Informacije

Kako transkripcija RNA določi, katero polovico DNK uporabiti?

Kako transkripcija RNA določi, katero polovico DNK uporabiti?



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.

Čutim, da imam tukaj morda popoln nesporazum. Če ima DNK dve verigi, kako stroji za transkripcijo RNA določijo, katero prepisati?


Naj bo to kratko in preprosto. Smer transkripcije (ki določa, katera veriga se uporablja kot predloga) nadzoruje promotor, ki je regija specifičnih DNK motivov na 5' koncu gena. RNA polimeraza se veže na promotor, ki ga usmeri na pravilno verigo in v pravo smer, nato pa lahko nadaljuje s prepisovanjem gena.

Ta odlična majhna animacija je s te spletne strani.


Za dodajanje KanadčanOdgovor je, da lahko v večini evkariontskih celic najdemo gene na obeh verigah DNK v smislu, da smiselna in anti-smiselna veriga nista vedno enaka. Smer torej v celoti določi promotor. Poleg tega obstajajo dvosmerni promotorji.


Kratke razpolovne dobe RNA v počasi rastoči morski cianobakteriji Proklorokok

Pretok RNA ima pomembno vlogo pri genski regulaciji mikroorganizmov in vpliva na njihovo hitrost prilagajanja na spremembe okolja. Raziskali smo stabilnost RNA celotnega genoma Proklorokok, relativno počasi rastoča morska cianobakterija, ki se podvoji približno enkrat na dan, ki je v oceanih izjemno bogata.

Rezultati

S kombinacijo mikromrež, kvantitativnega RT-PCR in nove metode prilagajanja za določanje stopenj razpada RNA smo ugotovili mediano razpolovnega časa 2,4 minute in mediano hitrosti razpada 2,6 minute za izražene gene – dvakrat hitreje od tiste, ki so jo poročali za katere koli organizem. Najkrajši razpolovni čas transkripta (33 sekund) je bil za gen z neznano funkcijo, medtem ko so bili nekateri najdaljši (približno 18 minut) za gene z visoko stopnjo transkripta. Geni, organizirani v operonih, so pokazali zanimive vzorce razpada mRNA, kot so povečana stabilnost in zapozneli začetek razpada z večjo oddaljenostjo od začetnega mesta transkripcije. Isti pojav so opazili pri ločljivosti posamezne sonde za gene, večje od 2 kb.

Zaključki

Domnevamo, da je hitra menjava glede na počasen čas generacije v Proklorokok lahko omogoči hiter odziv na okoljske spremembe s hitrim recikliranjem nukleotidov, kar bi lahko bilo koristno v oceanih, revnih s hranili. Naše vedno večje razumevanje razpolovnih časov RNA nam bo pomagalo razlagati naraščajočo banko metatranskriptomskih študij divjih populacij Proklorokok. Presenetljivo zapleteni vzorci razpada velikih prepisov, o katerih so poročali tukaj, in metoda, razvita za njihovo opisovanje, bodo odprla nove poti za raziskovanje in razumevanje razpada RNA za vse organizme.


Znotraj individualne variacije

Katherine E. Willmore , Benedikt Hallgrímsson , v različici , 2005

2 Vzroki na ravni proizvodnje RNA in beljakovin

Transkripcija in translacija RNA imata stopnjo napake, ki je za tri vrste večja od stopnje replikacije DNK, in je zato pomemben vir razvojnega hrupa, ki je neločljiv za celico (Alberts et al., 1998 ).

Poleg napak, ki se lahko pojavijo med procesom, je transkripcija sama po sebi stohastičen proces, ki vodi do spremenljivih količin produktov v spremenljivih časovnih intervalih (McAdams in Arkin, 1999). Nedavne raziskave kažejo, da je transkripcija pri evkariontih regulirana z binarnim preklopnim mehanizmom "vklop" proti "izklopu", ki temelji na verjetnosti (McAdams in Arkin, 1999 Fiering et al., 2000 Blake et al., 2003 Klingenberg 2004a). Fiering in sodelavci (2000) so našli dokaze v podporo tej binarni ureditvi v študiji učinka ojačevalcev na transkripcijo. Ugotovili so, da je bila genska ekspresija v miofibrih stohastična, da je znotraj določenega jedra gen vklopljen ali izklopljen in da ojačevalci genov povečajo verjetnost, da se bo gen aktiviral. Rezultat te binarne regulacije je, da se transkripcija pojavlja v izbruhih aktivnosti z intervali neaktivnosti naključnega trajanja (Klingenberg, 2004a). Produkti transkripcije in proteini iz njihovega kasnejšega prevajanja bodo prav tako nastali v občasnih izbruhih, kar bo povečalo učinke hrupa, ki nastane med transkripcijo (McAdams in Arkin, 1999 Swain et al., 2002 Blake et al., 2003 Klingenberg, 2004a). Proizvodnja beljakovin na ta sporadičen način v naključnih časovnih intervalih vodi do spremenljivih količin beljakovinskega produkta v celici v danem trenutku (McAdams in Arkin, 1997, 1999). Stohastična proizvodnja beljakovin lahko privede do velikih razlik v kasnejših regulativnih kaskadah v populaciji celic in je še en potencialni vir razvojnega hrupa (McAdams in Arkin, 1997).

Modeli, ki temeljijo na stohastični transkripciji in prevajanju, predvidevajo, da se razvojni šum povečuje, ko se količina transkripta zmanjšuje (Elowitz et al., 2002). Zato so počasnejše hitrosti transkripcije (Alberts et al., 1998 Blake et al., 2003), daljša obdobja med transkripcijsko aktivnostjo in krajši razpolovni čas produktov (Klingenberg, 2004a) bodo potencialno povzročili povečan hrup. Poleg tega lahko zmanjšano število produktov, ki so zunanji za transkripcijo, vključeni v njeno regulacijo, poveča razvojni hrup. Ti zunanji dejavniki vključujejo število RNA polimeraz, ribosomov in beljakovin (Swain et al., 2002 ).

Endoplazmatski retikulum (ER) je prehod za beljakovine v sekretorno pot (Fewell et al., 2001 Sitia in Braakman, 2003). ER zagotavlja posebno ugodno okolje za zlaganje in zorenje beljakovin, ki pogosto deluje kot končno preverjanje zvestobe beljakovin pred vstopom v sekretorno pot (Fewell et al., 2001 Ellgaard in Helenius, 2003 Sitia in Braakman, 2003). Nadzor kakovosti v ER je še posebej pomemben, saj na končnih lokacijah izločenih beljakovin pogosto manjkajo spremljevalci ali drugi faktorji zlaganja, ki bi lahko popravili njihovo konfiguracijo, če bi se poškodovali (Ellgaard in Helenius, 2003). Proteini, ki se izločajo iz ER, so vključeni v različne pomembne procese, kot so shranjevanje hranil, regulacija genov in nekatere funkcije zunajceličnih nosilcev za ligande (Ellgaard in Helenius, 2003). Funkcionalni pomen beljakovin, proizvedenih v ER, skupaj z njihovimi potencialno daljnosežnimi učinki, ki so posledica vstopa v sekretorno pot, bi omogočil kaskado spodnjih motenj, če bi bila motena stabilnost teh beljakovin. Obstaja več mehanizmov za zagotavljanje zvestobe beljakovin, proizvedenih v ER (glejte naslednje besedilo pod mehanizmi). Vendar pa imajo beljakovine, ki so se nekako izognile mehanizmom nadzora kakovosti ER, velik potencial, da povzročijo več in potencialno resnih motenj v spodnjem toku. Eden od možnih vzrokov za sproščanje poškodovanih ali nefunkcionalnih beljakovin iz ER izhaja iz primarne metode nadzora kakovosti. ER ne upošteva funkcionalnosti beljakovin. Namesto tega se nadzor kakovosti opira na pravilno konformacijo beljakovin, ob predpostavki, da so beljakovine, ki so pravilno zvite, funkcionalne, kar lahko vodi do izločanja nefunkcionalnih, a pravilno zloženih beljakovin (Ellgaard in Helenius, 2003).

Prisotnost disulfidnih vezi je značilna za sekretorne beljakovine, ER pa zagotavlja edinstveno okolje, ki podpira nastanek disulfidnih vezi (Fewell et al., 2001). V normalnih okoliščinah so disulfidne vezi koristne in znotraj ER obstaja več dejavnikov, ki zagotavljajo njihovo tvorbo. Vendar pa so procesi, ki sodelujejo pri tvorbi disulfidnih vezi, precej počasni v primerjavi z drugimi procesi zlaganja, zato lahko upočasnijo proizvodnjo in kasnejše izločanje beljakovin (Fewell et al., 2001). Če bi prišlo do motenj v tvorbi disulfidne vezi znotraj ER, bi se lahko časovno občutljivi spodnji procesi ustavili ali upočasnili zaradi zmanjšanega števila sekretornih beljakovin.

Proteini delujejo tako, da uravnavajo nadaljnjo proizvodnjo drugih proteinov in tudi modulirajo izražanje genov. Zato ima lahko vsaka stohastičnost na ravni proizvodnje RNA in beljakovin kaskadne posledice po celotnem razvojnem sistemu.


V DNK se regulacija genske ekspresije običajno zgodi na ravni biosinteze RNA (transkripcije) in se doseže z zaporedno specifično vezavo beljakovin (transkripcijski faktorji), ki aktivirajo ali zavirajo transkripcijo. Transkripcijski faktorji lahko delujejo kot aktivatorji, represorji ali oboje. Represorji pogosto delujejo tako, da preprečijo, da bi RNA polimeraza tvorila produktivni kompleks s transkripcijsko iniciacijsko regijo (promotor), medtem ko aktivatorji olajšajo tvorbo produktivnega kompleksa. Poleg tega se je izkazalo, da motivi DNK napovedujejo epigenomske modifikacije, kar kaže, da imajo transkripcijski faktorji vlogo pri uravnavanju epigenoma. [2]

V RNA se lahko regulacija pojavi na ravni biosinteze (prevajanja) beljakovin, cepitve RNA, spajanja RNA ali prekinitve transkripcije. Regulatorna zaporedja so pogosto povezana z molekulami sporočilne RNA (mRNA), kjer se uporabljajo za nadzor biogeneze ali prevajanja mRNA. Za izvedbo te regulacije se na RNA lahko vežejo različne biološke molekule, vključno z beljakovinami (npr. translacijskimi represorji in faktorji spajanja), drugimi molekulami RNA (npr. miRNA) in majhnimi molekulami v primeru ribostikal.

Regulatorno zaporedje DNK ne uravnava, če ni aktivirano. Različna regulacijska zaporedja se aktivirajo in nato izvajajo njihovo regulacijo z različnimi mehanizmi.

Aktivacija in implementacija ojačevalnika Uredi

Navzgor regulirana ekspresija genov pri sesalcih se lahko začne, ko se signali prenesejo na promotorje, povezane z geni. Cis-regulatorna zaporedja DNK, ki se nahajajo v regijah DNK, oddaljenih od promotorjev genov, imajo lahko zelo velike učinke na izražanje genov, pri čemer so nekateri geni zaradi takšne cis-regulacijske sekvence podvrženi do 100-kratni povečani ekspresiji. [3] Ta cis-regulacijska zaporedja vključujejo ojačevalce, dušilce zvoka, izolatorje in elemente za privezovanje. [4] Med to konstelacijo zaporedij imajo ojačevalci in z njimi povezani proteini transkripcijskih faktorjev vodilno vlogo pri regulaciji genske ekspresije. [5]

Ojačevalci so zaporedja genoma, ki so glavni elementi za regulacijo genov. Ojačevalci nadzorujejo programe izražanja genov, specifične za celični tip, najpogosteje z zankami na dolgih razdaljah, da pridejo v fizično bližino s promotorji njihovih ciljnih genov. [6] V študiji možganskih kortikalnih nevronov je bilo odkritih 24.937 zank, ki so prinesle ojačevalce promotorjem. [3] Več ojačevalcev, od katerih je vsak pogosto na desetih ali sto tisočih nukleotidih, oddaljenih od njihovih ciljnih genov, se povežejo s svojimi ciljnimi genskimi promotorji in se usklajujejo med seboj za nadzor izražanja njihovega skupnega ciljnega gena. [6]

Shematski prikaz v tem razdelku prikazuje ojačevalec, ki se vrti okoli, da bi prišel v bližino promotorja ciljnega gena. Zanko stabilizira dimer povezovalnega proteina (npr. dimer CTCF ali YY1), pri čemer je en člen dimera zasidran na njegov vezni motiv na ojačevalniku, drugi člen pa je zasidran na njegov vezni motiv na promotorju (predstavlja ga rdeče cikcake na ilustraciji). [7] Več proteinov transkripcijskih faktorjev, specifičnih za celično funkcijo (leta 2018 so Lambert et al. navedli, da je v človeški celici približno 1600 transkripcijskih faktorjev [8] ) se na splošno veže na specifične motive na ojačevalniku [9] in majhni kombinaciji teh ojačevalcev -vezani transkripcijski faktorji, ko jih zanka DNK približa promotorju, uravnavajo raven transkripcije ciljnega gena. Mediator (koaktivator) (kompleks, ki je običajno sestavljen iz približno 26 beljakovin v medsebojno delujoči strukturi) sporoča regulativne signale iz ojačevalnika, vezanega na DNA, transkripcijskih faktorjev neposredno na encim RNA polimeraza II (RNAP II), vezan na promotor. [10]

Ojačevalci, kadar so aktivni, se na splošno prepišejo iz obeh verig DNK z RNA polimerazami, ki delujejo v dveh različnih smereh, pri čemer nastanejo dve eRNA, kot je prikazano na sliki. [11] Neaktivni ojačevalec je lahko vezan na neaktivni transkripcijski faktor. Fosforilacija transkripcijskega faktorja ga lahko aktivira in ta aktivirani transkripcijski faktor lahko nato aktivira ojačevalec, na katerega je vezan (glej majhno rdečo zvezdo, ki predstavlja fosforilacijo transkripcijskega faktorja, vezanega na ojačevalec na ilustraciji). [12] Aktivirani ojačevalec začne s transkripcijo svoje RNA, preden aktivira promotor, da sproži transkripcijo sporočilne RNA iz svojega ciljnega gena. [13]

Metilacija in demetilacija CpG otoka Uredi

5-metilcitozin (5-mC) je metilirana oblika citozina baze DNA (glej sliko). 5-mC je epigenetski marker, ki ga najdemo pretežno na citozinih znotraj CpG dinukleotidov, kjer 5' citozinu sledi 3' gvanin (CpG mesta). V človeškem genomu se nahaja približno 28 milijonov CpG dinukleotidov. [14] V večini tkiv sesalcev je v povprečju 70 % do 80 % CpG citozinov metiliranih (tvorijo 5-metilCpG ali 5-mCpG). [15] Metilirani citozini znotraj zaporedij 5'citozin-gvanina 3' se pogosto pojavljajo v skupinah, imenovanih CpG otoki. Približno 59 % promotorskih zaporedij ima otok CpG, medtem ko ima le približno 6 % ojačevalnih zaporedij CpG otok. [16] Otoki CpG sestavljajo regulativna zaporedja, saj če so CpG otoki metilirani v promotorju gena, lahko to zmanjša ali utiša izražanje genov. [17]

Metilacija DNA uravnava ekspresijo genov z interakcijo z proteini metil vezavne domene (MBD), kot so MeCP2, MBD1 in MBD2. Ti proteini MBD se najmočneje vežejo na visoko metilirane CpG otoke. [18] Ti proteini MBD imajo tako domeno, ki veže metil-CpG, kot tudi domeno zatiranja transkripcije. [18] Vežejo se na metilirano DNK in vodijo ali usmerjajo proteinske komplekse z aktivnostjo preoblikovanja kromatina in/ali modificiranja histona na metilirane CpG otoke. Proteini MBD na splošno zatirajo lokalni kromatin, na primer s katalizacijo uvedbe represivnih histonskih znamk ali ustvarjanjem celotnega represivnega kromatinskega okolja s preoblikovanjem nukleosomov in reorganizacijo kromatina. [18]

Kot je navedeno v prejšnjem razdelku, so transkripcijski faktorji proteini, ki se vežejo na specifična zaporedja DNK, da bi uravnavali izražanje danega gena. Vezavno zaporedje za transkripcijski faktor v DNK je običajno dolgo približno 10 ali 11 nukleotidov. Kot je bilo povzeto leta 2009, Vaquerizas et al. kaže, da je v človeškem genomu kodiranih približno 1400 različnih transkripcijskih faktorjev in predstavljajo približno 6 % vseh genov, ki kodirajo človeške beljakovine. [19] Približno 94 % mest vezave transkripcijskega faktorja (TFBS), ki so povezani z geni, ki se odzivajo na signal, se pojavlja v ojačevalcih, medtem ko se le približno 6 % takšnih TFBS pojavlja v promotorjih. [9]

