Naslovnica Impresum Predgovor Sadržaj Pojmovnik Literatura

 

 

Regulacija genske ekspresije u eukariota ovisna je o organizaciji genoma odnosno kromatina (Slike 17.1. i 17.2.). Iako su neki osnovni principi regulacije ekspresije gena zajednički i prokariotima i eukariotima, u eukariota postoje dodatne razine regulacije zbog složenosti organizacije genoma. Budući da je u eukariota DNA pakirana u kromatin, transkripcijska mašinerija mora biti sposobna kontrolirati njegovu kondenzaciju i dekondenzaciju. Specifična građa eukariotskih gena koji osim kodirajućih sekvenci (eksona) sadrži i nekodirajuće (introne) zahtijeva regulaciju ekspresije na posttranskripcijskoj razini. Transkripcija i translacija prostorno su i vremenski odvojeni procesi zbog ograničenosti staničnih struktura vlastitim membranama (u jezgri - transkripcija; u citoplazmi - translacija). Regulacija ekspresije eukariotskih gena je složeni sustav u kojem različiti elementi (na različitim mjestima i u različitom vremenu) ulaze u međusobne interakcije, te zbog interakcije sa staničnim okolišem omogućavaju sintezu pravih količina genskih produkata za funkcioniranje stanice.

Slika 17.1. Shema organizacije ljudskog genoma.

 

17.1. EKSPRESIJA EUKARIOTSKIH GENA

Regulacija ekspresije eukariotskih gena odvija se na nekoliko razina. Prva razina regulacije odnosi se na strukturu kromatina i njegovo remodeliranje u jezgri, a zatim slijedi još 6 razina regulacije (Slike 17.2.a. i b.).

 

Slika 17.2.a. Razine regulacije ekspresije eukariotskih gena.

 

 

 

Slika 17.2.b Razine regulacije ekspresije eukariotskih gena.

 

 

17.2. POVEZANOST KROMATINSKE STRUKTURE I TRANSKRIPCIJE

Struktura kromatina igra važnu ulogu u regulaciji ekspresije eukariotskih gena. Normalna struktura kromatina koju čine osnovne jedinica pakiranja, nukleosomi, održava nisku razinu bazalne transkripcijske aktivnosti.
Aktivacija gena zahtijeva remodeliranje strukture kromatina u promotorskim regijama jer nukleosomi sjede povrh promotorskih regija gena koji su inaktivni. Proteinski kompleksi premještaju te nukleosome oslobađajući time promotorsku regiju što omogućava aktivaciju gena.
Na transkripcijsku aktivnost kromatina utječe modifikacija aminokiselina (metiliranje i acetiliranje i dr.) u histonskim proteinima, a metiliranje DNA također je jedan od važnih mehanizama kontrole transkripcije (osobito u kralježnjaka).

Modifikacije histona

Kovalentne modifikacije HISTONA uzrokuju promjene strukture kromatina što dovodi do: aktivacije gena (npr. acetilacija) ili utišavanja gena. Modifikacije za pojedine aminokiselinske pozicije u histonima obavljaju visoko specifični enzimi.

Granu genetike koja objašnjava promjene u ekspresiji gena koje nisu rezultat promjene DNA sekvence nazivamo EPIGENETIKA (epigeneza+genetika).

17.3. METILACIJA DNA

Modifikacija kromatina i aktivnost gena može se povezati sa stupnjem metilacije DNA. DNA se metilira na citozinskim ostacima koji prethode gvaninima u polinukleotidnom lancu (CpG dinukleotidi). Metiliranje inhibira transkripciju gena. Geni koji su uvijek aktivni nisu metilirani. Metilacija ne sprječava replikaciju molekule DNA.
Održavanje nekog uzorka metilacije iz jedne generacije stanica u drugu rezultat je aktivnosti enzima metiltransferaze (Slika 17.3.). Metiliranje DNA važno je u kontroli ekspresije nekih gena aktivnih tijekom embrionalnog razvitka sisavaca. To nazivamo genomski utisak (engl. genomic imprinting): utisnuti geni (utišani, metilirani) metiliraju se tijekom spermatogeneze ili oogeneze pa ekspresija tih gena ovisi o tome jesu li naslijeđeni od oca ili od majke.
U vinske mušice i kvasca nema metilacije DNA.

Dodavanjem metilne skupine na 5C atom citozina nastaje 5-metilcitozin.

HIPOMETILACIJA je povezana s aktivnošću gena (promotorske regije, aktivni geni, “housekeeping” geni). HIPERMETILACIJA je povezana sa supresijom aktivnosti gena.
DEMETILACIJA - faktor selektivne aktivacije gena tijekom stanične diferencijacije.

 

Slika 17.3. Održavanje istog uzorka metilacije nakon replikacije zahvaljujući enzimu metiltransferazi.

 

Neke kemikalije koje sprječavaju metilaciju mogu “probuditi” prethodno uspavane gene, to je npr. 5-azacitidin. Geni koji su inaktivirani metilacijom mogu se uz pomoć 5-azacitidina ponovno aktivirati.
Z DNA je stabilizirana upravo metilacijom; CG sekvence se pretvaraju u stabilnu Z strukturu metilacijom što blokira transkripciju (http://en.wikipedia.org/wiki/File:A-DNA,_B-DNA_and_Z-DNA.png).

17.4. GENOMSKI UTISAK


Spermij i jajna stanica nose kromosome koji su različitog genomskog utiska (“imprintinga”). Ako je gen utisnut on je metiliran tj. inaktivan. Prema toj hipotezi isti alel može imati različiti fenotipski učinak ovisno o majčinom ili očevom utisku (Slika 17.4. i 17.5.). U svakoj se generaciji tijekom gametogeneze stari utisak briše te su svi kromosomi nanovo utisnuti što ovisi o spolu jedinke.Osnova genomskog utiska je metilacija DNA.

 

Slika 17.4. Različiti su geni epigenetički utišani u spermalnim i jajnim stanicama (preuzeto s: http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/imprinting/index.html).

 

UTISAK NA RAZINI KROMOSOMA – vidljiv je u obliku dva sindroma čija je molekularna osnova ista (delecija q kraka kromosoma 15; http://www.mgm.ufl.edu/faculty/Ddriscoll.htm), ali ekspresija ovisi da li se nasljeđuje od majke ili od oca (Slika 17.5.).

 


Slika 17.5.a. Prader-Willi sindrom nastaje zbog delecije očevog, a inaktivacije majčinog gena na 15. kromosomu. Sindrom karakterizira: nizak rast, pretilost, male šake i stopala, hipogonadizam i mentalna retardacija.

 

 

 

Slika 17.5.b. Angelman sindrom nastaje zbog delecije majčinog, a inaktivacije očevog gena na 15. kromosomu. Sindrom karakterizira: zastoj u razvitku, poteškoće u govoru, mentalna retardacija i prenaglašeni smijeh ("happy puppet syndrome").

 

 

