori. Questa proprietà intrinseca di un promotore, è la capacità di produrre trascrizione a una velocità particolare,è riferitocomepromotoreforza. Più forte è il promotore,più RNA viene prodottoin un dato periodo di tempo. La forza del promotore puòessere "sintonizzato"" per natura inmolto piccoloo passaggi molto grandi modificando la sequenza nucleotidica del promotore (ad esempio mutando il promotore). Ciò si traduce in famiglie di promotori con diversi punti di forza che possonoessere abituatocontrollare il tasso massimo di espressione genica per alcuni geni.

Connessione universitaria UC Davis:

Un gruppo di studenti della UC Davis interessati alla biologia sintetica ha usato questa idea per creare il sinteticopromotorebiblioteche per l'ingegneria dei microbi come parte del loro progetto di design per il 2011 iGEM concorrenza.

Esempio #1: Trp Operone

Logica per la regolazione della biosintesi del triptofano

E. coli, come tutti gli organismi, ha bisogno di sintetizzare o consumare aminoacidi per sopravvivere. L'aminoacido triptofano è uno di questi amminoacidi. e. coli può importare il triptofano dall'ambiente (mangiando ciò che può raccogliere dal mondo circostante) o sintetizzare il triptofano de novo utilizzando enzimi codificati da cinque geni. Questi cinque genirisiedereuno accanto all'altro nel E. coli genoma in quello che chiamiamo il triptofano (trp) operone (Figura sotto). Se il triptofano è presente nell'ambiente, allora E. coli non è necessario sintetizzarlo e l'interruttore che controlla l'attivazione dei geni nel trp l'operone si spegne. Tuttavia, quando la disponibilità di triptofano ambientale è bassa, l'interruttore che controlla l'operoneè giratoSu,la trascrizione è iniziata, i genisono espressi, e l'organismo sintetizza il triptofano. Vedere la figura e i paragrafi seguenti per una spiegazione meccanicistica.

Organizzazione del trp operone

I cinque geni che codificano per gli enzimi di biosintesi del triptofano

sono disposti

sequenzialmente sul cromosoma e sono sotto il controllo di un singolo promotore, ovvero la selezione naturale

organizzato questigeni

in un operone. Appena prima che la regione di codifica sia il sito di inizio della trascrizione. Questa è, come suggerisce il nome, la posizione in cui la RNA polimerasi inizia una nuova trascrizione. La sequenza del promotore è più a monte del sito di inizio della trascrizione.

Una sequenza di DNA chiamata "operatore"

è anche codificato

tra il promotore e il primo trp gene codificante. Questo operatore è la sequenza di DNA a cui si legherà la proteina del fattore di trascrizione.

Qualche dettaglio in più sui siti di legame TF

Va notato che l'uso del termine "operatore" è limitato a pochi sistemi regolatori e si riferisce quasi sempre al sito di legame per un fattore di trascrizione ad azione negativa. Concettualmente ciò che devi ricordare è che ci sono siti sul DNA che interagiscono con le proteine ​​regolatrici, consentendo loro di svolgere la loro funzione appropriata (ad esempio reprimere o attivare la trascrizione). Questo tema si ripeterà universalmente in tutta la biologia sia che il termine "operatore"

viene utilizzato

.

Sebbene gli esempi specifici che verranno mostrati rappresentino i siti di legame TF nelle loro posizioni note, queste posizioni non sono universali per tutti i sistemi. I siti di legame del fattore di trascrizione possono variare nella posizione rispetto al promotore. Ci sono alcuni modelli (ad esempio i regolatori positivi sono spesso a monte del promotore e i regolatori negativi si legano a valle), ma queste generalizzazioni non sono vere per tutti i casi. Ancora una volta, la cosa fondamentale da ricordare è che i fattori di trascrizione (sia positivi che negativi) hanno siti di legame con i quali interagiscono per aiutare a regolare l'inizio della trascrizione da parte dell'RNA polimerasi.

I cinque geni che hanno richiesto di sintetizzare il triptofano nel gruppo di E. coli uno accanto all'altro neltrpoperone. Quando il triptofano è abbondante, due molecole di triptofano si legano al fattore di trascrizione e consentono al complesso TF-triptofano di legarsi alla sequenza dell'operatore. Ciò impedisce fisicamente alla RNA polimerasi di trascrivere i geni di biosintesi del triptofano. Quando il triptofano è assente, il fattore di trascrizione non si lega all'operatore ei geni sono trascritti.
Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

Regolamento del trp operone

Quando il triptofano è presente nella cellula: due molecole di triptofano si legano al trp proteina repressore. Quando il triptofano si lega al fattore di trascrizione provoca un cambiamento conformazionale nella proteina che ora consente al complesso TF-triptofano di legarsi al trp sequenza di operatori. Il legame del complesso triptofano-repressore all'operatore impedisce fisicamente alla RNA polimerasi di legarsi e trascrivere i geni a valle. Quando il triptofano non è presente nella cellula, il fattore di trascrizione non si lega all'operatore; quindi, la trascrizione procede, i geni di utilizzo del triptofano

sono trascritti

e tradotto, e triptofano

viene così sintetizzato

.

Poiché il fattore di trascrizione si lega attivamente all'operatore per mantenere i geni spenti, il trp operone

è detto

a

essere "regolato negativamente"

" e le proteine ​​che si legano all'operatore al silenzio trp espressione sono regolatori negativi.


Possibile discussione NB Punto

Supponiamo che la natura abbia adottato un approccio diverso alla regolazione dell'operone trp. Proporre un metodo per regolare l'espressione del trp operone con un regolatore positivo invece di un regolatore negativo. Descrivi come potrebbe funzionare. (Suggerimento: facciamo questo tipo di domanda agli esami)


Link esterno

Guarda questo video per saperne di più su trp operone.

