Biologia
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Biologia > Genetyka > Genetyka molekularna 
  Indeks
Genetyka
Historia odkryć . . .
Podstawy genetyki
Genetyka molekularna
Klonowanie genów
Sekwencjonowanie . .
Struktura genu i . . .
Wielkość genomu
Specjalistyczne . . .
Czynniki wpływające
na ekspresję genów
Jak koordynować . .
Jeszcze o ekspresji
Hormony
Rearanżacja DNA
Geny i ewolucja
Świat wirusów i . . .
Inżynieria genetyczna
Słowniczek
  Źródło
Wybrane fragmenty pochodzą z książki
Język genów autorstwa Paul'a Berg'a i Maxine Singer


  Jeszcze o ekspresji
 
Włączanie i wyłączanie genów
 
P
rawie każda komórka złożonego organizmu zawiera ten sam zestaw DNA – genom komórkowy. Niektóre geny wytwarzają swoje produkty we wszystkich komórkach. Na przykład rybosomy występują w każdej komórce organizmu; geny rRNA i białek rybosomowych ulegają ekspresji we wszystkich komórkach. Tego typu geny są często nazywane genami housekeeping (czyli genami „dbającymi o dom”), ponieważ są one zaangażowane w podstawowe funkcje wspólne wszystkim żywym komórkom. Jednak wiele genów przejawia aktywność tylko w specyficznych komórkach i tkankach. Dobry przykład stanowią geny kodujące opsyny. Jak wspominaliśmy, ulegają one ekspresji tylko w komórkach siatkówki i nawet tam w komórkach pręcików ekspresji ulega tylko jeden gen opsyny, w każdej zaś z komórek czopków – tylko jeden z kilku innych genów opsyn, potrzebnych w percepcji barw (tzn. do syntezy barwników wrażliwych na barwę zieloną, czerwoną i niebieską). Jednak tysiące różnych typów komórek i wiele wyspecjalizowanych tkanek z nich zbudowanych, powstają z pojedynczej komórki, z jednej zapłodnionej komórki jajowej. Wybiórcza ekspresja genów nadaje tym typom komórek specyficzne kształty, funkcje i możliwości. Na drodze kolejnych podziałów, poczynając od zygoty, powstają komórki, w których poszczególne geny są włączane, a inne wyłączane. Co więcej, kontrola tych zdarzeń jest uruchamiana w ściśle określonych momentach rozwoju. W dodatku na uruchamianie i wyciszanie wybranych genów wywiera wpływ położenie komórki w rozwijającym się zarodku. Zrozumienie tych niezwykłych wydarzeń jest jednym z najciekawszych i największych wyzwań biologii.
       Jak osiąga się tę precyzyjną regulację ekspresji komórkowo i tkankowo specyficznych genów pod względem czasu i miejsca? Przede wszystkim przez kontrolę inicjacji transkrypcji. Jak już pisaliśmy, rozpoczęcie tego procesu wymaga oddziaływania między specyficznymi sekwencjami DNA położonymi w pobliżu genu a swoistymi białkami. Białka te mogą aktywować bądź hamować transkrypcję genu. Chociaż przełączniki transkrypcyjne nie są prawdopodobnie doskonałe, z danych doświadczalnych wynika, że poziom ekspresji genów regulowany jest w zakresie większym niż milion razy.
       Badania genetyczne i biochemiczne odsłaniają mechanizmy molekularne rządzące wybiórczą regulacją ekspresji genów. Sygnały regulacyjne w DNA składają się ze złożonych zestawów stosunkowo krótkich motywów sekwencji DNA. Każdy motyw jest miejscem wiązania specyficznego białka – czynnika transkrypcyjnego. Na przykład geny transkrybowane wyłącznie w białych krwinkach, jak geny przeciwciał, zawierają zestaw motywów rozpoznawanych przez czynniki transkrypcyjne – niektóre z nich są obecne tylko w tych komórkach. Podobnie geny ulegające ekspresji w ściśle określonym czasie lub w szczególnych warunkach środowiskowych zawierają motywy sekwencyjne, które oddziałują z białkami obecnymi jedynie w owym czasie lub w takich właśnie warunkach. Włączanie i wyłączanie genów zależy od występowania szczególnego zestawu motywów sekwencyjnych DNA, dostępności odpowiednich czynników transkrypcyjnych oraz sposobu, w jaki czynniki te wpływają na aparat transkrypcyjny. Wciąż jeszcze nie wiemy, czy przyłączenie czynników transkrypcyjnych do regionów regulatorowych genu ułatwia powstanie aparatu transkrypcyjnego, czy też przyspiesza pracę polimerazy RNA, a może wpływa na oba procesy jednocześnie.