17.5. TRANSPOZONI

Preraspodjela DNA u genomu može izazvati promjenu u ekspresiji gena. Barbara McClintock je 1940-tih otkrila transpozone u kukuruza (Ac-Ds sistem; Nobelova nagrada 1983.); transpozoni u prokariota otkriveni su 1967. Transpozoni obuhvaćaju sljedove nukleotida koji mogu mijenjati mjesta u genomu; nazivamo ih još i pokretni genetički elementi. U eukariota su obično raspršeni duž kromosoma te spadaju u raspršenu ponavljajuću DNA. Ako se transpozon ubaci unutar gena on može poremetiti njegovu ekspresiju. Dobar primjer je ubacivanje transpozona unutar gena za boju cvijeta (Slika 17.6.a.). Stanice u obojanom dijelu cvijeta u genu za boju nemaju ubačeni trasnpozon, dok bijeli dio cvijeta čine stanice u kojima je zbog umetanja transpozona poremećena ekspresija gena pa nema sinteze pigmenta (Slika 17.6.b.).
S obzirom na način premještanja u genomu dijelimo ih na transpozone i retrotranspozone.
DNA transpozoni se premještaju izrezivanjem iz jednog mjesta i ugradnjom u drugo mjesto “cut/paste” mehanizmom, uz pomoć enzima transpozaze kojega kodira transpozon (Slika 17.7.a.).
Retrotranspozoni se premještaju uz pomoć RNA intermedijera koji se uz pomoć enzima reverzne transkriptaze (gen retrotranspozona) prepisuje u DNA i ugrađuje na neko drugo mjesto (mehanizam "copy/paste"; slika 17.7.b.).

 

Slika 17.7.a. DNA transpozoni - premještaju se u obliku DNA, “cut/paste” mehanizmom uz pomoć enzima transpozaze.

 

 

 

Slika 17.7.b. Retrotranspozoni se premještaju uz pomoć RNA intermedijera: DNA → RNA → DNA.

 

 

17.6. REGULACIJA NA RAZINI TRANSKRIPCIJE (Slike 17.8.a. i b.)

Sinteza mRNA započinje s RNA polimerazom koja djeluje zajedno s brojnim proteinima (transkripcijski faktori) na promotoru. Polimeraza i transkripcijski faktori vežu se za specifične sekvence unutar promotora. U eukariota se dodatni transkripcijski faktori vežu selektivno na druge regulatorne elemente uključujući i tzv. regije pojačivače (“enhancers”) DNA. Oni mogu biti udaljeni i do 10.000 nukleotida uzvodno od promotora i kodirajuće sekvence, a mogu pojačati stopu transkripcije i do 200 puta.

 

Slika 17.8. a. i b. Regulacija transkripcije odvija se uz pomoć transkripcijskih faktora i pojačivačkih regija DNA.

 

 

17.7. POSTTRANSKRIPCIJSKA REGULACIJA

Uključuje sintezu mRNA, njezino procesiranje i transport u citoplazmu (Slika 17.9.). Trankripcijom nastaje primarni transkript iz kojega se izrezuju intronske regije, a zatim se eksoni spajaju i zaštićuju krajevi molekule (5' kraj - GTP glava; 3' kraj - poliA rep) mRNA. Životni vijek mRNA molekule u citoplazmi je također važan faktor kontrole proteinske sinteze. mRNA molekule eukariota mogu "živjeti" satima, danima ili tjednima (ovisno o duljini poli-A repa: od 20-200 adenilnih ostataka). Ako se dvije molekule mRNA razlikuju u brzini kojom ih razgrađuju enzimi u citoplazmi, one se razlikuju i u tome koliko dugo svaka kontrolira sintezu proteina.

 

Slika 17.9. Posttranskripcijska kontrola; RNA procesiranje.

 

 

17.8. TRANSLACIJSKA I POSTTRANSLACIJSKA KONTROLA

Translaciju u eukariota kontroliraju proteinski faktori kao što su inicijacijski faktori. Mnogobrojni kontrolni mehanizmi translacije djeluju tako da blokiraju inicijaciju translacije vezanjem regulatornih proteina na 5' kraj mRNA čime je onemogućeno vezanje male podjedinice ribosoma.

Nakon što translacija završi često se novosintetizirani polipeptidi moraju modificirati da bi nastao aktivni produkt. Primjerice inzulin se prvo sintetizira kao jedan polipeptidni lanac, a postaje aktivan tek kada enzim izreže središnji dio lanca te ostanu 2 polipeptida koji se povezuju disulfidnim mostovima.