Esempio #2: Il lacca operone

Razionale per studiare il lacca operone

In questo esempio, esaminiamo la regolazione dei geni che codificano per proteine ​​il cui ruolo fisiologico è quello di importare e assimilare il disaccaride lattosio, il lacca operone. La storia della regolamentazione lacca l'operone è un esempio comune utilizzato in molte lezioni introduttive di biologia per illustrare i principi di base della regolazione genica inducibile. Descriviamo questo esempio per secondo perché è, a nostro avviso, più complicato dell'esempio precedente che coinvolge l'attività di un singolo fattore di trascrizione che agisce negativamente.

Al contrario, il

regolamento del lacca l'operone è un meraviglioso esempio di come l'attività coordinata di regolatori sia positivi che negativi attorno allo stesso promotore può integrare più fonti diverse di informazioni cellulari per regolare l'espressione dei geni.

Durante questo esempio, tieni presente l'ultimo punto. Per molti istruttori Bis2a è più importante che tu impari il lacca operone storia e principi guida di quanto non sia per te memorizzare la tabella logica presentata di seguito. Quando questo è il caso, l'istruttore di solito ti avvisa. Questi istruttori spesso NON includono deliberatamente domande d'esame sul lacca operone. Piuttosto, ti metteranno alla prova se hai compreso i principi fondamentali alla base dei meccanismi regolatori che studi usando l'esempio dell'operone lac. Se non è chiaro cosa vuole l'istruttore, chiedi.

L'utilizzo del lattosio

Il lattosio è un disaccaride composto dagli esosi glucosio e galattosio. Incontriamo comunemente il lattosio nel latte e in alcuni prodotti lattiero-caseari. Come si può immaginare, il disaccaride può essere un alimento importante per i microbi che possono utilizzare i suoi due esosi. coli può utilizzare più zuccheri diversi come fonti di energia e carbonio, tra cui

lattosio

e il lacca operone è una struttura che codifica i geni necessari per

acquisire

e processare il lattosio dall'ambiente locale. coli, tuttavia, non incontra frequentemente il lattosio, e quindi i geni della lacca l'operone deve tipicamente

essere represso

(cioè "spento") quando il lattosio è assente. Guidare la trascrizione di questi geni quando il lattosio è assente sprecherebbe preziosa energia cellulare.

Al contrario, quando

il lattosio è presente, avrebbe senso logico per i geni responsabili dell'utilizzo dello zucchero per

essere espresso

(cioè "acceso"). Finora, la storia è molto simile a quella dell'operone triptofano descritto sopra.

Tuttavia, c'è un problema. Esperimenti condotti in

anni '50

di Jacob e Monod hanno dimostrato che E. coli preferisce utilizzare tutto il glucosio presente nell'ambiente prima di utilizzare il lattosio. Ciò significa che il meccanismo utilizzato per decidere

se o no

per esprimere i geni di utilizzo del lattosio devono essere in grado di integrare due tipi di informazioni (1) la concentrazione di glucosio e (2) la concentrazione di lattosio. Mentre questo potrebbe teoricamente

essere realizzato

in più modi, esamineremo come il lacca l'operone esegue ciò utilizzando più fattori di trascrizione.

I regolatori trascrizionali della lacca operone

Il lacca repressore - un sensore diretto di lattosio

Come notato, il lacca l'operone normalmente ha un output trascrizionale molto basso o nullo in assenza di lattosio. Ciò è dovuto a due fattori: (1) la forza del promotore costitutivo dell'operone è relativamente bassa e (2) la presenza costante della proteina repressore LacI influenza negativamente la trascrizione. Questa proteina si lega al sito dell'operatore vicino al promotore e impedisce alla RNA polimerasi di trascrivere il lacca geni dell'operone.Al contrario, seè presente lattosio, il lattosio si legherà alla proteina LacI, inducendo un cambiamento conformazionale che impedisce al complesso LacI-lattosio di legarsi ai suoi siti di legame. Pertanto, quando è presente lattosio, il LacI . regolatorio negativonon è vincolatoal suo sito di legame e la trascrizione del lattosio mediante geni può procedere.

Proteina CAP - un sensore indiretto di glucosio

In E. coli, quando i livelli di glucosio scendono, la piccola molecola AMP ciclico (campo) si accumula nella cellula.

campo

è una molecola di segnalazione comune che

è coinvolto

nel metabolismo del glucosio e dell'energia in molti organismi. Quando i livelli di glucosio diminuiscono nella cellula, le crescenti concentrazioni di

campo

permettere a questo composto di legarsi al regolatore trascrizionale positivo chiamato proteina attivatore dei cataboliti (CAP) - indicato anche come CRP.

campo

-Il complesso CAP ha molti siti in tutto il E. coli genoma e molti di questi siti

si trovano

vicino ai promotori di molti operoni che controllano la lavorazione dei vari zuccheri.

Nel lacca operone, il

campo

-CAP sito di legame

si trova

a monte del promotore. rilegatura di

campo

-CAP al DNA aiuta a reclutare e mantenere l'RNA polimerasi al promotore. L'aumento dell'occupazione di RNA polimerasi al suo promotore

, a sua volta,

determina un aumento della produzione trascrizionale. Qui, la proteina CAP agisce come un regolatore positivo.

Si noti che il CAP-

campo

complesso può, in altri operoni, agire anche come regolatore negativo a seconda di dove si trova il sito di legame per CAP-

campo

complesso

si trova

rispetto al sito di legame della RNA polimerasi.

