Информация

4.13: Регуляция эукариотических генов - Биология

4.13: Регуляция эукариотических генов - Биология



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Вкл или Выкл? Вкл или Выкл? Вкл или Выкл?

Это ключевой вопрос. Генная регуляция у эукариот - это строго регулируемый процесс, обычно включающий множество белков, которые либо связываются друг с другом, либо связываются с ДНК.

Регуляция эукариотических генов

В эукариотических клетках начало транскрипции - одна из самых сложных частей регуляции генов. Может быть задействовано много регуляторных белков и регуляторных элементов. Регулирование также может включать усилители. Усилители представляют собой отдаленные участки ДНК, которые могут образовывать петлю, чтобы взаимодействовать с промотором гена.

Коробка TATA

Различные типы клеток имеют уникальные образцы регуляторных элементов, в результате которых транскрибируются только необходимые гены. Вот почему, например, клетка кожи и нервная клетка так отличаются друг от друга. Однако некоторые паттерны регуляторных элементов являются общими для всех генов, независимо от клеток, в которых они встречаются. Примером может служить Коробка ТАТА, названный так потому, что он имеет основную последовательность ТАТААА. Это регуляторный элемент, который является частью промотора большинства эукариотических генов. Ряд регуляторных белков связываются с ТАТА-боксом, образуя мультибелковый комплекс. Только когда все подходящие белки связаны с ТАТА-боксом, РНК-полимераза распознает комплекс и связывается с промотором. После связывания РНК-полимеразы начинается транскрипция. Чтобы посмотреть видео, показывающее роль блока TATA в инициации транскрипции, перейдите по этой ссылке: http://www.youtube.com/watch?v=6tqPsI-9aQA.

Регулирование в процессе разработки

Регуляция экспрессии генов чрезвычайно важна во время развития организма. Регуляторные белки должны включать определенные гены в определенных клетках в нужное время, чтобы в организме развивались нормальные органы и системы органов. Гены гомеобокса являются примером генов, регулирующих развитие. Они кодируют регуляторные белки, которые включают целый ряд основных генов развития. У насекомых гены гомеобокса называются гены hox убедитесь, что части тела, такие как конечности, развиваются в правильном месте. Фигура ниже показано, как мутация в гене hox может повлиять на развитие насекомого. У других организмов, включая человека, также есть гены как. Вы можете узнать больше о генах гомеобокса по этой ссылке: http: //www.youtube.com/watch? V = LFG-aLidT8s.

Эффект мутации гена Hox. Ученые вызвали мутацию в гене hox этой плодовой мушки. В результате мутации из его головы выросла нога там, где должна была развиться антенна.

Экспрессия генов и рак

Мутации, вызывающие рак, обычно возникают в двух типах регуляторных генов: гены-супрессоры опухолей а также протоонкогены (видеть Фигура ниже). Эти гены производят регуляторные белки, контролирующие клеточный цикл. Когда гены мутируют, клетки с мутациями делятся быстро и без ограничений, что может привести к опухоли и раку.

Как развивается рак. Эта блок-схема показывает, как серия мутаций в генах-супрессорах опухолей и протоонкогенах приводит к раку.

Резюме

  • Регуляция транскрипции у эукариот обычно более сложна, чем у прокариот. Он включает уникальные регуляторные элементы в разных клетках, а также общие регуляторные элементы, такие как ТАТА-бокс.
  • Регулирование особенно важно во время разработки. Он может включать регуляторные гены, такие как гены гомеобокса, которые включают или выключают другие регуляторные гены.
  • Мутации в регуляторных генах, которые обычно контролируют клеточный цикл, вызывают рак.

Узнать больше

Используйте этот ресурс, чтобы ответить на следующие вопросы.

  • Мастер-гены контролируют основные планы тела на www.dnalc.org/resources/nobel/lewis_nauulein_wieschaus.html.
  1. Как были идентифицированы гены, контролирующие раннее эмбриональное развитие?
  2. Опишите полярность оплодотворенной яйцеклетки, поскольку она связана с экспрессией белка.
  3. Что означает «сегментация» у развивающейся мухи?
  4. Что такое гэп-мутант?
  5. Опишите мутант антеннапедии.
  6. Что такое белок гомеобокс?

Рассмотрение

  1. Определите блок TATA и его функцию в транскрипции.
  2. Что такое ген гомеобокса?
  3. Почему регуляция генов особенно важна во время развития?
  4. Что такое гены-супрессоры опухолей и протоонкогены?
  5. Набросайте, как может выглядеть насекомое с мутированным геном hox. Объясните свой набросок.

Регуляция экспрессии генов: модели и методы

ДНК, химический носитель наследственности, состоит из функциональных единиц, а именно генов. Термин «геном» относится ко всей генетической информации, содержащейся в клетке.

Бактерии Escheri & shychia coli содержат около 4400 генов, присутствующих на одной хромосоме.

Геном человека более сложный, с 23 парами (диплоидных) хромосом и шисом, содержащих 6 миллиардов (6 × 10 9) пар оснований ДНК, с примерно 30 000-40 000 генов. В любой момент времени экспрессируется только часть генома.

Живые клетки обладают замечательным свойством адаптироваться к изменениям в окружающей среде, регулируя экспрессию генов. Например, инсулин синтезируется специализированными клетками поджелудочной железы, а не клетками других органов (например, почки, печени), хотя ядра всех клеток тела содержат гены инсулина. Молекулярные регуляторные механизмы облегчают экспрессию гена инсулина в поджелудочной железе, предотвращая его экспрессию в других клетках.