       Naturalną konsekwencją wiedzy o uniwersalności mechanizmu kontroli ekspresji genów jest postawienie tezy, że komórki różnego typu muszą mieć odmienne rodzaje białek regulatorowych. Nie jest to jednak wyjaśnienie wystarczające, trzeba bowiem ustalić, co decyduje o obecności lub braku takich białek. Co więcej, pewne obserwacje wskazują, że udział w tych procesach biorą nie tylko specyficzne białka. Prawdopodobnie stosunkowo duże obszary chromosomalne mogą się „otwierać” lub „zamykać” dla ekspresji genów dzięki zmianom w strukturze chromatyny. Przynajmniej w niektórych przypadkach wpływ na ekspresję genów wywierają również przejściowe modyfikacje sekwencji DNA genów w pobliżu promotora, polegające na dodaniu grup metylowych do cytozyn. Pełne zrozumienie tych zagadnień wymaga jeszcze wielu badań.
       Zadziwiającą właściwością regulacji transkrypcji przez kombinację motywów sekwencji nukleotydowej DNA i odpowiednich białkowych czynników transkrypcyjnych jest jej uniwersalność. Istotnie, odpowiednie czynniki transkrypcyjne pochodzące z tak różnych organizmów, jak drożdże, muszka owocowa i ssaki mogą się wzajemnie zastępować. Czynnik transkrypcyjny pochodzący z drożdży lub muszki owocowej może oddziaływać z odpowiednim motywem sekwencji DNA ssaka oraz z innymi białkami ssaków, niezbędnymi do rozpoczęcia transkrypcji genów ssaków. Podobnie, pewne czynniki obecne w komórkach ssaków mogą zastępować odpowiadające im białka drożdży. Taka uniwersalność świadczy o utrzymywaniu w nie zmienionej postaci (konserwowaniu) struktury tych czynników podczas ewolucji.
       Oprócz kontroli inicjacji transkrypcji istnieją jeszcze inne wyspecjalizowane mechanizmy regulujące ekspresję genów. Wśród najbardziej niezwykłych są te, które – podobnie jak tworzenie funkcjonalnych genów białek układu odpornościowego kręgowców – zależne są od rearanżacji genomowego DNA. Zmiany poziomu produkowanych w komórce polipeptydów mogą również zależeć od kontroli szybkości dojrzewania mRNA z pierwotnego transkryptu, stabilności owego mRNA lub regulacji takich procesów, jak modyfikacje polipeptydów, ich transport oraz ochrona przed rozkładem.
       Dzięki metodom rekombinacji DNA, przy badaniu funkcjonowania prawidłowych genów, nie jesteśmy już zależni od przypadkowych mutacji. Można obecnie zaprojektować specyficzne typy mutacji w wybranych genach i wprowadzać je do komórek lub wczesnych stadiów zarodkowych organizmów doświadczalnych. Opiszemy tu kilka przykładów prowadzonych obecnie badań nad kontrolą ekspresji genów w komórkach zróżnicowanych.
       Zróżnicowana ekspresja genów w specyficznych komórkach i tkankach dotyczy nie tyle poszczególnych genów, ile całych zestawów genów, których ekspresja jest włączana bądź wyłączana w skoordynowany sposób. Różne geny, należące do rodzin wielogenowych kodują podobne lub identyczne białka, wytwarzane w poszczególnych tkankach i w różnych okresach rozwoju organizmu. Na przykład u myszy dwa geny kodują spokrewnione białka: a-fetoproteinę i albuminę osocza. Oba białka są składnikami osocza krwi. Te dwa geny leżą blisko siebie na jednym mysim chromosomie i oba białka są syntetyzowane w stadium zarodkowym. Wkrótce po narodzinach ekspresja genu α-fetoproteiny spada do jednej dziesięciotysięcznej poprzedniego poziomu; we krwi dorosłej myszy stwierdza się tylko albuminę osocza. Zmiana ta jest regulowana przez białko kodowane przez jeszcze inny gen mysi, jednak sposób, w jaki gen regulatorowy sam jest regulowany i jak wyłącza po urodzeniu gen α-fetoproteiny, ciągle pozostaje tajemnicą.