Mettere tutto insieme: indurre l'espressione del lac operon

Per il lacca operone aessere attivato,devono essere soddisfatte due condizioni. Innanzitutto, il livello di glucosio deve essere molto basso o inesistente. Secondo, il lattosio deve essere presente. Solo quando il glucosio è assente ed è presente il lattosio, saràillaccaoperoneessere trascritto. Quando questa condizioneè raggiuntoilLacI-lattosio complesso dissocia il regolatore negativo vicino al promotore, liberando la RNA polimerasi per trascrivere i geni dell'operone. Altocampo(indicativi indirettamente di basso livello di glucosio) innescano la formazione del CAP-campocomplesso. Questa coppia di induttori TF ora si lega vicino al promotore e agiscereclutare positivamentela RNA polimerasi. Questa ulteriore influenza positiva aumenta l'output trascrizionaleelattosio puòessere utilizzato in modo efficiente.Viene descritto l'output meccanicistico di altre combinazioni di condizioni binarie di glucosio e lattosionella tabella sottostante e nella figura che segue.

Tavola della verità per Lac Operon

Trascrizione del lac operonè attentamente regolatoin modo che la sua espressione si verifica solo quando il glucosioè limitatoe il lattosio è presente per servire come fonte di combustibile alternativa.
Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

Segnali che inducono o reprimono la trascrizione del lacca operone
GlucosioPAC si legaLattosioIl repressore si legaTrascrizione
+--+No
+-+-Alcuni
-+-+No
-++-

Una visione più sfumata della funzione lac repressore

La descrizione della funzione del repressore lac descrive correttamente la logica del meccanismo di controllo utilizzato intorno allaccapromotore. Tuttavia, la descrizione molecolare dei siti di legame è un po' troppo semplificata. In realtà, il repressore lac ha tre siti di legame simili, ma non identici, chiamati Operatore 1, Operatore 2 e Operatore 3. L'operatore 1 è molto vicino al sito di inizio della trascrizione (indicato con +1).L'operatore 2 si trovacirca +400nt nella regione di codifica delLacZproteina.L'operatore 3 si trovacirca -80nt prima del sito di inizio della trascrizione (appena "fuori" dal sito di legame della CAP).

La regione regolatoria dell'operone lac raffigurante il promotore, tre operatori lac e il sito di legame della CAP.Viene anche mostrata la regione codificante per la proteina Lac Zrispetto alle sequenze di operatori. Si noti che due degli operatori si trovano nella regione di codifica delle proteine: ce ne sono diversitipi diinformazioni codificate simultaneamente nel DNA.
Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

Il tetramero lac repressore (blu) raffigurava il legame di due operatori su un filamento di DNA ad anello (arancione).
Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria) - Adattato da Goodsell (https://pdb101.rcsb.org/motm/39)

Regolazione del gene eucariotico

Panoramica del regolamento

Come notato in precedenza, la regolamentazione è tutta una questione di processo decisionale. La regolazione genica, come argomento generale, si riferisce a

decidere

sull'espressione funzionale del materiale genetico. Che il prodotto finale sia una specie di RNA o una proteina, la produzione del prodotto finale espresso richiede processi che richiedono più passaggi. Abbiamo passato un po' di tempo a discutere alcuni di questi passaggi (cioè trascrizione e traduzione) e alcuni meccanismi che la natura utilizza per rilevare le informazioni cellulari e ambientali per regolare l'inizio della trascrizione.

Quando abbiamo discusso il concetto di promotori forti e deboli, abbiamo introdotto l'idea che anche la regolazione della quantità (numero di molecole) di un trascritto prodotto da un promotore in una certa unità di tempo potrebbe essere importante per la funzione. Questo non dovrebbe essere del tutto sorprendente. Per un gene che codifica per proteine, maggiore è il trascritto prodotto, maggiore è il potenziale per produrre più proteine. Questo potrebbe essere importante quando fare un sacco di un particolare enzima è la chiave per la sopravvivenza. In altri casi, la cellula ha bisogno solo di una piccola quantità di una specifica proteina e produrne troppa sarebbe uno spreco di risorse cellulari.

Qui

, la cellula può preferire bassi livelli di trascrizione. I promotori di diversi punti di forza possono soddisfare queste diverse esigenze. Per quanto riguarda il numero di trascrizione, abbiamo anche brevemente accennato al fatto che la sintesi non è l'unico modo per regolare l'abbondanza. Anche i processi di degradazione sono importanti da considerare.

In questa sezione, aggiungiamo a questi temi concentrandoci sui processi regolatori eucariotici. Nello specifico, esaminiamo - e talvolta riesaminiamo - i molteplici passaggi necessari per esprimere il materiale genetico negli organismi eucarioti in

il contesto di

regolamento. Vogliamo che tu non solo pensi ai processi, ma anche che riconosca che ogni fase del processo di espressione è anche un'opportunità per mettere a punto non solo l'abbondanza di una trascrizione o di una proteina, ma anche il suo stato funzionale, forma (o variante), e/o stabilità. Ciascuno di questi fattori aggiuntivi può anche essere di vitale importanza da considerare per influenzare l'abbondanza di varianti funzionali condizionalmente specifiche.

Differenze strutturali tra cellule batteriche ed eucariotiche che influenzano la regolazione genica

Il segno distintivo della cellula eucariotica è il nucleo, una doppia membrana che racchiude il materiale ereditario della cellula. Per inserire in modo efficiente il DNA dell'organismo nello spazio ristretto del nucleo, il DNA viene prima impacchettato e organizzato dalle proteine ​​in una struttura chiamata cromatina. Questo confezionamento del materiale nucleare riduce l'accesso a parti specifiche della cromatina. Alcuni elementi del DNA sono così fitti che il meccanismo trascrizionale non può accedere a siti regolatori come i promotori. Ciò significa che uno dei primi siti di regolazione trascrizionale negli eucarioti deve essere l'accesso di controllo al DNA stesso. Le proteine ​​della cromatina possono essere soggette a modificazione enzimatica che può influenzare se si legano strettamente (accesso trascrizionale limitato) o più debolmente (accesso trascrizionale maggiore) a un segmento di DNA

.

Questo processo di modifica - qualunque sia la direzione

è considerato

primo - è reversibile. Pertanto, il DNA può

essere sequestrato dinamicamente

e reso disponibile quando il "tempo è giusto".

La regolazione dell'espressione genica negli eucarioti coinvolge anche

alcuni dei

stessi meccanismi fondamentali aggiuntivi discussi nel modulo sulla regolazione batterica (cioè l'uso di promotori forti o deboli, fattori di trascrizione, terminatori, ecc.) ma il numero effettivo di proteine ​​coinvolte è tipicamente molto maggiore negli eucarioti rispetto ai batteri o agli archei.

L'elaborazione enzimatica post-trascrizionale dell'RNA che avviene nel nucleo e l'esportazione del maturo

mRNA

al citosol ci sono due ulteriori differenze tra la regolazione del gene batterico ed eucariotico. Considereremo questo livello di regolamentazione in maggior dettaglio di seguito.

Rappresentazione di alcune differenze chiave tra i processi di espressione genica batterica ed eucariotica. Nota in questo casola presenza diistoni e modificatori di istoni, lo splicing di pre-mRNA, e l'esportazione dell'RNA maturo dal nucleo come differenziatori chiave tra i sistemi batterico ed eucariotico.
Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

Impacchettamento del DNA e marcatori epigenetici

Il DNA nelle cellule eucarioticheè proprio ferita, piegato e compattato in cromosomi in modo che si inserisca nel nucleo. il nucleoorganizza anche il DNAproteine ​​​​così chiavepuò accedere facilmente a segmenti specifici dei cromosomicome necessario. Le aree dei cromosomi che sono più strettamente compattate saranno più difficili da legare per le proteine ​​e quindi porteranno a una ridotta espressione genica dei geni codificati in quelle aree. Le regioni del genoma poco compattate saranno più facilmente accessibili per le proteine, aumentando così la probabilità cheungene sarà trascritto. Qui viene discusso il modo in cui le cellule regolano la densità della compattazione del DNA.

Imballaggio del DNA

Il primo livello di organizzazione, o imballaggio, è l'avvolgimento dei filamenti di DNA intorno istone proteine. Gli istoni impacchettano e ordinano il DNA in unità strutturali chiamate nucleosomi, che può controllare l'accesso delle proteine ​​a specifiche regioni del DNA. Al microscopio elettronico, questo avvolgimento del DNA attorno alle proteine ​​istoniche per formare i nucleosomi sembra piccole perline su un filo. Queste perline (complessi nucleosomiali) possono muoversi lungo il filo (DNA) per alterare quali aree del DNA sono accessibili al macchinario trascrizionale. Mentre i nucleosomi possono muoversi per aprire la struttura cromosomica per esporre un segmento di DNA, lo fanno in modo molto controllato.

Il DNA si ripiega attorno alle proteine ​​istoniche per creare (a) complessi nucleosomiali. Questi nucleosomi controllano l'accesso delle proteine ​​al DNA sottostante. Se visto attraverso un microscopio elettronico (B), i nucleosomi sembrano perline su un filo. (credito “micrografia”: modifica del lavoro di Chris Woodcock)

Modifica dell'istone

Il modo in cui si muovono le proteine ​​istoniche dipende dai segnali chimici presenti sia sulle proteine ​​istoniche che sul DNA. Questi segnali chimici sono tag chimici aggiunti alle proteine ​​istoniche e al DNA che dicono agli istoni se una regione cromosomica deve essere "aperta" o "chiusa". La figura seguente illustra le modifiche alle proteine ​​istoniche e al DNA. Questi tag non sono permanenti, ma potrebberoEssere aggiuntoo rimosso secondo necessità. Sono modificazioni chimiche (gruppi fosfato, metile o acetile) che si legano a specifici amminoacidi nelle proteine ​​istoniche o ai nucleotidi del DNA. I tag non alterano la sequenza di basi del DNA, mafarealterare quanto strettamente avvolto il DNA è intorno alle proteine ​​dell'istone. Il DNA è una molecola carica negativamente; pertanto, i cambiamenti nella carica dell'istone cambieranno quanto strettamente avvolta sarà la molecola di DNA. Quando non modificate, le proteine ​​dell'istone hanno una grande carica positiva; aggiungendo modifiche chimiche come i gruppi acetile, la carica diventa meno positiva.

I nucleosomi possono scorrere lungo il DNA. Quando i nucleosomisono distanziatistrettamente insieme (in alto), i fattori di trascrizione non possono legarsi el'espressione genica è trasformataspento. Quando i nucleosomisono distanziatidistanti (in basso),il DNA è esposto. I fattori di trascrizione possono legarsi, consentendo l'espressione genica. Le modifiche agli istoni e al DNA influenzano la spaziatura dei nucleosomi.


Possibile discussione NB Punto

Nella successiva fase di maturazione degli spermatozoi, gli istoni (contenenti un numero elevato di aminoacidi lisina) vengono sostituiti dalle protamine, che sono piccole proteine ​​nucleari molto ricche di aminoacidi arginina. Si dice che questo processo sia essenziale per la condensazione della testa dello sperma e la stabilizzazione del DNA. Sulla base di queste informazioni, quali confronti puoi fare tra protamine e istoni? Perché è significativo il numero elevato di lisina e arginina negli istoni e nelle protamine? Per quali ragioni pensi che le protamine sostituiscano gli istoni nello sperma ma non in altre cellule?


Modifica del DNA

Anche la stessa molecola di DNA può essere modificata. Ciò si verifica all'interno di regioni molto specifiche chiamateCpGisole. Questi sono tratti con un'alta frequenza di coppie di DNA di citosina e guanina dinucleotide (CG) spesso presenti nelle regioni promotrici dei geni. Quando esiste questa configurazione, il membro della citosina della coppia può essere metilato (viene aggiunto un gruppo metilico). Questa modifica cambia il modo in cui il DNA interagisce con le proteine, comprese le proteine ​​dell'istone che controllano l'accesso alla regione. Altamente metilato (ipermetilato) regioni del DNA condeacetilatogli istoni sono strettamente avvolti e trascrizionalmente inattivi.

I cambiamenti epigenetici non comportano cambiamenti permanenti nella sequenza del DNA. I cambiamenti epigenetici alterano la struttura della cromatina (complesso proteina-DNA) per consentire o negare l'accesso ai geni trascritti. La modifica del DNA come la metilazione sui nucleotidi della citosina può reclutare proteine ​​repressive che bloccano l'accesso della RNA polimerasi per trascrivere ungeneoppure possono aiutare a compattare il DNA per bloccare l'accesso di tutte le proteine ​​a quell'area del genoma. Questi cambiamenti sono reversibili mentre le mutazioni non sono, tuttavia, possono anche essere modificate epigenetiche al cromosomaessere ereditato.
Fonte:modificatoa partire dal https://researcherblogski.wordpress....R/dudiwarsito/

Regolazione dell'espressione genica attraverso il rimodellamento della cromatinaè chiamatoregolazione epigenetica. Epigenetico significa "intorno alla genetica". I cambiamenti che si verificano alle proteine ​​istoniche e al DNA non alterano la sequenza nucleotidica e non sono permanenti. Invece, questi cambiamenti sono temporanei (sebbene spesso persistano attraverso più cicli di divisione cellulare e possanoessere ereditato) e alterare la struttura cromosomica (aperta o chiusa) secondo necessità.

Link esterno

Guarda questo video che descrive come la regolazione epigenetica controlla l'espressione genica.

Struttura del gene eucariotico e elaborazione dell'RNA

Struttura del gene eucariotico

Molti geni eucariotici, in particolare quelli che codificano per prodotti proteici,sono codificatisul genoma discontinuo.Illa regione di codifica è rottain pezzi intervenendo su elementi genici non codificanti. Chiamiamo le regioni codificanti esoni mentre gli elementi intermedi non codificantisono chiamatiintroni. La figura seguente mostra un gene eucariotico generico.

Le parti di un tipico gene eucariotico discontinuo. Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

Parti di un gene eucariotico generico includono elementi familiari come un promotore e un terminatore. Tra questi due elementi, la regione che codifica tutti gli elementi del gene che hanno il potenziale per

essere tradotto

(non hanno codoni di stop), come nei sistemi batterici,

è chiamato

il quadro di lettura aperto (ORF). Potenziatore e/o

silenziatore

gli elementi sono regioni del DNA che reclutano proteine ​​regolatrici. Questi possono essere relativamente vicini al promotore, come nei sistemi batterici, o lontani migliaia di nucleotidi. Presenti anche in molti trascritti batterici, esistono anche regioni non tradotte 5' e 3' (UTR). Queste regioni del gene codificano per segmenti di

trascrizione,

che, come suggeriscono i loro nomi,

non sono tradotti

e sedersi 5' e 3', rispettivamente, all'ORF. Gli UTR codificano tipicamente alcuni elementi regolatori critici per la regolazione della trascrizione o fasi dell'espressione genica che si verificano dopo la trascrizione.

Anche le specie di RNA risultanti dalla trascrizione di questi geni sono discontinue e devono quindi

essere processato

prima di uscire dal nucleo per

essere tradotto

o utilizzati nel citosol come RNA maturi. Nei sistemi eucariotici ciò include lo splicing dell'RNA, il capping 5', la scissione dell'estremità 3' e la poliadenilazione. Questa serie di passaggi è un processo molecolare complesso che deve avvenire all'interno dei confini chiusi del nucleo. Ognuno di questi passaggi offre l'opportunità di regolare l'abbondanza di trascrizioni esportate e le forme funzionali che assumeranno queste trascrizioni. Anche se questi sarebbero argomenti per corsi più avanzati, pensa a come inquadrare

alcuni dei

seguenti argomenti come sottoproblemi della Design Challenge della regolazione genetica. Se nient'altro,

cominciare a

apprezzare la danza molecolare altamente orchestrata che deve verificarsi per esprimere un gene e come questo sia uno straordinario pezzo di ingegneria evolutiva.

5' capping

Come nei sistemi batterici, i sistemi eucariotici devono assemblare un complesso di pre-inizio intorno alla sequenza del promotore per iniziare la trascrizione. I complessi che si assemblano negli eucarioti svolgono molte delle stesse funzioni di quelli nei sistemi batterici, ma sono significativamente più complessi e coinvolgono molte più proteine ​​regolatrici. Questa maggiore complessità consente una maggiore regolazione e l'assemblaggio di proteine ​​con funzioni che si verificano prevalentemente nei sistemi eucariotici. Una di queste funzioni aggiuntive è il "tappo" delle trascrizioni nascenti.

Nei geni codificanti proteine ​​eucariotiche, l'RNA che viene prodotto per primo

è chiamato

il pre-

mRNA

. Il prefisso "pre" significa che questo non è il pieno maturo

mRNA

quello sarà

essere tradotto

e che prima richiede qualche elaborazione. La modifica nota come 5'-capping si verifica dopo il pre-

mRNA

è lungo circa 20-30 nucleotidi. A questo punto il pre-RNA riceve tipicamente la sua prima modifica post-trascrizionale, un 5'-cap. Il "tappo" è una modifica chimica - un 7-

metilguanosina

- la cui aggiunta all'estremità 5' della trascrizione

èenzimaticamentecatalizzato

da più enzimi chiamati capping enzima complex (CEC) un gruppo di più enzimi che effettuano passaggi sequenziali coinvolti nell'aggiunta del 5'-cap. Il CEC si lega alla RNA polimerasi molto presto nella trascrizione ed effettua una modifica del trifosfato 5', il successivo trasferimento di a GTP

a tal fine

(che collega i due nucleotidi utilizzando un legame unico 5'-a-5'), la metilazione della guanina appena trasferita e in alcune trascrizioni le modifiche aggiuntive ai primi nucleotidi. Questo 5'-cap sembra funzionare proteggendo la trascrizione emergente dalla degradazione e

è rapidamente legato

da proteine ​​leganti l'RNA note come complesso cap-binding (CBC). Ci sono alcune prove che questa modifica e le proteine ​​ad essa legate svolgano un ruolo nel prendere di mira la trascrizione per l'esportazione dal nucleo. Proteggere l'RNA nascente dalla degradazione non è importante solo per conservare l'energia investita nella creazione del

trascrizione

ma

è chiaramente coinvolto

nel regolare l'abbondanza di

perfettamente funzionante

trascrizione che

è prodotto

.

Inoltre, il

il ruolo del 5'-cap nel guidare la trascrizione per l'esportazione aiuterà direttamente a regolare non solo la quantità di trascrizione che

è fatto

ma forse

ma ancora più importante,

la quantità di trascrizione che

viene esportato

al citoplasma che ha il potenziale per

essere tradotto

.

La struttura di un tipico 7-metilguanilatoberretto. Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

Giunzione della trascrizione

Le cellule devono elaborare le trascrizioni nascenti in RNA maturi unendo gli esoni e rimuovendo gli introni interposti. Essi

realizzare questo

usare un

multicomponente

complesso di RNA e proteine ​​chiamato spliceosoma. Il complesso spliceosoma si assembla sulla trascrizione nascente e la maggior parte delle volte le decisioni su quali introni combinare in una trascrizione matura

sono fatti

a questo punto. Come queste decisioni

sono fattinon è ancora completamente compreso

ma comporta il riconoscimento di specifiche sequenze di DNA nei siti di splicing da parte di specie di RNA e proteine ​​e diversi eventi catalitici. È interessante notare che la porzione catalitica dello spliceosoma

è fatto

di RNA piuttosto che di proteine. Ricordiamo che il ribosoma è un altro esempio di

un RNA

-complesso proteico in cui l'RNA funge da componente catalitico primario. La selezione della variante di giunzione da realizzare è una forma di regolazione dell'espressione genica.

In questo caso

piuttosto che influenzare l'abbondanza di una trascrizione, lo splicing alternativo consente alla cellula di decidere quale

forma di una trascrizione che fa

.

Sono note le forme di giunzione alternative dei geni che danno luogo a prodotti proteici di struttura correlata ma con funzione variabile

come isoforme. La creazione di

isoforme

è comune nei sistemi eucariotici e

è conosciuto

essere importante nelle diverse fasi di sviluppo negli organismi pluricellulari e nella definizione delle funzioni dei diversi tipi cellulari.

Di

codifica multipla

possibile

prodotti genici da un singolo gene il cui inizio della trascrizione

è codificato

da un singolo sito di regolazione trascrizionale (da

prendere la decisione

quale prodotto finale da produrre post-trascrizionale) evita la necessità di creare e mantenere copie indipendenti di ciascun gene in diverse parti del genoma e siti regolatori indipendenti in evoluzione. Pertanto, la capacità di formare più

isoforme

da una singola regione codificante è pensato per essere evolutivamente

vantaggioso

perché consente una certa efficienza nella codifica del DNA, riduce al minimo la complessità regolatoria trascrizionale e può ridurre il carico energetico di mantenere più DNA e proteggerlo dalla mutazione. Alcuni esempi di

possibile

i risultati dello splicing alternativo possono includere: la generazione di varianti enzimatiche con affinità di substrato differenziale o velocità catalitiche;

le sequenze segnale che indirizzano le proteine ​​a vari compartimenti subcellulari possono essere modificate

; funzioni completamente nuove, tramite lo scambio di domini proteici possono

essere creato

. Questi sono solo alcuni esempi.

Un ulteriore risultato interessante dello splicing alternativo è l'introduzione di codoni di stop che possono, attraverso un meccanismo che sembra richiedere la traduzione, portare al decadimento mirato del trascritto. Ciò significa che, oltre al controllo dell'inizio della trascrizione e del 5'-capping, possiamo anche considerare lo splicing alternativo come uno dei meccanismi regolatori che possono influenzare l'abbondanza del trascritto. Gli effetti dello splicing alternativo sono quindi potenzialmente ampi: dalla completa perdita di funzione alla funzione nuova e diversificata fino agli effetti regolatori.

Una figura raffigurante alcune diverse modalità di splicing alternativo che illustra come diverse varianti di splicing possono portare a diverse forme proteiche.
Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

Scissione dell'estremità 3' e poliadenilazione

Viene apportata un'ultima modificaalla nascente pre-mRNAprima che lascino il nucleo - la scissione dell'estremità 3' e la sua poliadenilazione.Questo processo in due fasi è catalizzatoda due diversi enzimi (come illustrato di seguito) e può decorare l'estremità 3' dei trascritti con un massimo di quasi 200 nucleotidi. Questa modifica migliora la stabilità della trascrizione.In genere, ilDi piùComenelpoliAtagga la durata maggiore della trascrizione. IlpoliAanche il tag sembra avere un ruolo nelesportazione della trascrizionedal nucleo. Pertanto, il 3'poliAtag svolge un ruolo nell'espressione genica regolando l'abbondanza di trascrizione funzionale equanto viene esportato?dal nucleo per la traduzione.

È coinvolto un processo in due fasiinmodificandole estremità 3' dei trascritti prima delle esportazioni nucleari. Questi includono il taglio delle trascrizioni appena a valle di una sequenza conservata (AAUAAA) e il trasferimentoadenilatogruppi. Entrambi i processisonoenzimaticamentecatalizzato.
Attribuzione:Marc T. Facciotti (opera propria)

MicroRNA

Stabilità dell'RNA emicroRNA

Oltre alle modificazioni del pre-RNA sopra descritte e delle proteine ​​associate che si legano al nascente e ai trascritti, ci sono altri fattori che possono influenzare la stabilità dell'RNA nella cellula. Un esempio sono gli elementi chiamatimicroRNA. IlmicroRNA, omiRNA, sono brevi molecole di RNA che sono solo 21-24 nucleotidiin lunghezza.IlmiRNAsono trascrittinel nucleo come più pre-miRNA. Questi pre-miRNAvengono successivamente tritatiin maturomiRNAda una proteina chiamata cubettatrice. questi maturanomiRNAriconoscere una sequenza specifica di un RNA bersaglio attraverso l'appaiamento di basi complementari.miRNA, tuttavia, si associano anche a un complesso ribonucleoproteico chiamato complesso di silenziamento indotto dall'RNA (RISC). RISC lega un bersagliomRNA, insieme con ilmiRNA, per degradare il bersagliomRNA. Insieme,miRNAe il complesso RISC distruggono rapidamente la molecola di RNA. Come ci si potrebbe aspettare, la trascrizione di pre-miRNAe la loro successiva elaborazioneè anche strettamente regolamentato.

Esportazione nucleare

Esportazione nucleare

Completamente elaborato, maturotrascrizioni,dovereessere esportatoattraverso il nucleo.Non a caso questoprocesso comporta il coordinamento di una specie di RNA maturo a cuisono vincolatimolte proteine ​​accessorie - alcune delle quali hannostato intimamente coinvoltonelle modifiche discusse sopra - e un complesso proteico chiamato the complesso di pori nucleari (NPC). Il trasporto attraverso l'NPC consenteflussodi proteine ​​e specie di RNA per muoversi in entrambe le direzioni eè mediatodiun numero diproteine.Questo processo può essere utilizzatoper regolare selettivamente il trasporto di vari trascritti a seconda di quali proteine ​​si associano al trascritto in questione. Ciò significa che non tutte le trascrizionisono trattatiugualmente dall'NPC - a seconda dello stato di modifica e delle proteine ​​che si sono associate a una specifica specie di RNA puòessere spostatopiù o meno efficientemente attraverso la membrana nucleare.Da quandola velocità di movimento attraverso il poro influenzerà l'abbondanza di trascrizione matura cheviene esportatonel citosol per il controllo dell'esportazione della traduzione è un altro esempio di una fase del processo di regolazione genica che puòessere modulato. Inoltre, recenti ricerche hanno implicato interazioni tra NPC e fattori di trascrizione inil regolamento diinizio della trascrizione, probabilmente attraverso qualche meccanismo per cui i fattori di trascrizione si legano al nuclearepori. Quest'ultimo esempiodimostraquanto sia interconnessa la regolazione dell'espressione genica attraverso le molteplici fasi di questo complesso processo.

Conosciamo molti dettagli aggiuntivi dei processi sopra descritti fino a un certo livello di dettaglio, ma rimangono molte altre domande da porsi

avere una risposta

. Per amore di

Bis2a

esso

è sufficiente

per formare un modello delle fasi che si verificano nella produzione di un trascritto maturo negli organismi eucarioti. Abbiamo dipinto un quadro con tratti molto ampi, cercando di presentare una scena che riflettesse ciò che accade

in genere

in tutti gli eucarioti. Oltre ad apprendere le principali caratteristiche differenzianti della regolazione genica eucariotica, vorremmo anche che gli studenti di Bis2a considerassero ciascuno di questi passaggi come un'opportunità per la Natura di regolare l'espressione genica

in qualche modo

e per razionalizzare come carenze o cambiamenti in questi percorsi - potenzialmente introdotti attraverso la mutazione - potrebbero influenzare l'espressione genica.

Anche se non abbiamo menzionato esplicitamente la Design Challenge o Energy Story

qui

questi formalismi sono ugualmente abili nell'aiutarvi a dare un senso a ciò che viene descritto. Ti invitiamo a provare a creare una Energy Story per vari processi. Ti invitiamo inoltre a utilizzare la rubrica Design Challenge per riesaminare le storie di cui sopra: identificare i problemi che devono essere risolti; ipotizzare potenziali soluzioni e criteri di successo. Usa i formalismi per scavare più a fondo e porre nuove domande/identificare nuovi problemi o cose che non conosci sui processi è ciò che fanno gli esperti. È probabile che fare questo esercizio suggerito ti porti a identificare una direzione di ricerca che qualcuno ha già perseguito (ti sentirai

bello

intelligente su questo!). In alternativa, potresti sollevare una domanda nuova di zecca a cui nessuno ha ancora pensato.