Генная регуляция - Общие:

Регулирование экспрессии генов абсолютно необходимо для роста, развития, дифференциации и самого существования организма. Есть два типа генной регуляции - положительная и отрицательная.

1. Положительное регулирование:

Регулирование гена считается положительным, если его экспрессия повышается регуляторным элементом (положительным регулятором).

2. Отрицательное регулирование:

Снижение экспрессии гена из-за наличия регуляторного элемента (негативного регулятора) называется негативной регуляцией. Здесь можно отметить, что двойное отрицательное воздействие на регуляцию генов приводит к положительному феномену.

Конститутивные и индуцибельные гены:

Гены обычно делятся на две категории.

Продукты (белки) этих генов необходимы клетке все время. Следовательно, конститутивные гены (или гены домашнего хозяйства) экспрессируются с более или менее постоянной скоростью почти во всех клетках и, кроме того, они не подвергаются регуляции, например. ферменты цикла лимонной кислоты.

Концентрация белков, синтезируемых индуцибельными генами, регулируется различными молекулярными сигналами. Индуктор увеличивает экспрессию этих генов, в то время как репрессор снижает, например триптофан пирролаза печени индуцируется триптофаном.

Концепция одного подразделения Cistron-One:

Химический продукт экспрессии гена - это белок, который может быть ферментом. Первоначально считалось, что каждый ген кодирует определенный фермент, что привело к популярной концепции «один ген - один фермент». Однако это не обязательно верно из-за того, что несколько ферментов (или белков) состоят из двух или более неидентичных субъединиц (полипептидных цепей). Цистрон - самая маленькая единица генетической экспрессии. Это фрагмент ДНК, кодирующий субъединицу белковой молекулы. Первоначальная концепция фермента один ген - один заменена одной субъединицей цистрона.

Модели для изучения экспрессии генов:

Выяснение регуляции экспрессии генов у прокариот в значительной степени помогло понять принципы потока информации от генов к мРНК для синтеза определенных белков. Сначала описаны некоторые важные особенности экспрессии прокариотических генов. Далее следует краткое описание экспрессии эукариотических генов.

Концепция оперона:

Оперон - это скоординированная единица генетической экспрессии у бактерий. Концепция оперона была введена Джейкобом и Моно в 1961 г. (Нобелевская премия 1965 г.) на основе их наблюдений за регуляцией метаболизма лактозы в E. coli. Это широко известно как лак-оперон.

Лактоза (LAC) Оперон:

Структура lac-оперона:

Оперон lac (рис. 5.1) состоит из регуляторного гена (I I для ингибирования), гена-оператора (O) и трех структурных генов (Z, Y, A). Помимо этих генов, рядом с геном-оператором есть промоторный сайт (P), где связывается ферментная РНК-полимераза. Структурные гены Z, Y и A соответственно кодируют ферменты β-галактозидазу, галактозидпермеазу и галактозидацетилазу. β-галактозидаза гидролизует лактозу (β-галактозид) до галактозы и глюкозы, в то время как пермеаза отвечает за транспорт лактозы в клетку. Функция ацетилазы (кодируемой геном A) остается загадкой.

Структурные гены Z, Y и A транскрибируются в одну большую мРНК с 3 независимыми единицами трансляции для синтеза 3 различных ферментов. МРНК, кодирующая более одного белка, известна как полицистронная мРНК. Прокариотические организмы содержат большое количество полицистронных мРНК.

Репрессия lac-оперона:

Регуляторный ген (I) является конститутивным. Он экспрессируется с постоянной скоростью, что приводит к синтезу lac-репрессора. Lac-репрессор представляет собой тетрамерный (4 субъединицы) регуляторный белок (общая мол. Масса 150 000), который специфически связывается с геном-оператором (O). Это предотвращает связывание фермента РНК-полимеразы с промоторным сайтом (P), тем самым блокируя транскрипцию структурных генов (Z, Y и A). Вот что происходит при отсутствии лактозы в кишечной палочке. Молекула-репрессор действует как негативный регулятор экспрессии генов.

Депрессия lac-оперона:

При наличии в среде лактозы (индуктора) небольшое ее количество может проникать в клетки E. coli. Молекулы-репрессоры обладают высоким сродством к лактозе. Молекулы лактозы связываются и вызывают изменение конформации репрессора. В результате репрессор деактивируется и, следовательно, не может связываться с геном оператора (O).

РНК-полимераза прикрепляется к ДНК в промоторном сайте, и транскрипция продолжается, что приводит к образованию полицистронной мРНК (для генов Z, Y и A) и, наконец, трех ферментов. Таким образом, лактоза индуцирует синтез трех ферментов Р-галактозидазы, галактозидпермеазы и галактозидацетилазы. Лактоза действует, инактивируя молекулы-репрессоры, поэтому этот процесс известен как дерепрессия lac-оперона.

Существуют определенные структурные аналоги лактозы, которые могут индуцировать lac-оперон, но не являются субстратами для фермента β-галактозидазы. Такие вещества известны как беспричинные индукторы. Изопропилтиогалактозид (IPTG) - это бесплатный индуктор, широко используемый для изучения lac-оперона.

Белок-активатор гена катаболита:

Клетки E. coli утилизируют глюкозу, а не лактозу, когда обе они присутствуют в среде. После истощения глюкозы в среде начинается утилизация лактозы. Это указывает на то, что глюкоза каким-то образом препятствует индукции lac-оперона. Это объясняется следующим образом.