Mnogi se polipeptidi modificiraju dodatkom kemijskih grupa npr. šećera (glikozilacija) da bi postali aktivni. Također neki signalni mehanizmi potrebni su da proteini dođu do mjesta svoje funkcije.

 

17.9. POREMEĆENA REGULACIJA STANIČNE DIOBE - RAK

Stanice raka imaju poremećenu regulaciju stanične diobe što uzrokuje abnormalnu proliferaciju stanica i rast tvorevina koje nazivamo tumorima (novotvorevine, neoplazme).Tumor nastaje od jedne stanice, dakle ima monoklonsko porijeklo.
Preobrazbu normalne stanice u tumorsku stanicu nazivamo transformacija.
Kada se normalna stanica transformira u tumorsku, ona ponovno ulazi u stanični ciklus te diobama nastanu milijarde promijenjenih stanica od kojih je građen tumor. Nekontrolirani rast je samo jedna od značajki transformirane tumorske stanice; tumorske stanice su besmrtne i mogu se beskonačno dijeliti u kulturi (http://www.chem.ucla.edu/dept/Faculty/gimzewski/nnano2.html).

Karakteristike rasta normalnih i tumorskih stanica:

Normalne stanice

Tumorske stanice

Tumori najčešće nastaju zbog mutacija (mutacijska teorija: točkaste i kromosomske mutacije uzrokuju rak) ali mogu biti inducirani i virusnim infekcijama.
Rak nastaje zbog abnormalne ekspresije gena koji reguliraju rast i diobu stanica. Dvije vrste gena koji sudjeluju u kontroli staničnog rasta i diobe mogu mutacijama uzrokovati rak. To su proto-onkogeni i tumor-supresorski geni.
Proto-onkogeni su geni koji kontroliraju stanični rast i diferencijaciju (tirozinske kinaze, faktori rasta, GTP-vezajući proteini, DNA-vezajući proteini). Proto-onkogene imaju svi kralješnjaci, a nađeni su i u vinske mušice. Ako ti geni mutiraju te time zaobiđu normalne kontrolne mehanizme i postaju visoko aktivni nazivamo ih onkogenima (Slika 17.10.).
Zračenja, kemijske tvari i virusi (v-onc) mogu aktivirati onkogene: npr. ras proto-onkogen postaje onkogen mutacijom, c-myc proto-onkogen postaje onkogen zbog recipročne translokacije (8/14, Burkitt-ov limfom, slika 17.11.; kronična mijeloidna leukemija nastaje recipročnom translokacijom 9/22 itd.).

 

Slika 17.10. Proto-onkogeni postaju onkogeni: translokacijom ili transpozicijom (1); amplifikacijom (2); točkastom mutacijom (3).

 

 

 

Slika 17.11. Burkitt-ov limfom posljedica je recipročne translokacije 8/14
(preuzeto s: http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/B/BurkittLymphoma.html).

 

 

TUMOR-SUPRESORSKI GENI

Nazivamo ih još i anti-onkogeni, jer suprimiraju maligni rast stanica. To su geni koji održavaju staničnu diobu na normalnoj razini. Gubitak ili mutacija tih gena uzrokuju poremećaj stanične diobe. Prvi izolirani tumor-supresorski gen bio je gen za retinoblastom – oblik raka mrežnice. Najpoznatiji tumor-supresorski gen, koji se nalazi na kromosomu 17, je p53 čiji je produkt protein od 53 kilodaltona. Taj je protein stanični čuvar rasta i diobe. Mutacija tog gena je najčešća mutacija u različitim tumorima (u oko 50% svih tumora). Gen p53 je u zdravih osoba u inaktivnom stanju, a aktivira se kada za njim postoji potreba; p53 je transkripcisjki faktor koji se veže za promotore najmanje 8 gena te pojačava njihovu transkripciju.
Neke mutacije proto-onkogena i tumor-supresorskih gena su nasljedne što daje predispoziciju za nastanak nekih vrsta raka.

 

17.10. SAŽETAK