Protein EGR1 je poseben transkripcijski faktor, ki je pomemben za regulacijo metilacije CpG otokov. Vezivno mesto transkripcijskega faktorja EGR1 se pogosto nahaja v ojačevalnih ali promotorskih sekvencah. [20] V genomu sesalcev je približno 12.000 veznih mest za EGR1 in približno polovica veznih mest EGR1 se nahaja v promotorjih in polovica v ojačevalcih. [20] Vezava EGR1 na njegovo ciljno mesto vezave DNA je neobčutljiva na metilacijo citozina v DNK. [20]

Medtem ko je v celicah, ki niso stimulirane, zaznati le majhne količine proteina transkripcijskega faktorja EGR1, je translacija EGR1 v beljakovine eno uro po stimulaciji drastično povišana. [21] Ekspresijo proteinov transkripcijskega faktorja EGR1 v različnih vrstah celic lahko spodbudijo rastni faktorji, nevrotransmiterji, hormoni, stres in poškodbe. [21] V možganih, ko se nevroni aktivirajo, se proteini EGR1 povečajo in se vežejo na (rekrutirajo) že obstoječe encime TET1, ki so močno izraženi v nevronih. Encimi TET lahko katalizirajo demetilacijo 5-metilcitozina. Ko transkripcijski faktorji EGR1 pripeljejo encime TET1 na mesta vezave EGR1 v promotorjih, lahko encimi TET demetilirajo metilirane CpG otoke na teh promotorjih. Po demetilaciji lahko ti promotorji sprožijo transkripcijo svojih ciljnih genov. Na stotine genov v nevronih je različno izraženih po aktivaciji nevronov s pomočjo EGR1 rekrutiranja TET1 v metilirane regulativne sekvence v njihovih promotorjih. [20]

Promotorji in ojačevalci, ki se odzivajo na signal, so podvrženi omejenim, kratkoročnim, dvo- ali enojnim prelomom Uredi

Zdi se, da je približno 600 regulativnih zaporedij v promotorjih in približno 800 regulativnih zaporedij v ojačevalcih odvisnih od preloma dvojnih verig, ki jih sproži topoizomeraza 2-beta (TOP2B) za aktivacijo. [22] Indukcija določenih dvoverižnih prekinitev je specifična glede na njihov inducirajoči signal. Ko se nevroni aktivirajo, se v njihovih genomih pojavi samo 22 dvoverižnih prelomov, ki jih povzroča TOP2B. [23]

Takšne dvoverižne prelome, ki jih povzroča TOP2B, spremljajo vsaj štirje encimi poti popravljanja DNK nehomolognega končnega spajanja (NHEJ) (DNA-PKcs, KU70, KU80 in DNA LIGASE IV) (glej sliko). Ti encimi popravijo dvojne verige v približno 15 minutah do dveh urah. [23] [24] Dvoverižni prelomi v promotorju so tako povezani s TOP2B in vsaj temi štirimi popravljalnimi encimi. Ti proteini so hkrati prisotni na enem samem promotorskem nukleosomu (v zaporedju DNK je okoli 147 nukleotidov, ovitih okoli enega samega nukleosoma), ki se nahaja v bližini začetnega mesta transkripcije njihovega ciljnega gena. [24]

Dvoverižni prelom, ki ga je uvedel TOP2B, očitno osvobodi del promotorja na začetnem mestu transkripcije, vezanem na RNA polimerazo, da se fizično premakne na pripadajoči ojačevalec. To omogoča, da ojačevalec s svojimi vezanimi transkripcijskimi faktorji in mediatorskimi proteini neposredno interagira z RNA polimerazo, ki je zaustavljena na začetnem mestu transkripcije, da začne transkripcijo. [23] [10]

Zdi se, da so encimi topoizomeraze I (TOP1) locirani na velikem številu ojačevalcev in ti ojačevalci se aktivirajo, ko TOP1 uvede prelom ene verige. [25] TOP1 povzroča prekinitve ene verige zlasti regulatornih zaporedij ojačevalnika DNK, kadar je signaliziran s specifičnim transkripcijskim faktorjem, ki veže ojačevalec. [25] Prelomi topoizomeraze I so povezani z različnimi faktorji popravljanja DNK kot tisti, ki obkrožajo prelome TOP2B. V primeru TOP1 so prelomi najbolj takoj povezani z encimi za popravilo DNK MRE11, RAD50 in ATR. [25]

V teku so raziskave za iskanje vseh regulativnih regij v genomih vseh vrst organizmov. [26] Ohranjena nekodirajoča zaporedja pogosto vsebujejo regulativne regije, zato so pogosto predmet teh analiz.


Kaj je škatla TATA? (s slikami)

V živih organizmih je transkripcija deoksiribonukleinske kisline (DNK) začetni korak, potreben za izražanje gena. Škatla TATA, znana tudi kot Goldberg-Hognessova škatla, je regija DNK, ki pomaga sprožiti proces transkripcije. Je del promotorske regije, ki uravnava izražanje genov tako, da zagotavlja vezavno mesto za encime, ki sodelujejo pri prepisovanju genov. Škatlo TATA najdemo v evkariontih - organizmih, ki imajo v svojih celicah zapletene strukture, vezane na membrano - vključno z ljudmi.

DNK je sestavljena iz nukleotidov, ponavljajočih se strukturnih enot, ki so na voljo v štirih različicah: nukleobaze adenin (A), timin (T), gvanin (G) in citozin (C). Ko se te baze ponavljajo, tvorijo vzorce, ki kodirajo genetske informacije. Prav tako tvorijo pare s kemično vezjo na komplementarni način, pri čemer se adenin veže na timin in gvanin na citozin. Bazni pari povezujejo dve verigi molekule DNK v strukturo dvojne vijačnice.

Ko se DNK prepiše, encimi razdelijo dvojno vijačnico na njene sestavne niti in izpostavijo genetsko kodo za podvajanje. Vsaka veriga DNK se uporablja kot predloga za sintezo verige ribonukleinske kisline (RNA). Encim, znan kot RNA polimeraza, konstruira verigo RNA tako, da veže komplementarne nukleobaze na vsako izpostavljeno verigo DNK.

Da se lahko celotni geni prepišejo v sporočilno RNA (mRNA) za končno ekspresijo, mora RNA polimeraza začeti s transkripcijo na pravilni točki v zaporedju DNK. Ta točka, znana kot iniciacijsko mesto, je označena s promotorsko regijo, ki se nahaja nekoliko višje od gena. Škatla TATA je zaporedje DNK, sestavljeno iz nukleobaz TATAAA, ki se nahaja v promotorski regiji približno 25 baznih parov pred mestom transkripcije.

Beljakovine, znane kot transkripcijski faktorji, se vežejo na škatlo TATA. Eden od teh, TATA-vezavni protein (TBP), je TATA-specifičen, drugi pa se lahko vežejo na promotorske regije, ki niso TATA. RNA polimeraza je sposobna prepoznati prisotnost transkripcijskih faktorjev kot signal za vezavo na to lokacijo. Po vezavi na škatlo TATA je RNA polimeraza na iniciacijskem mestu in lahko zdaj začne prepisovati gen.

Večina promotorskih regij genov ne vsebuje škatle TATA. V genih brez TATA transkripcijski faktorji prepoznajo druge promotorske sekvence in namesto tega se na te veže RNA polimeraza. Raziskovalci so odkrili razlike v regulaciji med geni s škatlo TATA in tistimi brez škatle TATA s študijo modelnih organizmov, kot je npr. Saccharomyces kvasovke in sadne muhe Drosophila.


Kako transkripcija RNA določi, katero polovico DNK uporabiti? - Biologija

Kaj je regulatorna mutacija?

Vse celice v organizmu vsebujejo enak genom – torej iste gene, razporejene v enakem vrstnem redu vzdolž istih kromosomov. To je posplošitev – nekateri geni so preurejeni znotraj določenih celic, vendar je to prej izjema kot pravilo. Na primer, geni, ki kodirajo imunoglobuline (molekule protiteles), so preurejeni v limfocitih B, tako nastanejo nove strukture protiteles kot odziv na nove invazivne organizme ali viruse. Tudi kromosomi se pogosto zlomijo in se nenormalno združijo v rakavih celicah. In seveda zarodne celice (sperma in jajca) vsebujejo le polovico števila kromosomov kot normalne somatske (telesne) celice.

Kljub temu večina celic vsebuje identično DNK. Tisto, kar naredi eno vrsto celice drugačno od druge, niso geni, ki jih vsebujejo, ampak kateri od teh genov izražajo – to je, katere gene prepišejo v RNA, nato prevedejo v beljakovine. Mišična celica se od nevrona razlikuje po velikem številu svojih sestavnih RNA in beljakovin. Na primer, mišična celica prepisuje gene, ki kodirajo mišični aktin in miozin, ne pa gena, ki kodira nevrofilament, obratno velja za nevronsko celico. Kaj določa, ali je določen gen prepisan ali ne? To je v veliki meri odvisno od drugih beljakovin, ki so prisotne v celici – zlasti od beljakovin, ki so skupaj znane kot »transkripcijski faktorji«.

Vsak gen je sestavljen iz zaporedja, ki kodira beljakovine, ki je lahko sosednja ali razdrobljena na vrsto eksonov in intronov in ki se začne s kodonom START (ATG) in zaključi s kodonom STOP (TAA, TAG ali TGA). Poleg tega mora imeti gen regulativna zaporedja povezana z njim. To so deli DNK, ki sami ne kodirajo beljakovin, ampak delujejo kot vezavna mesta za RNA polimerazo in njene pomožne molekule ter različne transkripcijske faktorje. Regulatorne sekvence s svojimi vezanimi proteini skupaj delujejo kot molekularna stikala, ki določajo stanje aktivnosti gena – npr. IZKLJUČENO ali POPOLNO VKLJUČENO ali pogosteje nekaj vmes. Regulatorna zaporedja vključujejo promotor regijo skupaj z ojačevalec elementov.

Vsak gen ima promotor, ki je vezavno mesto za bazalni transkripcijski aparat – RNA polimerazo in njene sofaktorje. To zagotavlja minimalni stroj, ki je potreben za transkripcijo gena. Regije ojačevalcev se nahajajo na razdalji od promotorja, bodisi do 5' ali 3' strani gena ali znotraj intronov. Običajno so kratki deli DNK (recimo 200 bp), od katerih je vsak sestavljen iz skupine še krajših zaporedij (recimo 25 bp), ki so vezavna mesta za različne transkripcijske faktorje, specifične za celico ali regijo. Ko so ti kompleksi transkripcijskih faktorjev vezani, sodelujejo z bazalnimi transkripcijskimi stroji na promotorju, da povečajo (ali včasih zmanjšajo) hitrost transkripcije gena. Takšne interakcije so možne zaradi fleksibilne narave DNK, ki omogoča, da se ojačevalci približajo promotorju tako, da vmes izvlečejo DNK (glej spodnji diagram).

Aktivacijsko funkcijo ojačevalcev si lahko predstavljamo takole. Vezava RNA polimeraze in bazalnega transkripcijskega stroja na genskem promotorju je kot vklop motorja in dovoliti, da deluje v prostem teku v nevtralnem stanju. Ko dodatni transkripcijski faktorji, vezani na ojačevalne elemente, sodelujejo z bazalnimi stroji, je to kot da bi motor vstavili v prestavo in se umaknili stran od robnika. (Po drugi strani pa je za mesto za zatiranje to, kot da bi zategnili ročno zavoro.)

Pogosto je dani gen predmet kompleksne regulacije. To pomeni, da ga bo morda treba prepisati ob različnih časih in na različnih mestih med razvojem ali kot odziv na različne zunajcelične dražljaje. V sedanjem kontekstu (Drosophila embriogeneza) smo videli, da so segmentacijski geni izraženi glede na njihov položaj v zarodku. Primer je enakomerno preskočeno (predvečer) gen, gen s pravilom parov, ki se prepisuje v nadomestnih embrionalnih parasegmentih, da ustvari vzorec zebre s sedmimi črtami. Transkripcijsko stanje predvečer gen - bodisi ON ali OFF glede na to, v katerem parasegmentu se nahajamo - je pod nadzorom niza ojačevalnih elementov, enega za vsako črto. Vsak ojačevalni element vsebuje vezavna mesta za produkte genov za segmentacijo navzgor, kot sta Bicoid in Kruppel (ki sta, kot se spomnite, sama transkripcijski faktorji). Tako določena konstelacija genov materinega učinka, genov za vrzel in drugih genov, ki pravijo pari, ki je izražena v danem parasegmentu, določa, ali je eden od ojačevalnih elementov v celoti zaseden in posledično ali predvečer je v tem parasegmentu aktivirana ali ne transkripcija gena. Specifičnost ojačevalcev je mogoče dokazati tako, da odstranimo samo enega od njih (element, ki določa črto 2, recimo) in ga vstavimo navzgor od reporterskega gena, kot je bakterijska beta-galaktozidaza (Bgal). ko se ta vnese v zarodek, se Bgal izrazi v samo eni črti - v položaju predvečer trak 2. Druga možnost je, da se določeni ojačevalni elementi izbrišejo iz normale predvečer gen, kar ima za posledico izbris ustreznih trakov predvečer izražanje. Takšna mutacija - izguba ojačevalnega elementa - se imenuje a regulativni mutacija. Vpliva na prostorsko ali časovno regulacijo gena, ne da bi povzročil univerzalno izgubo genskega produkta.

Zgornji del tega diagrama prikazuje del regulacijske regije predvečer gen - del, ki je najbližji začetnemu mestu transkripcije (rdeča puščica). V tej regiji so trije elementi za izboljšanje, ki nadzorujejo predvečer izraz v črtah 2, 3 in 7. Drugi elementi, ki niso prikazani na diagramu, ležijo dlje od mesta začetka transkripcije (levo) in nadzora predvečer izraz v črtah 1,4,5 in 6. Če izbrišemo te zgornje elemente in pustimo le tiste, ki so prikazani na diagramu, nastane vzorec izraza, prikazan zgoraj desno - trakovi 2, 3 in 7. Če vzamemo samo enega od elementov, tistega za trak 2, in povezava z reporterskim genom daje vzorec, prikazan zgoraj na sredini - samo trak 2. Divji tip predvečer izrazni vzorec je prikazan zgoraj levo. (Od Gilberta, Developmental Biology, 4. izdaja, poglavje 15, str. 549 in Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, 3. izdaja, poglavje 9, str. 428)

Podobno velja za regulacijo kompleksa Bithorax. Prepisovanje Ubx, abd-A in Abd-B je nadzorovan z vrsto ojačevalcev, od katerih je vsak specifičen za določen parasegment. Izguba enega od Ubx ojačevalci bodo povzročili izgubo Ubx izraz iz ustreznega parasegmenta in transformacija tega parasegmenta. Mutacije BX-C, ki jih je Lewis zaznal na svojem genetskem zaslonu (bx, pbx, bxd, iab2 itd.) se izkaže za regulatorne mutacije te vrste. na primer bxd kontrole Ubx ekspresija v A1 mutacije bxd povzročijo izgubo ekspresije Ubx v A1 in homeotično transformacijo A1 v T3). Tako so transformacije identitete segmenta posledica subtilnih, za parasegment specifičnih sprememb vzorcev izražanja Ubx, abd-A oz Abd-B, ne popolne izgube njihovih kodiranih beljakovin.


Nova tehnologija bo pokazala, kako RNA uravnava gensko aktivnost

Slika 1. Genska ekspresija (a): Zaporedje DNK gena se kopira, da se naredi molekula RNA (transkripcija), nato se sekvenca RNA dekodira (prevede), da se zgradi proteinska molekula. (b) Znotraj celičnega jedra je molekula DNK pakirana s posebnimi proteini v kromatinu, ki sestavljajo kromosom. Zasluge: Moskovski inštitut za fiziko in tehnologijo

Odkritje ogromnega števila dolgih nebeljakovinskih kodirajočih RNA, imenovanih lncRNA, v genomu sesalcev je bilo veliko presenečenje nedavnih obsežnih projektov genomike. Mednarodna ekipa, ki vključuje bioinformatika iz Raziskovalnega centra za biotehnologijo Ruske akademije znanosti in Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo, je razvila zanesljivo metodo za ocenjevanje vloge takšnih RNA. Nova tehnika in podatki, pridobljeni z njo, omogočajo ustvarjanje pomembnih hipotez o tem, kako je kromatin sestavljen in reguliran, ter identificiranje specifičnih funkcij lncRNA.