Присоединение РНК-полимеразы к промоторному сайту требует присутствия белка-активатора гена катаболита (CAP), связанного с циклическим AMP (рис. 5.2). Присутствие глюкозы снижает внутриклеточную концентрацию цАМФ за счет инактивации фермента аденилатциклазы, ответственного за синтез цАМФ. Из-за пониженных уровней цАМФ образование ЦАП-цАМФ низкое.

Следовательно, связывание РНК-полимеразы с ДНК (из-за отсутствия CAP-cAMP) и транскрипция практически незначительны в присутствии глюкозы. Таким образом, глюкоза мешает экспрессии lac-оперона, истощая уровни цАМФ. Обнаружено, что добавление экзогенного цАМФ инициирует транскрипцию многих индуцибельных оперонов, включая lac-оперон.

Теперь ясно, что присутствие CAP-cAMP необходимо для транскрипции структурных генов lac-оперона. Таким образом, CAP-cAMP действует как положительный регулятор экспрессии гена. Следовательно, очевидно, что lac-оперон подвергается как положительной (репрессор, описанный выше), так и отрицательной регуляции.

Триптофановый оперон:

Триптофан - это ароматическая аминокислота, которая необходима для синтеза всех белков, содержащих триптофан. Если триптофан отсутствует в среде в достаточном количестве, бактериальная клетка должна его вырабатывать, поскольку он необходим для роста бактерий.

Оперон триптофана E. coli изображен на рис. 5.3. Этот оперон содержит пять структурных генов (trpE, trpD, trpC, trpB, trpA) и регуляторные элементы - первичный промотор (trpP), оператор (trpO), аттенюатор (trpa), вторичный внутренний промотор (TrpP).2) и терминатор (trpt).

Пять структурных генов оперона триптофана кодируют три фермента (два фермента содержат две разные субъединицы), необходимых для синтеза триптофана из хлоризматов. Репрессор триптофана всегда включен, если он не подавляется определенной молекулой, называемой корепрессором. Таким образом, оперон лактозы (уже описанный) является индуцибельным, тогда как оперон триптофана репрессируемым. Говорят, что оперон триптофана подавлен, когда он активно транскрибируется.

Регулирование триптофанового оперона репрессором:

Триптофан действует как корепрессор, останавливая синтез ферментов из оперона триптофана. Это проявляется в связи со специфическим белком, а именно репрессором триптофана. Репрессор триптофана, гомодимер (содержащий две идентичные субъединицы), связывается с двумя молекулами триптофана, а затем связывается с оператором trp, чтобы отключить транскрипцию. Интересно отметить, что репрессор триптофана также регулирует транскрипцию гена (trpR), ответственного за его собственный синтез.

Две полицистронные мРНК образуются из оперона триптофана: одна происходит от всех пяти структурных генов, а другая - от последних трех генов. Помимо действия в качестве корепрессора, регулирующего оперон триптофана, триптофан может ингибировать активность фермента антранилатсинтетазы. Это называется ингибированием с обратной связью и вызывается связыванием триптофана в аллостерическом сайте на антранилатсинтетазе.

Аттенюатор как второй сайт контроля триптофанового оперона:

Ген аттенюатора (trpa) оперона триптофана расположен выше гена trpE. Аттенуация - это второй уровень регуляции триптофанового оперона. Область аттенюатора обеспечивает РНК-полимеразу, которая регулирует транскрипцию. В присутствии триптофана транскрипция преждевременно завершается на конце области аттенюатора. Однако в отсутствие триптофана область аттенюатора не влияет на транскрипцию. Следовательно, можно синтезировать полицистронную мРНК пяти структурных генов.

Экспрессия генов у эукариот:

Каждая клетка высшего организма содержит весь геном. Как и у прокариот, экспрессия генов у эукариот регулируется, чтобы обеспечить соответствующий ответ на биологические потребности.

Это может происходить следующими способами:

я. Экспрессия определенных генов (генов домашнего хозяйства) в большинстве клеток.

II. Активация выбранных генов по запросу.

iii. Постоянная инактивация нескольких генов всех типов, кроме нескольких.

В случае прокариотических клеток большая часть ДНК организована в гены, которые можно транскрибировать. Напротив, у млекопитающих очень небольшая часть общей ДНК организована в гены и связанные с ними регуляторные последовательности. Функция большей части дополнительной ДНК неизвестна. Экспрессия эукариотических генов и ее регуляция очень сложны. Кратко описаны некоторые важные аспекты.

Структура хроматина и экспрессия генов:

ДНК у высших организмов сильно сложена и упакована, образуя комплекс белок-ДНК, называемый хроматином. Структурная организация ДНК в виде хроматина играет важную роль в экспрессии эукариотических генов. Фактически, структура хроматина обеспечивает дополнительный уровень контроля экспрессии генов.

Выбранный список генов (представленных продуктами) вместе с соответствующими хромосомами, на которых они расположены, приведен в таблице 5.1.

В общем, гены, которые транскрибируются в конкретной клетке, менее конденсированы и более открыты по структуре. Это контрастирует с генами, которые не транскрибируются, которые образуют высококонденсированный хроматин.

Ацетилирование и деацетилирование гистонов:

Сегменты ДНК эукариот оборачиваются вокруг гистоновых белков с образованием нуклеосом. Ацетилирование или деацетилирование гистонов является важным фактором в определении экспрессии генов. Как правило, ацетилирование гистонов приводит к активации экспрессии генов, в то время как деацетилирование отменяет эффект.

Ацетилирование происходит преимущественно по остаткам лизина на аминоконцевых концах гистонов. Эта модификация гистонов снижает положительные заряды концевых концов (хвостов) и снижает их аффинность связывания с отрицательно заряженной ДНК. Следовательно, структура нуклеосом нарушается, чтобы позволить транскрипцию.

Метилирование ДНК и инактивация генов:

Цитозин в последовательности CG ДНК метилируется с образованием 5 & # 8242-метилцитозина. Основная часть последовательностей CG (около 20%) в ДНК человека существует в метилированной форме. В общем, метилирование приводит к потере транскрипционной активности и, следовательно, к инактивации генов. Это происходит из-за связывания белков, связывающих метилцитозин, с метилированной ДНК.

В результате метилированная ДНК не подвергается воздействию факторов транскрипции и не связывается с ними. Интересно отметить, что метилирование ДНК коррелирует с деацетилированием гистонов. Это дает двойное средство подавления генов. Активация и нормальная экспрессия генов, а также инактивация генов метилированием ДНК показаны на рис. 5.4.

Энхансеры и тканеспецифическая экспрессия генов:

Энхансеры (или активаторы) - это элементы ДНК, которые облегчают или усиливают экспрессию генов. Энхансеры обеспечивают сайты связывания для определенных белков, регулирующих транскрипцию. Они облегчают связывание транскрипционного комплекса с промоторными областями.

Энхансеры отличаются от промоторов двумя разными способами:

1. Энхансеры могут быть расположены в тысячах пар оснований от начала сайта транскрипции (промоторы расположены близко к сайту транскрипции).

2. Они могут работать в любой ориентации, т.е. энхансеры могут работать выше (5 & # 8242) или ниже (3 & # 8242) от промотора.

Идентифицировано несколько эукариотических генов, содержащих энхансерные элементы в различных местах относительно их кодирующих областей.

Некоторые из энхансеров обладают способностью стимулировать транскрипцию тканеспецифическим образом. Например, экспрессия гена в лимфоидных клетках для продукции иммуноглобулина & # 8217s (Ig) стимулируется энхансером, связанным с генами Ig между J- и C-областями.

Трансгенных животных часто используют для изучения тканеспецифической экспрессии. Имеющиеся данные различных исследований указывают на то, что тканеспецифическая экспрессия генов в значительной степени опосредована участием энхансеров.

Сочетание элементов ДНК и белков в экспрессии генов:

Экспрессия генов у млекопитающих - сложный процесс с несколькими стимулами окружающей среды на один ген. Окончательный ответ гена, который может быть положительным или отрицательным, вызывается ассоциацией элементов ДНК и белков.

На иллюстрации, приведенной на рис. 5.5, ген I активируется комбинацией активаторов 1, 2 и 3. Ген II более эффективно активируется комбинированным действием 1, 3 и 4. Активатор 4 не находится в прямом контакте с ДНК, но она образует мост между активаторами 1 и 3 и активирует ген II. Что касается гена III, он инактивируется комбинацией 1, 5 и 3. В этом случае белок 5 препятствует связыванию белка 2 с ДНК и инактивирует ген.

Мотивы в белках и экспрессии генов:

Мотив буквально означает доминирующий элемент. Определенные мотивы в белках опосредуют связывание регуляторных белков (факторов транскрипции) с ДНК. Специфический контроль транскрипции происходит путем связывания регуляторных белков с высоким сродством с правильными участками ДНК. Подавляющее большинство специфических взаимодействий белок-ДНК вызывается четырьмя уникальными мотивами.

Перечисленные выше аминокислотные мотивы связываются с высоким сродством с конкретным сайтом и с низким сродством к другим частям ДНК. Взаимодействия мотив-ДНК поддерживаются водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса.

Мотив спираль-поворот-спираль:

Мотив спираль-поворот-спираль (HTS) состоит примерно из 20 аминокислот, что составляет небольшую часть большого белка. HTS - это доменная часть белка, которая специфически взаимодействует с ДНК (рис. 5.6A). Примеры белков с мотивом спираль-поворот-спираль включают в себя репрессор лактозы и белок-активатор катаболита циклического АМФ (CAP) E.coli, а также несколько важных для развития факторов транскрипции у млекопитающих, все вместе называемых гомеодоменными белками. Термин гомеодомен относится к той части белка факторов транскрипции, которая распознает ДНК. Гомеодоменные белки играют ключевую роль в развитии млекопитающих.

Цинковые пальцы:

Некоторое время назад было признано, что фактор транскрипции TFIIIA требует цинка для своей активности. При анализе было обнаружено, что каждый TFIIIA содержит ионы цинка в виде повторяющегося координированного комплекса. Этот комплекс образован близко расположенными аминокислотами цистеином и цистеином, за которыми следует пара гистидин-гистидин. В некоторых случаях His-His заменяется второй парой Cys-Cys (рис. 5.6B).

Цинковые пальцы прикрепляются к большой бороздке ДНК и лежат на поверхности ДНК. Это связывание обеспечивает контакт с 5 п.н. ДНК. Факторы транскрипции рецепторов стероидных гормонов используют мотивы цинковых пальцев для связывания с ДНК.