       Ekspresja genów łańcuchów α i β hemoglobiny w organizmach kręgowców zachodzi wyłącznie w czerwonych krwinkach. W różnych stadiach rozwoju zarodkowego włączane są różne geny z grup α i β. Aby zrozumieć, w jaki sposób osiągana jest taka regulacja, obecnie prowadzone badania koncentrują się na sekwencjach DNA i białkach regulatorowych odpowiedzialnych za włączanie i wyłączanie odpowiednich genów α- i β-globin kolejno w stadiach zarodkowych, płodowych i u organizmów dojrzałych. Badania te prawdopodobnie wyjaśnią, dlaczego w pewnych przypadkach (na przykład gdy gen łańcucha β zostaje usunięty) ekspresja genu właściwego stadium płodowemu jest kontynuowana przez całe dorosłe życie. Czy oznacza to, że istnieją powiązane ze sobą systemy regulacyjne?
       Do poznania mechanizmów ekspresji genów hemoglobinowych przyczyniły się również przypadkowo zidentyfikowane mutacje. Na przykład grupa chorób genetycznych człowieka – tzw. talasemii – powodowana jest niemożnością syntezy równoważnych ilości polipeptydów α i β hemoglobiny. W niektórych talasemiach występują mutacje polegające na powstaniu kodonu stop w obrębie sekwencji kodującej, co uniemożliwia ukończenie translacji mRNA. Inne rodzaje mutacji uniemożliwiają prawidłowe wycinanie intronów, czego rezultatem jest mRNA, który nie może ulegać translacji. Jeszcze inne wynikają z całkowitej utraty jednego lub więcej genów polipeptydów α lub β.
       Trzustka, która wydaje się być pojedynczym narządem, w rzeczywistości stanowi zbiorowisko kilku różnych typów komórek. Podobnie jest z wieloma innymi narządami. Każdy z typów komórek trzustki produkuje i wydziela wysoko wyspecjalizowane białka. Insulinę produkują komórki jednego tylko typu, występujące w tak zwanych wyspach trzustkowych. Hormon ten jest rozprowadzany w ciele przez krew. Inne komórki trzustki produkują enzymy trawienne: chymotrypsynę, trypsynę i amylazę, które następnie dostarczane są do przewodu pokarmowego. Wszystkie geny dla tych białek występują we wszystkich komórkach organizmu. Ulegają ekspresji jednak tylko w określonych komórkach trzustki. Jakie procesy i elementy regulatorowe powodują tę skrajnie wybiórczą ekspresję genów? I co podczas rozwoju decyduje o takiej precyzji i ograniczeniach syntezy?
       Elementy sekwencyjne niezbędne do zapewnienia prawidłowej regulacji syntezy insuliny znajdują się w pobliżu 5' końca jej genu. Wiązanie się różnych białek regulatorowych z tymi sekwencjami reguluje transkrypcję genu insuliny. W komórkach nie syntetyzujących insuliny występują takie białka, które wiążą się z tym obszarem zapobiegając transkrypcji. W komórkach wysp występują natomiast takie, które aktywują transkrypcję genu insuliny, kiedy zwiążą się z tym rejonem. Podobnie, w otoczeniu genów kodujących enzymy trawienne występują specyficzne sekwencje DNA, które wiążą komórkowo specyficzne białka i wpływają na syntezę enzymów trawiennych zachodzącą w innych komórkach trzustki. Podczas różnicowania musi więc zostać przesądzone, co będą produkować oba typy komórek, poprzez aktywację właściwych genów białek regulatorowych (i wyłączenie innych). Szczegóły działania układu przełącznikowego nie są jeszcze zbadane, ale podstawy tej strategii są jasne i powtarzają się wielokrotnie w różnych innych narządach.
góra strony
poprzedni esej następny esej
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach