Cтруктурно-функциональная организация генов

ДНК
РНК
ПОЛИПЕПТИД
(белок)
“Центральная догма”
Поток инфор-
мации
Каким образом используется информация, заложенная в ДНК?

Оценка
1. Глубина и правильность изложения (3 балла)
2. Наглядность, «понятность» материала, время подачи (3 балла)
3. Ответы на вопросы (2 балла)
4. Контакт со слушателями (жестикуляция, мимика, голос, скорость подачи и т.д.) (2 балл)

Центральная догма
Промежуточная молекула, РНК (похожая на ДНК) переносит информацию от ДНК (из ядра) к рибосомам (в цитоплазме), где синтезируются белки.
Регуляция этих процессов определяет все жизненные процессы организма (его физиологию).
Экспрессия генов и биосинтез белков

Первый этап в экспрессии генов
РНК-копия гена
= мРНК
Экспрессия генов и биосинтез белков
Ма́тричная рибонуклеи́новая кислота́ (мРНК, синоним — информацио́нная РНК, иРНК)

РНК-полимераза связывается с промотором
Промотор - последовательность ДНК в самом начале гена
Комплиментраная РНК-копия синтезируется в ходе работы РНК-полимеразы. Это т.н. «messenger RNA» (mRNA) или по-русски «матричная РНК».

Эукариотические промотеры:
«TATA box» = особая последовательсность нуклеотидов ДНК
Факторы транскрипции:
связываются с промотером и «объединяются» с РНК-полимеразой в большой комплекс

Роль факторов транскрипции
Для инициации транскрипции эукариотическая РНК полимераза требует помощи белков, называемых факторами транскрипции.
Общие факторы транскрипции необходимы для транскрипции всех белок-кодирующих генов
У эукариот высокие уровни транскрипции отдельных генов зависят от контролирующих элементов, взаимодействующих с определенными факторами транскрипции
Факторы транскрипции – обеспечивают снижение (репрессоры) или повышение (активаторы) константы связывания РНК-полимеразы с регуляторными последовательностями регулируемого гена

Проксимальные контролирующие элементы (Proximal control elements ) – расположены близко к промотеру
Дистальные контролирующие элементы (Distal control elements) – называются энхансерами и располагаются «где угодно», даже в интронах и соседних хромосомах.
Контролирующие элементы (энхансеры)

Активатор - это белок, который связывается с энхансером и стимулирует транскрипцию гена
Связанные активаторы вызывают взаимодействие белков-посредников с белками промотера

Транскрипция мРНК может быть подразделена на 3 стадии:
Initiation (Инициация)
Elongation (Элонгация)
Termination (Терминация)

Инициация:
РНК-полимераза связывается
ДНК расплетается (DNA unwinds)
синтезируется РНК-цепочка по темплейту ДНК (template strand copied)
образуется начальный мРНК-транскрипт

Элонгация:
РНК-полимераза двигается вдоль гена
расплетаестя в среднем 12-15 оснований ДНК
мРНК-траснкрипт «транскрибируется» и выходит (удлиняется) наружу

РНК-полимераза достигает специфической терминирующей последовательности
транскрипция заверщена
комплекс мРНК диссоциирует
Терминация:

Некоторые дополнительные усложнения у эукариот при транскрипции генов:
1. Специальные модификации на 5’- и 3’-концах
2. Гены прерываются некодирующими последовательностями, которые должны быть удалены.