Возникновение мутации, приводящей к замене одной аминокислоты цинкового пальца, может привести к устойчивости к действию определенных гормонов на экспрессию генов. Обнаружен мутировавший цинковый палец, устойчивый к действию кальцитриола (активная форма витамина D). В конечном итоге это может привести к рахиту (дефициту витамина D).

Мотив застежки-молнии с лейцином:

6 основных областей белков лейциновой молнии (bZIP) богаты аминокислотой лейцином. В каждом седьмом положении происходит периодическое повторение остатков лейцина. Этот тип повторяющейся структуры позволяет двум идентичным мономерам или гетеродимерам соединяться вместе и образовывать димерный комплекс. Этот белок-белковый комплекс связывается и взаимодействует с ДНК (рис. 5.6C). Хорошими примерами белков лейциновой молнии являются белки, связывающие энхансер (EBP) - fos и jun.

Мотив спираль-петля-спираль:

Два амфипатических (буквально означает ощущение близости) а-спиральных сегмента белков могут образовывать мотив спираль-петля-спираль и связываться с ДНК. Димерная форма белка действительно связывается с ДНК (рис. 5.6D).

Генная регуляция у эукариот:

Наиболее важные из них перечислены ниже:

4. Альтернативный сплайсинг мРНК.

5. Транспорт мРНК из ядра в цитоплазму.

Амплификация гена:

В этом механизме экспрессия гена увеличивается в несколько раз. Это обычно наблюдается на стадиях развития эукариотических организмов. Например, у плодовой мухи (Drosophila) в процессе оогенеза наблюдается усиление генов, кодирующих белки скорлупы яйца. Амплификацию гена (ДНК) можно наблюдать под электронным микроскопом (рис. 5.7).

Сообщалось также о возникновении амплификации гена у людей. Метотрексат - противораковое лекарственное средство, которое ингибирует фермент дигидрофолатредуктазу. Злокачественные клетки развивают лекарственную устойчивость к длительному введению метотрексата за счет амплификации генов, кодирующих дигидрофолатредуктазу.

Генная перестройка:

Организм обладает огромной способностью синтезировать широкий спектр антител. Подсчитано, что человеческое тело может вырабатывать около 10 миллиардов (10) антител в ответ на стимуляцию антигеном. Молекулярный механизм этого разнообразия антител долго не понимался. Теперь это объясняется на основе перестройки генов или транспозиции генов или соматической рекомбинации ДНК.

Структура типичного молекулы иммуноглобулина состоит из двух легких (L) и двух тяжелых (H) цепей. Каждая из этих цепей (L или H) содержит N-концевую вариабельную (V) и C-концевую константную (C) области.

V-области иммуноглобулинов # 8217 отвечают за распознавание антигенов. Феномен перестройки генов можно понять из механизма синтеза легких цепей иммуноглобулинов №8217 (рис. 5.8).

Каждая легкая цепь может быть синтезирована тремя различными сегментами ДНК, а именно вариабельной (VL), стыковка (JL) и константа (CL). Геном млекопитающих и шилиан содержит около 500 В.L сегменты, 6 ДжL сегменты и 20 CL сегменты. В процессе дифференцировки В-лимфоцитов один VL сегмент (из 500) приближен к JL и CL сегменты. Это происходит на той же хромосоме.

Для наглядности 100-й VL, 3-й ДжL и 10-й СL сегменты переставлены на рис. 5.8. Перестроенная ДНК (с VL, ДжL и CL фрагменты) затем транскрибируется для получения единственной мРНК для синтеза конкретной легкой цепи антитела. Бесчисленными комбинациями VL, ДжL и CL сегментов иммунная система организма может генерировать миллионы антигенспецифических молекул иммуноглобулинов. Образование тяжелых (H) цепей иммуноглобулинов & # 8217s также происходит путем перестройки 4 различных генов - вариабельных (VЧАС), разнообразие (D), объединение (JЧАС) и постоянной (CЧАС).

Обработка РНК:

РНК, синтезируемая при транскрипции, претерпевает модификации, в результате чего образуется функциональная РНК. Изменения включают сплайсинг интрон-экзон, полиаденилирование и т. Д.

Альтернативный сплайсинг мРНК:

Эукариотические клетки способны выполнять альтернативную обработку мРНК для контроля экспрессии генов. Различные мРНК могут быть получены путем альтернативного сплайсинга, кодирующего разные белки.

Деградация мРНК:

На экспрессию генов косвенно влияет стабильность мРНК. Определенные гормоны регулируют синтез и деградацию некоторых мРНК. Например, эстрадиол продлевает период полужизни мРНК вителлогенина с нескольких часов до примерно 200 часов.

Похоже, что концы молекул мРНК определяют стабильность мРНК. Типичная мРНК эукариот имеет 5 & # 8242-некодирующих последовательностей (5 & # 8242-NCS), кодирующую область и 3 & # 8242-NCS. Все мРНК кэпированы на конце 5 & # 8242, и большинство из них имеют полиаденилатную последовательность на конце 3 & # 8242 (рис. 5.9). Кэп 5 & # 8242 и поли (A) хвост защищают мРНК от атаки экзонуклеазой. Кроме того, структуры стержень-петля в областях NCS и богатые AU области в NCS 3 & # 8242 также обеспечивают стабильность мРНК.

Методы изучения экспрессии / регуляции генов:

Экспрессия гена или регуляция гена обычно изучается на уровне транскрипции, то есть продукции мРНК из гена.

