A génexpresszió és az ezzel kapcsolatos struktúrák Dr. Szabó Arnold szabo.arnold@med.semmelweis-univ.hu Semmelweis Egyetem Humánmorfológiai és Fejlődésbiológiai Intézet 2014. 09. 16.

Mi az a gén? A gének a DNS, ill. kromoszóma olyan egységei, amik egy génterméket kódolnak. A legtöbb gén fehérjéket kódol (Proteint kódoló gének), míg mások RNS-molekulák (tRNA, rRNA, snRNA, stb.) létrejöttéért felelősek (RNS-t kódoló gének).

Mi az a génexpresszió?

Hogy rendeződnek a gének a kromoszómákon? Egyetlen kromoszóma több száz vagy akár ezer gént tartalmazhat. De: a DNS 90-95%-a „üres”, tehát nem tartalmaz kódoló szekvenciát. Sok nem-kódoló DNS szekvencia jelentősége még ma sem ismert. A közbülső DNS szakaszoknak különböző funkcióik lehetnek, ilyenek: a gének szabályozásában szerepet játszó, génregulációs proteineket kötő DNS-szakaszok (promotor, enhancer, silencer), ismétlődő (repetitív) szekvenciák (pl. a kromoszómák végein a telomerák vagy a centromera régió), transposonok (rövid, „ugráló” DNS szakaszok), kis gátló funkciójú RNSeket (miRNS, siRNS) kódoló szekvenciák, stb. X-gén génregulációs helyei promotor A-gén kódoló szakasza X-gén replikációs kezdőhely telomera t-RNS gén telomera promotor Z-gén kódoló szakasza Y-gén génregulációs helyei ismétlődő szakaszok Z-gén regulációs helyei Y-gén promotor promotor centromera régió (ismétlődő szakaszok) rRNS-gének

Hogy épül fel egy átlagos eukarióta gén? Vég-pont Enhancer Exon Intron Exon Intron Exon 5’ 3’ 3’ 5’ Terminator Start-pont TATA-BOX Promoter Kódoló szakasz A promoter és az enhancer a gén szabályozó régióihoz tartoznak. A transzkripció előtt mindkét elemhez transzkripciós faktorok kötődnek. Ezek felelősek a gén aktiválásáért. Bizonyos gének silencer szekvenciákkal is rendelkeznek, melyek aktiválásával a gén transzkripciós aktivitása lecsökken. A kódoló szakasz exonokból és intronokból áll. Csak az exonok tartalmaznak aminosav szekvenciát kódoló adatokat. Az intronok ezzel szemben némák, és az általuk tárolt információ nem jelenik meg az aminosav szekvenciában.

RNS: az alapok RNS: Egyszálú Timin helyett Uracil Dezoxiribóz helyett ribóz Negatív töltés a foszfátcsoport miatt Sokféle 3’- és 5’-vég Lineáris

Transzkripció mRNS transzkripció: a fehérjét kódoló gén átíródik mRNS-re. Átalakítás után kijut a cytoplasmába és ott a fehérjeszintézishez (transzláció) szolgáltatja a mintát. tRNS és rRNS transzkripció: tRNS és rRNS átírása a megfelelő génekről. Mindkét RNS (fehérjékhez kötve) a transzláció fontos segédeszköze a cytoplasmában. További kis RNS-ek transzkripciója.

Transzkripció 3’ Ende primer transzkriptum

Egy gén mekkora részlete kerül átíródásra? Vég-pont Enhancer Exon Intron Exon Intron Exon 5’ 3’ 3’ 5’ Terminator Start-pont TATA-BOX Promoter Kódoló szakasz Transzkripciós egység Az átírt primer transzkriptum túl nagy, éretlen és nemcsak az exonok, de az intronok átiratát is tartalmazza. Az éretlen RNS–molekula kémiai módosítása még a sejtmagban megtörténik (mRNS processzálás).

mRNS processzálás 5’-sapka (cap): egy guanin nukleotid kötődik az 5’-végre. A 5’-sapka szignálfunkciót tölt be a magból a citoplazmába történő transzport és a transzláció során is. Poly-A farok: A 3’-vég adenin nukleotidok hozzáépülésével meghosszabbodik. A poly-A farok határozza meg az mRNS élettartamát. Splicing: Az összes intron eltávolításra kerül. A folyamatban ún. ribonukleoproteinek (RNS-protein komplexek) (Spliceosoma) játszanak szerepet. Minden fent említett folyamat még a sejtmagban történik.

mRNS processzálás: Splicing

Alternatív splicing Az alternatív splicing során az intronok mellett exonok is eltávolításra kerülhetnek. Az a mechanizmus lehetővé teszi, hogy ugyanazon génről több, kicsit vagy nagyon eltérő fehérjék képződjenek. Az így kialakult variánsokat splice variánsoknak híjuk.