Predstavljeno v Naravne komunikacije, tehnologija se imenuje RADICL-seq in omogoča celovito preslikavo vsake RNA, zajete med interakcijo z vsemi genomskimi regijami, na katere cilja, kjer je verjetno veliko RNA pomembnih za regulacijo genoma in vzdrževanje strukture.

Regulacija RNA in genov

Prej je veljalo, da RNA deluje večinoma kot posrednik pri gradnji beljakovin na podlagi DNK predloge (slika 1a), z zelo redkimi izjemami, kot so ribosomske RNA. Vendar se je z razvojem genomske analize izkazalo, da vse regije DNK ne kodirajo RNA in da vsa transkribirana RNA ne kodira beljakovin.

Čeprav je število nekodirajočih RNA in tistih, ki kodirajo proteine, približno enako, funkcija večine nekodirajočih RNA še vedno ni povsem jasna.

Vsaka vrsta celice ima svoj nabor aktivnih genov, ki povzročajo proizvodnjo specifičnih beljakovin. Zaradi tega se možganska celica razlikuje od krvne celice istega organizma – kljub temu, da imata obe isti DNK. Znanstveniki zdaj prihajajo do zaključka, da je RNA eden od dejavnikov, ki določajo, kateri geni so izraženi ali aktivni.

Znano je, da dolge nekodirajoče RNA medsebojno delujejo s kromatinom – DNK, ki je tesno zapakirana z beljakovinami (slika 1b). Kromatin ima sposobnost spreminjanja svoje konformacije ali "oblike", tako da so nekateri geni bodisi izpostavljeni za transkripcijo bodisi prikriti. Dolge nekodirajoče RNA prispevajo k tej spremembi konformacije in posledični spremembi genske aktivnosti z interakcijo z nekaterimi kromatinskimi regijami. Za razumevanje regulativnega potenciala RNA – poleg tega, da je predloga za sintezo beljakovin – je pomembno vedeti, s katero regijo kromatina deluje katera koli dana RNA.

Slika 1b. Ekspresija gena (a): zaporedje DNK gena se kopira, da se naredi molekula RNA (transkripcija), nato se sekvenca RNA dekodira (prevede), da se zgradi proteinska molekula. (b) Znotraj celičnega jedra je molekula DNK pakirana s posebnimi proteini v kromatinu, ki sestavljajo kromosom. Zasluge: Moskovski inštitut za fiziko in tehnologijo

RNA medsebojno delujejo s kromatinom znotraj celičnega jedra tako, da se vežejo na s kromatinom povezane beljakovine, ki zložijo molekulo DNK. Obstaja več tehnologij, ki lahko preslikajo takšne interakcije RNA-kromatin. Vendar pa imajo vsi pomembne omejitve. Ponavadi zamudijo interakcije ali zahtevajo veliko vhodnega materiala ali motijo ​​jedrsko strukturo.

Za odpravo teh pomanjkljivosti je ekipa, ki jo vodi RIKEN, predstavila novo metodo: RNA in DNK interacting Complexes Ligated and Sequenced ali na kratko RADICL-seq. Tehnika daje natančnejše rezultate in ohranja celice nedotaknjene, dokler se stiki RNA-kromatin ne povežejo.

Glavna ideja metode RADICL-seq je naslednja. Prvič, RNA je zamrežena na proteine, ki se nahajajo blizu nje v jedru celic s formaldehidom. Nato se DNK razreže na koščke tako, da se prebavi s posebnim proteinom. Po tem tehnologija uporablja zdravljenje z RNazo H za zmanjšanje vsebnosti ribosomske RNA, s čimer se poveča natančnost rezultata. Nato z uporabo premostitvenega adapterja (molekula z enoverižnimi in dvoverižnimi konci) povežeta proksimalno DNK in RNA (slika 2a). Po preobratu navzkrižnih povezav se himera RNA-adapter-DNA pretvori v dvoverižno DNK za sekvenciranje (slika 2b), pri čemer se razkrije zaporedje vezanih RNA in DNK.

  • Slika 2a. Reakcije v celičnem jedru (a): RNA je prikazana v rdeči barvi, DNK je prikazana kot črne dvojne črte in povezovalna molekula v temno modri barvi. Svetlo modri krogi pomenijo beljakovine. Črna pika je molekula, ki omogoča izločanje hibrida DNA-RNA v raztopini. Pojasnila so podana v besedilu. Reakcije v raztopini (b): odstranitev beljakovin, sinteza druge verige, odrezovanje na vnaprej določeno velikost, dodajanje zaporedij, uporabljenih za prepoznavanje, in sekvenciranje Zasluge: Alessandro Bonetti et al./Nature Communications. Zasluge: Moskovski inštitut za fiziko in tehnologijo
  • Slika 3. Nekodirajoči vzorci interakcij RNA-kromatin: Neat1 (a, b) in Fgfr2 (c, d) v mišjih embrionalnih matičnih celicah (mESC) in mišjih matičnih celicah oligodendrocita (mOPC). Neat1 in Fgfr2 prihajata iz kromosoma št. 18 oziroma 7. Zasluge: Alessandro Bonetti et al./Nature Communications

Dekodiranje nekodiranja

V primerjavi z drugimi obstoječimi metodami je RADICL-seq z večjo natančnostjo preslikal interakcije RNA-kromatin. Poleg tega je vrhunska ločljivost tehnologije omogočila skupini, da je odkrila interakcije kromatina ne le z nekodirajočimi, temveč tudi s kodirnimi RNA, vključno s tistimi, ki so bile najdene daleč od njihovega transkripcijskega lokusa. Raziskava je potrdila, da imajo dolge nekodirajoče RNA pomembno vlogo pri regulaciji genske ekspresije, ki se pojavlja na precejšnji razdalji od reguliranega gena.