Методы выяснения экспрессии генов предназначены для предоставления информации по одному или нескольким из следующего:

II. Размер транскрипта (мРНК)

iii. Отправная и конечная точки генов для создания транскрипта.

iv. Количество и положение интронов в генах.

v. Активность промотора.

Кратко описаны некоторые из важных и общих методов, используемых для изучения регуляции генов.

Саузерн-блоттинг - это новый метод обнаружения известного фрагмента ДНК в препарате ДНК организма. Этот метод особенно полезен для обнаружения присутствия чужеродной ДНК в генетически модифицированных организмах или для определения наличия и количества копий генов в геноме организма. Подробности об этой технике даны в другом месте.

Нозерн-блоттинг специфически определяет размер и последовательность мРНК. Суммарная мРНК извлекается из суспензии клеток или тканей и разделяется электрофорезом в агарозном геле, а затем обнаруживается гибридизацией.

Картирование нуклеазы SI:

Нуклеаза SI - это фермент, который может специфически расщеплять одноцепочечные нуклеиновые кислоты. Картирование нуклеазы SI используется для определения количества интронов, присутствующих в гене (рис. 5.10).

Зрелая мРНК гибридизируется с соответствующим геном (т. Е. Геномной ДНК). Часть интрона в гене, которая не транскрибируется, зацикливается. Этот выведенный из петли интрон может быть специфически расщеплен нуклеазой SI, которая разрушает одноцепочечную ДНК. Число и присутствие интронов можно определить путем анализа фрагментированной ДНК.

Анализ защиты от нуклеаз:

В анализе нуклеазной защиты тестируемый транскрипт (мРНК) гибридизируется с избыточными количествами синтезированных in vitro и радиоактивно меченных молекул ДНК (обычно получаемых из клонированных генов). Отожженные гибриды, которые помечены, подвергаются перевариванию нуклеазой SI, которая расщепляет одноцепочечные нуклеиновые кислоты. Обработанные нуклеазой и необработанные гибридизированные молекулы разделяют электрофорезом в агаровом геле и идентифицируют (рис. 5.11).

Анализ нуклеазной защиты является вариантом картирования нуклеазой SI и предоставляет информацию относительно присутствия интронов, концов транскрипции и собственно тестового транскрипта.

Удлинение грунтовки:

Метод удлинения праймера является надежным методом определения конца 5 & # 8242 транскриптов. Для этой цели используется синтетический меченый 5 & # 8242 олигонуклеотидный праймер, содержащий последовательность оснований, комплементарную небольшой части тестируемого транскрипта.

Обоим позволяют гибридизоваться, а фермент обратная транскриптаза используется для удлинения праймера до тех пор, пока он не достигнет конца 5 & # 8242 мРНК (рис. 5.12). Это приводит к синтезу комплементарной ДНК (кДНК), представляющей расстояние между 5 & # 8242-концом праймера и 5 & # 8242-концом мРНК. КДНК может быть разделена электрофорезом и обнаружена.

Быстрая амплификация концов кДНК (RACE):

5 & ​​# 8242- и 3 & # 8242-концы комплементарной ДНК (кДНК) могут быть картированы с помощью полимеразной цепной реакции. Это метод 5 & # 8242-RACE или 3 & # 8242-RACE, в зависимости от конца, который нужно сопоставить.

Репортерные анализы:

Репортерные гены - это гены, которые образуют белковые продукты, которые можно обнаружить без разрушения тканей / клеток. Чтобы выяснить экспрессию гена, его промотор сливают с репортерным геном, а затем вводят в клетки.

Могут быть идентифицированы специфические продукты (например, люцифераза, β-галактозидаза, хлорамфениколацетилтрансфераза) репортерных генов. Активность репортерного гена отражает активность промоторного гена и, следовательно, экспрессию гена.

Репортерные анализы очень полезны для изучения экспрессии генов in vivo в тканях / клетках.

Анализ генов с помощью Т-ДНК и меток транспозонов:

Мечение генов в широком смысле включает в себя встраивание узнаваемого фрагмента ДНК в ген, так что функция гена нарушается, и ген идентифицируется благодаря вставленному фрагменту ДНК. Т-ДНК (перенесенная ДНК) является частью ДНК-индуцирующей опухоль плазмиды (Ti-плазмиды), обнаруженной в почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Транспозоны или Т-ДНК могут использоваться для мечения генов и анализа генов.

Мечение гена транспозоном показано на рис. 5.13. Когда транспозон в плазмиде вводится в клетку, он включается в ДНК, и ген разрушается. Следовательно, вставка транспозона дает мутант (A & # 8211). Этот мутант можно идентифицировать по его фенотипу и библиотеке генов. Кроме того, мутант может быть подвергнут скринингу на наличие транспозона. Путем определения места вставки транспозона можно определить местоположение конкретного гена.

Методы изучения белок-белковых взаимодействий:

Функционирование генома можно оценить по изучению протеома. Thus, by studying the functions of proteins, it is possible to understand how the genome operates and how a dysfunctional genome activity can result in disease states such as cancer. Proteomics broadly involves the methodology for characterizing the protein content of the cell. This can be done by protein electrophoresis, mass spectrometry etc.

Identification of protein-protein interaction is a recent approach to study proteome. The protein interaction maps can be constructed to understand the relation between the proteome and cellular biochemistry. Phage display and yeast two-hybrid system are commonly used to study protein- protein interactions.

Phage Display:

Phage display is a novel technique to evaluate genome activity with particular reference to identify proteins that interact with one another. It basically involves insertion of a foreign DNA into phage genome, and its expression as fusion product with a phage coat protein (Fig. 5.14A). This is followed by screening of test protein by phage display library (Fig. 5.14B). The technique is briefly described below.

A special type of cloning vector such as a bacteriophage or filamentous bacteriophage (e.g. M13) are used for phage display. A fragment of DNA coding for the test protein is inserted into the vector DNA (adjacent to phage coat protein gene). After transformation of E. coli, this recombinant gene (fused frame of DNA) results in the synthesis of hybrid protein. The new protein is made up of the test protein fused with the phage coat protein. The phage particles produced in the transformed E. coli display the test protein in their coats.

The test protein interaction can be identified by using a phage display library. For this purpose, the test protein is immobilized within a well of a micro-titer tray, and the phage display library added. After several washes, the phages that are retained in the well are those displaying a protein that interacts with the test protein.

Phage-displaying peptides can be isolated, based on their antibody-binding properties, by employing affinity chromatography. Several rounds of affinity chromatography and phage propagation can be used to enrich phages with desired proteins.

Phagemid display:

Phagemid in place of plasmid can also be used for the display of proteins. In fact, special types of phagemid display vectors have been developed for this purpose. Phage and phagemid display can be successfully used for selecting and engineering polypeptides with novel functions.

Yeast Two-Hybrid System:

When two proteins interact with each other, their corresponding genes are known as interacting genes. The yeast two-hybrid system uses a reporter gene to detect the physical interaction of a pair of proteins inside a yeast nucleus.

The two-hybrid method is based on the observation that most of the transcriptional proteins (i.e. the proteins involved in promoting transcription of a gene) contain two distinct domains—DNA binding domain and transcriptional activation domain. When these two domains are physically separated, the protein loses its activity. However, the same protein can be reactivated when the domains are brought together. These proteins can bind to DNA and activate transcription.

The target protein is fused to a DNA-binding domain to form a bait. When this target protein binds to another specifically designed protein namely the prey in the nucleus, they interact, which in turn switches on the expression of the reporter gene (Fig. 5.15). The reporter genes can be detected by growing the yeast on a selective medium.

It is possible to generate the bait and prey fusion proteins by standard recombinant DNA techniques. A single baid protein is frequently used to fish out interacting partners among the collection of prey proteins. A large number of prey proteins can be produced by ligating DNA encoding the activation domain of a transcriptional activator to a misture of DNA-fragments from a cDNA library.

Yeast Three-Hybrid System:

The interactions between protein and RNA molecules can be investigated by using a technique known as yeast three-hybrid system.


4.13: Eukaryotic Gene Regulation - Biology

The genome of higher eukaryotes is very complex. The eukaryotic genome contains DNA many times as compared to the prokaryotic genome. For example -Дрозофилаhas 5,000-10,000 genes. Human haploid genome seems to have at least 23,000-100,000 genes. In eukaryotes, most of the DNA is non-functional or inactive and are known as excess DNA or repetitive DNA. The diploid organism has two sets of chromosomes. The genome in eukaryotes controls various functions such as growth and division of cells, differentiation, and specialisation of tissues such as muscles, liver, or heart in animals and parenchyma, chlorenchyma, xylem or phloem in plants. As the eukaryotic genome is very large, the gene expression and its regulation become very complex. Therefore, in eukaryotes-

1) Different structural genes present in eukaryotes do not lie adjacent to each other. They are generally found well spaced on the same or different chromosomes.

2) Each structural gene has its own promoter gene.

3) Eukaryotes possess sensor gene which picks up information of any changes in the intracellular environment and presence or absence of hormones, vitamins, chemicals.

4) Eukaryotes have integrator genes for coordinated functioning of structural genes.

5) Eukaryotes have specific genes: enhancer genes and silencer genes which keep or slow down the expression of certain genes respectively.

6) Eukaryotic structural gene has two regions exons and introns. Exons are essential or coding parts while introns are non-essential parts. The non-coding parts or introns are removed by means of nuclease. The exonic regions are joined together. This is also called as splicing.

7) The freshly formed mRNA undergoes several changes in the 5'-3' end. It receives a cap at the 5' end and poly A tail at 3'. Then mRNA is transported through the pore of the nuclear membrane for transportation with the help of ribosomes and tRNA.

Gene expressions in eukaryotes

Significance of gene regulation:

The significances of mechanism of gene regulation is as follows :

a) Gene regulation allows the metabolism of specific chemicals by a particular cell.

b) Gene regulation helps in growth and differentiation causing morphogenesis.

c) It permits the cells to adjust to environment changes.

d) Regulation of gene expression allows for the expression of only those genes which are of immediate need of the cell.

e) Gene regulation helps the production of specific chemicals by specific cells.

Differentiation and development

Differentiation is defined as the full sequence of changes involved in the progressive diversification of cells, tissue, organs, system e.t.c so that a cell becomes specialised to carry out specific function more efficiently.

The process of development involves the division of fertilised eggs into many cells. During early cleavage, the blastomeres are totipotent. This means each embryonic cell is able to develop into and embryo and give rise to all kinds of tissues of an adult organism. As cell division progresses, the blastomeres gradually lose their totipotency. These cells collectively form tissues, organs, system and organ system such as leaf and stem in plant and brain, liver, e.t.c in animals. The whole process by which totipotent unspecialized embryonic cells become specialised and give rise to specific tissues is called differentiation.