Alternatív splicing: példa Exon 1 Intron Exon 2 Intron Exon 3 Gen Transzkripció Exon 1 Intron Exon 2 Intron Exon 3 Prä-mRNA Alternatív splicing Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 1 Exon 2 mRNA Transzláció Transzláció Ligandfelismerő domén Transzmembrán domén Protein Sejtmembrán Intracelluláris domén

Az érett mRNS-molekula AUG Methionin UGA UAG UAA Kodon: Az mRNS bázistriplettje. A 64 kodon közül három a stopkodon nem kódol aminosavat. Az első kodon mindig AUG (startkodon), ami egyben methionint is kódol. A további 19 aminosavat a maradék 60 kodon kódolja.

Transzkripciós faktorok A transzkripció szabályozása A génexpresszió szabályozása az élet egyik legfontosabb, központi mozzanata Szerepe: - a szervezet kifejlődésekor (differenciálódás: bizonyos fehérjék megjelennek, mások letiltódnak) - felnőtt szervezetben a környezethez való adaptálódás, sejtosztódás, külső jelekre válasz … A génexpresszió során az egyik legfontosabb szabályozási szint: a transzkripció szabályozása. Transzkripciós faktorok Specifikus transzkripciós faktorok - specifikus egy adott génre vagy géncsoportra - enhancer-hez kötődik - más specifikus transzkripciós faktorokkal kombinálódva szelektíven aktiválja a gént Általános transzkripciós faktorok - nem specifikus az adott génre, általános szerepű regulátor - a promoterhez (TATA-Box) kötődik - elősegíti az RNS-polimeráz bekötődését a promoterhez

tRNS-molekula Antikodon Rövid RNS-molekulák (<100 Nukleotid). Feladatuk az aminosavak szállítása a transzláció során. Specifikus bázistriplettjük az antikodon. A tRNS-molekulák is a sejtmagban transzkriptálódnak és processzálódnak, és csak ezt követően juthatnak ki a citoplazmába a magpórusokon keresztül. Aminosavat hordozó formáját Aminoacil-tRNS-nek hívjuk. Aminosav kötőhely Antikodon 2D-s szerkezet Lóhere alak 3D-s szerkezet szimbólum

rRNS-molekula Az rRNS molekulák is a sejtmagban, a sejtmagvacska területén transzkriptálódnak és processzálódnak. Az érett 18S rRNS 33 fehérjével együtt a kis riboszómális alegységbe épül be. Az 5S, 5,8S és 28S rRNS molekulák 49 fehérjével együtt a nagy riboszómális alegységet építik fel. Az rRNS-ek csak a riboszómális alegységekbe beépülve hagyhatják el a sejtmagot a magpórusokon keresztül.

Az eukariótákban a transzkripció és transzláció térben és időben elkülönülve zajlanak

A sejtmagban történő génregulációs támadáspontok DNS kondenzálódás, hiszton és DNS módosulások Transzkripció RNS processzálás Magpóruson keresztüli transzport

Génreguláció – kromatin struktúra A DNS citozin bázisainak metilálása (DNS metiláció) inaktiválja a gént.

Génreguláció – kromatin struktúra Acetiláció Deacetiláció Heterokromatin Eukromatin A hisztonok acetilálása fellazítja a heterokromatint, és az érintett kromatin szakasz eukromatikus lesz (génaktiválódás). A transzkripció előfeltétele, hogy az adott gén eukromatikus legyen. Fakultatív heterokromatin: olyan heterokromatin, ami szükség esetén fellazítható eukromatinná. Konstitutív heterokromatin: olyan DNS szakasz, ami örökre heterokromatikus, és ezáltal elérhetetlen marad a transzkripció számára.

További génregulációs lehetőségek Sejtmag DNS kondenzálódás, hiszton és DNS módosulások Transzkripció RNS processzálás Magpóruson keresztüli transzport RNS lebontása ribonukleáz enzimek által Transzláció Részleges proteolízis Kémiai módosítások Sorting és továbbítás a célhelyre Biológiailag aktív fehérje A fehérje ubikvitinizálódása és degradálódása a proteoszomában Lebomlott fehérje (aminosavak)

Felhasznált irodalom Neil A. Campbell, Jane B. Reece, und Jürgen Markl : Biologie, 7. Auflage Pearson Studium Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. Auflage, Garland Science Dr. Röhlich Pál előadásai