Эукариотическая РНК (is processed)
претерпевает «процессинг»:
5’-кэп добавляется «спереди»
3’-polyA tail «сзади»
UTR = untranslated region
1. Специальные модификации на 5’- и 3’-концах

1. Специальные модификации на 5’- и 3’-концах
Кэп (5'-кэп, кэп-структура) (от англ. cap — шапочка) — один или несколько модифицированных нуклеотидов на 5'-конце транскриптов, синтезированных РНК-полимеразой II.
Кэп - 7-метилгуанозин, соединённый 5',5'-трифосфатным мостиком с первым нуклеотидным остатком транскрипта.
В узком смысле под кэпом часто понимают только 7-метилгуанозин.
Кроме того, первые два нуклеотида транскрипта могут метилироваться по 2'-O-положению рибозы.
Кэп способствует эффективному процессингу пре-мРНК, экспорту мРНК из ядра, её трансляции и защите от быстрой деградаци

Эукариотическая РНК процессируется:
Интроны удаляются
INTRONS = последовательности, некодирующие белки
EXONS = последовательности, совместно некодирующие один белок
2. Гены, прерываемые некодирующими последовательностями = интроны; эти последовательности должны быть удалены

Почему должны регулироваться экспрессия генов?
Как регулируется экспрессия?
- Различные типы клеток должны синтезировать различные белки
- На разных стадиях развития, и даже времени суток, необходимы разные белки и метаболиты
- Программы онтогенеза и многие физиологические процессы связаны с работой целых генетических программ и экспрессией больших групп генов (кластеров из 100 и более генов)

Основные точки регуляции экспрессии генов
Распаковка хроматина
Инициация транскрипции
РНК-процессинг
Транспорт РНК в цитоплазму
Устранение зрелой мРНК
вследствие РНК-интерференции
Контроль синтеза белка

Пример
Альтернативный сплайсинг:
при этом различные мРНК-молекулы продуцируются из одного и того же транскрипта в зависимости от какие последовательности «обрабатываются» как интроны, а какие как экзоны.

или
РНК -сплайсинг
мРНК
Ген тропонина Т
Экзоны
ДНК
Первичный
РНК
транскрипт

Деградация мРНК
Время жизни мРНК в цитоплазме является ключевым регулятором продолжительности синтеза белка
Эукариотическая мРНК живет дольше прокариотической
Время жизни мРНК частично регулируется строением последовательности в начале и в конце мРНК (leader and trailer regions)
Более половины актов деградации РНК приходится на РНК-интерференцию

Некодирующие РНК играют множественные роли при контроле экспрессии генов
Только небольшая фракция ДНК кодирует белки, рибосомальные РНК или тРНК (25% или меньше)
Большая часть генома (dark genome) транскрибируется в некодирующие молекулы
Некодирующие РНК регулируют экспрессию генов на на уровне мРНК-трансляции и конфигурации хроматина, но главное при помощи микроРНК (РНК-интерференции).

Некодирующие РНК:
Английский: non-protein-coding DNA
Известны более 50 лет
Главным образом это микроРНК, рибозимы и длинные некодирующие РНК (long ncRNA)
The Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project reported in September 2012 that over 80% of DNA in the human genome «serves some purpose, biochemically speaking»

Некодирующие РНК:
Типы некодирующих ДНК:
Некодирующая функциональная РНК (рибосомальная РНК, транспортная РНК, Piwi-РНК – 26-31, microRNA – 21-24).
Цис- и транс-регуляторные элементы
Интроны
Псевдогены
Повторые последовательности, транспозоны и вирусные элементы
Теломеры
Функции:
- Регуляция экспрессии генов, Защита генома, генетические переключатели, факторы транскрипции, операторы, энхансеры, инсуляторы

МикроРНК
МикроРНК - MicroRNAs (miRNAs) – 21-24 нуклеотидов
Они вызывают деградацию РНК или блокируют ее трансляцию

miRNA-
protein
complex
(a) Primary miRNA transcript
Translation blocked
Hydrogen
bond
(b) Generation and function of miRNAs
Hairpin
miRNA
miRNA
Dicer
mRNA degraded

Феномен ингибирования экспрессии при помощи короткоцепочных молекл РНК называется РНК-интерференцией (RNA interference, RNAi)
это явление связано с синтезом так-называемых коротких интерферирующих РНК (siRNAs) или микроРНК (miRNAs)
siRNAs и miRNAs имеют схожую функцию, но разные источники синтеза