Types of differentiation

As differentiation is a cellular event, it occurs within groups of similar cells. It can be of two types:

1) Intracellular differentiation-It is the change within the cells (eg- the maturation of sperm).

2) Intercellular differentiation- It is the change among cells. It involves the progressive divergence of two or more cells .

It is not known what primary events trigger differentiation along a particular pathway. Basically, chemical changes are brought about by the action of an enzyme. Any change in enzyme pattern naturally leads to differentiation. Therefore, the process of differentiation involves gene activity. Different genes act at different times to meet the requirement of the organisms.

Ageing

Ageing can be defined as the progressive deterioration in structure and function of cells, tissues, organs, and organ systems of the organism with the advanced age. The field of developmental biology that deals with the study of ageing is known as gerontology.

The effects of ageing vary widely in different groups. Bacteria, viruses and majority of protozoans are free from ageing. However, none of the multicellular organism lives forever. Even under most favourable conditions (with no accident or disease) every metazoan dies its natural death, though the life span differs widely. While some live only for short periods, other may live for several decades or even the centuries. Some sea anemones are known to have lived for about 78 years, turtles survive up to 150 years.

Genetic basis of ageing

Many theories have been proposed to explain the phenomenon of ageing. According to the genetic theory of ageing, all individuals possess ageing genes in their genome, which determine the rate of ageing and the maximum life span. There is a good deal of evidence to support this view-

1) Annual plants age, despite most suitable environmental conditions

2) Different life spans even in different species of mammals

3) Longevity varies even in different family lines of a single species.

Рак

Cancer is a problem associated with differentiation and development. Growth and differentiation are regulated by various growth controlling mechanisms. But in the case of cancer (malignant disease), the cell deviates from the usual growth control mechanism. In other words, the cell loses growth controlling and regulating mechanism. This cell behaves differently from the normal cell. As a result, the cell starts inducing and damaging normal tissue leading to cancer. The cells are called malignant or cancer cells. These cells continue to divide unchecked, resulting in an everlasting number of cancer cells and thus a tumour is developed. Therefore, cancer can be defined as unorganised growth of cells in which the controlling and regulating mechanisms have been disappeared or have been ineffective,

A) Cancer may be caused due to alteration in chromosomes or gene mutations in nuclei of somatic cells.

B) Some changes in the cytoplasm, that results in loss of control of nuclear and cytoplasmic division may cause cancer. This says that the genetic change may not be an essential factor for cancer.

Кешари, Арвинд К. и Камаль К. Адхикари. Учебник по высшей средней биологии (XII класс). 1-й. Катманду: Видьярти Пустак Бхандар, 2015.

Мехта, Кришна Рам.Принцип биологии.2-е издание, Катманду: Асмита, 2068,2069.

Jorden, S.L.принцип биологии.2-е издание. Катманду: Публикация книги Асмита, 2068.2069.

Возможности еды-тележки SpaceTeam unicorn Disrupt интегрируют вирусную пару, программирование, большие данные, презентация, интуитивно понятный, интуитивно понятный прототип длинной тени. Отзывчивый хакер с интуитивным управлением

Джейкоб Симс

Прототип интуитивно понятного лидера мысли, парадигма параллакса, длинная тень, привлекающая единорога, фонд SpaceTeam, идеал парадигмы.

Келли Девитт

Отзывчивый хакер с интуитивно понятным управлением водопадом 2000 года и поздним интуитивным запуском венчурного капитала cortado. Привлечение фургона-еды интегрирует интуитивно понятное парное программирование Стив Джобс мыслитель-создатель-деятель, ориентированный на человека дизайн.

Возможности еды-тележки SpaceTeam unicorn Disrupt интегрируют вирусную пару, программирование, большие данные, презентация, интуитивно понятный, интуитивно понятный прототип длинной тени. Отзывчивый хакер с интуитивным управлением

Люк Смит

Unicorn Disrupt интегрируют вирусные пары, программирование, большие данные, презентация, интуитивно понятный, интуитивно понятный прототип с длинной тенью. Отзывчивый хакер с интуитивным управлением

Оставить комментарий :
То, что нужно запомнить
  • Дрозофила has 5,000-10,000 genes. Human haploid genome seems to have at least 23,000-100,000 genes.
  • In eukaryotes, most of the DNA is non-functional or inactive and are known as excess DNA or repetitive DNA. The diploid organism has two sets of chromosomes.
  • Various significances of gene regulation
  • Differentiation is defined as the full sequence of changes involved in the progressive diversification of cells, tissue, organs, system e.t.c so that a cell becomes specialised to carry out specific function more efficiently.
  • As differentiation is a cellular event, it occurs within groups of similar cells.
  • Ageing can be defined as the progressive deterioration in structure and function of cells, tissues, organs, and organ systems of the organism with the advanced age. The field of developmental biology that deals with the study of ageing is known as gerontology.
  • Cancer is a problem associated with differentiation and development. Growth and differentiation are regulated by various growth controlling mechanisms.
  • Он включает в себя все отношения, которые установились между людьми.
  • В обществе может быть несколько сообществ. Сообщество меньше, чем общество.
  • Это сеть социальных отношений, которые нельзя увидеть или потрогать.
  • общие интересы и общие цели не нужны обществу.

Оставайтесь на связи с Kullabs. Вы можете найти нас практически во всех социальных сетях.


Смотреть видео: Biologie, clasa a XII-a, Gene. Ultrastructura genelor (August 2022).