Controllo dell'abbondanza di proteine

DopounmRNAè stato trasportatoal citoplasma,è tradottoin proteine. Controllo di questo processoè in gran parte dipendentesulla molecola di RNA. Come discusso in precedenza, la stabilità dell'RNA avrà un grande impatto sulla sua traduzione in una proteina. Al variare della stabilità, ilquantità dicambia anche il tempo in cui è disponibile per la traduzione.

Il complesso di iniziazione e il tasso di traduzione

Come la trascrizione,la traduzione è controllata dalle proteinecomplessi di proteine ​​e acidi nucleici che devono associarsi ainiziatoil processo. Nella traduzione,si fa riferimento a uno dei primi complessi che deve assemblare per avviare il processocome il complesso di iniziazione. La prima proteina a legarsi almRNAche aiutainiziatotraduzioneè chiamatofattore di inizio eucariotico-2 (eIF-2).Attività deleIF-2la proteina è controllata da più fattori. Il primo èse o noessoè legatoad una molecola di GTP. Quando ileIF-2è legatoaGTPè consideratoesserein forma attiva. IleIFLa proteina -2 legata al GTP può legarsi alla piccola subunità ribosomiale 40S. Quando vincolato, ileIF-2/40S complesso ribosomiale, portando con sé ilmRNAaessere tradotto, recluta anche l'iniziatore della metioninatRNAsoci.A questo punto, quandoil complesso iniziatoreè assemblato,ilGTPè idrolizzatonel PIL creando un"forma inattiva dieIF-2 cheè rilasciato, insieme al fosfato inorganico, dal complesso. questo passaggio, a sua volta,permette alla grande subunità ribosomiale 60S di legarsi einiziare a tradurrel'RNA. Il legame dieIF-2 all'RNA ulteriormente controllato dalla fosforilazione proteica. quandoeIF-2èfosforilato, subisce un cambiamento conformazionale e non puòlegamentoaGTPinibendo così la formazione del complesso di iniziazione - la traduzione è quindi inibita (vedi figura sotto). Nel defosforilatostatoeIF-2 può legare GTP e consentire l'assemblaggio del complesso di inizio della traduzione come descritto sopra. La capacità della cellula quindi di sintonizzare l'assemblaggio del complesso di invito alla traduzione tramite una modifica chimica reversibile (fosforilazione) ad una proteina regolatrice è un altro esempio di come la Natura abbia sfruttato anche questoapparentementesemplice passaggio per sintonizzare l'espressione genica.

Un aumento dei livelli di fosforilazione dieIF-2 hastato osservatoin pazienti con malattie neurodegenerative come Alzheimer, Parkinson e Huntington. Quale impatto pensi che questo potrebbe avere sulla sintesi proteica?

Modifiche chimiche, attività proteica e longevità

Non per

essere da meno

dagli acidi nucleici, le proteine ​​possono anche

essere chimicamente modificato

con l'aggiunta di gruppi comprendenti gruppi metile, fosfato, acetile e ubiquitina. L'aggiunta o la rimozione di questi gruppi dalle proteine ​​può regolare la loro attività o la

lunghezza di

tempo in cui esistono nella cellula. A volte queste modifiche possono regolare dove una proteina

è stato trovato

nella cellula, ad esempio nel nucleo, nel citoplasma o attaccato alla membrana plasmatica.

Le modificazioni chimiche possono verificarsi in risposta a stimoli esterni come stress, mancanza di nutrienti, calore o esposizione alla luce ultravioletta.

Inoltre

regolando la funzione delle proteine ​​stesse, se questi cambiamenti avvengono su proteine ​​specifiche possono alterare l'accessibilità epigenetica (

in caso di

modificazione dell'istone), trascrizione (fattori di trascrizione),

mRNA

stabilità (proteine ​​leganti l'RNA), o traduzione (

eIF

-2) alimentando e regolando così varie parti del processo di espressione genica.

In caso di

modifica alle proteine ​​regolatorie, questo può essere un modo efficiente per la cellula

cambiare rapidamente

i livelli di proteine ​​specifiche in risposta all'ambiente regolando vari passaggi

nel processo

.

L'aggiunta di un gruppo ubiquitina ha un'altra funzione: contrassegna quella proteina per la degradazione.

ubiquitina

è una piccola molecola che si comporta come una bandiera

indicando

che le proteine ​​etichettate dovrebbero

essere preso di mira

ad un organello chiamato proteasoma. Questo organello è un grande complesso multiproteico che funziona per scindere le proteine ​​in pezzi più piccoli che possono poi...

essere riciclato

.

ubiquitinazione

(l'aggiunta di

unubiquitina

tag), quindi aiuta a controllare l'espressione genica alterando la vita funzionale del prodotto proteico.

proteine ​​conubiquitinai tag sono contrassegnatiper la degradazione all'interno del proteasoma.

In conclusione, vediamo che la regolazione genica è complessa e chepuò essere modulatoad ogni passo inil processo diesprimendo un prodotto genico funzionale.Inoltre, ilgli elementi regolatori che si verificano in ogni fase possono agire per influenzare altri passaggi regolatori sia prima che dopo nel processo di espressione genica (cioè il processo di alterazione chimica di un fattore di trascrizione può influenzare la regolazione della propria trascrizione molti passaggi prima del processo). Questi complessi insiemi di interazioni formanoquelli che sono conosciuti comereti di regolazione genica. Comprendere la struttura e le dinamiche di queste reti è fondamentale per capire come funzionano le diverse cellule, la base pernumerosemalattie, processi di sviluppo e come le celluleprendere decisionisu come reagire ai tanti fattoriQuellosono in continuo movimento sia all'interno che all'esterno.

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