Ta tehnologija se lahko uporablja tudi za preučevanje interakcij RNA-kromatin, specifičnih za tip celice. Znanstveniki so to dokazali z ogledom dveh nekodirajočih RNA v mišji celici, od katerih je ena morda povezana s shizofrenijo. Ugotovili so, da je vzorec interakcije med kromatinom in temi RNA v dveh različnih celicah – embrionalni matični celici in matični celici oligodendrocita – povezan s prednostno ekspresijo genov v teh vrstah celic (slika 3).

Prilagodljivost nove metode pomeni, da lahko znanstveniki zbirajo dodatne biološke informacije s spreminjanjem eksperimenta. Zlasti ta tehnologija lahko omogoči prepoznavanje neposrednih interakcij RNA-DNA, ki jih ne posredujejo proteini kromatina. Analiza, ki so jo izvedli bioinformatiki iz Raziskovalnega centra za biotehnologijo in MIPT, je pokazala, da lahko pri regulaciji genov sodelujejo ne le standardne interakcije dvojne vijačnice med DNK in RNA, temveč tudi tiste, ki vključujejo triplekse RNA-DNA. Tudi takšne interakcije poudarjajo pomen nekodirajoče RNA pri ciljanju beljakovin na določene genske lokuse.

"Načrtujemo nadaljnje raziskave o vlogi RNA pri regulaciji genske ekspresije, preoblikovanju kromatina in na koncu pri identiteti celic. Upajmo, da bomo z uporabo teh nekodirajočih RNA v bližnji prihodnosti lahko uravnavali gene. To lahko bodite še posebej v pomoč pri zdravljenju bolezni," pravi Julia Medvedeva, ki vodi skupino za regulativno transkriptomiko in epigenomiko v Raziskovalnem centru za biotehnologijo, RAS, in vodja laboratorija za bioinformatiko za celične tehnologije na MIPT. Vodi tudi projekt nepovratnih sredstev, ki ga podpira Ruska znanstvena fundacija, ki je sofinancirala študijo.


Kje pride do transkripcije?

Transkripcija poteka v jedru celice in se začne, ko se encim, imenovan RNA polimeraza, veže na del DNK, ki ga potrebuje, in odpre dvojno vijačnico. RNA polimeraza se veže na območje, imenovano promotor, ki se nahaja na kratki razdalji “navzgor” od samega gena. Promotorsko zaporedje najdemo samo na eni verigi – to ne kaže le, kje začeti prepisovati, temveč tudi, katero verigo DNK uporabiti.

Kje pride do transkripcije?

Transkripcija poteka v jedru celice.

RNA polimeraza začne graditi verigo mRNA z uporabo DNK kot predloge. Tako se uporabljena veriga DNK imenuje vzorčna veriga, neuporabljena pa se imenuje kodirna veriga (ki vsebuje sam gen). mRNA je narejena z uporabo komplementarnega parjenja baz. Ko je veriga DNK odvita in njene baze izpostavljene, se z RNA polimerazo namesti ustrezna baza RNA. Adenin se vedno pari s timinom (ali uracilom, v primeru RNA), citozin pa vedno z gvaninom. Torej, če veriga predloge DNK pravi A T C G A T C G, bo RNA prebrala U A G C U A G C.

RNA polimeraza še naprej gradi verigo mRNA, dokler ne najde terminatorskega zaporedja na koncu gena. Encim nato zapusti verigo DNK in zdaj lahko prosto prepiše drug gen.

Nekatere verige mRNA potrebujejo modifikacije, preden lahko zapustijo jedro: 1) na en konec se postavi “cap”, 2) na drugi konec se doda niz približno 200 adeninov in 3) neželene sekvence, imenovane introni, so odstranili. Ko so te spremembe končane, je mRNA pripravljena za prehod v celico za prevajanje.

Ni preverjanja črkovanja ali nadzora kakovosti, zato se pojavlja veliko napak. Vendar pa se mRNA in beljakovine, ki so narejene iz njih, zlahka razgradijo in predelajo, če so prvič napačne.


Kako transkripcija RNA določi, katero polovico DNK uporabiti? - Biologija

I. Kaj je srpastocelična anemija?

A gen je segment DNK, ki kodira beljakovino ali lastnost.. Geni so lahko poljubne dolžine in včasih vključujejo več delov DNK. Gen HBB zagotavlja navodila za izdelavo beljakovine, imenovane beta-globin, ki je del velikega proteina, imenovanega hemoglobin ki se nahaja v rdečih krvnih celicah. Vsak protein hemoglobina lahko nosi štiri molekule kisika, ki se dostavi v telesne organe in tkiva.

Če oseba nima dovolj rdečih krvnih celic ali celice ne delujejo pravilno, lahko organi izgubijo kisik. Ta pogoj se imenuje anemija. Oseba z anemijo se lahko ves čas počuti utrujeno, ima težave z dihanjem, krče v nogah in omotico.

Obstaja ena vrsta anemije, ki je povezana z obliko proteina HBB. Ko ima oseba anemija srpastih celic, protein hemoglobin tvori dolge verige, ki spreminjajo obliko rdečih krvnih celic. Namesto strukture v obliki diska, ki se zlahka premika skozi krvne žile, so srpaste krvne celice oblikovane kot banane. Razlog, da imajo srpasto obliko, je, ker ima osnovni gen napačna navodila. Te deformirane krvne celice se zamašijo v žilah in nimajo pričakovane življenjske dobe kot normalne krvne celice. Oseba s srpastimi celicami bo občutila utrujenost (občutek utrujenosti) in epizode izjemne bolečine, imenovane bolečinska kriza. Srpaste krvne celice, ki blokirajo žile v možganih, lahko povzročijo celo možgansko kap.

Srpastocelična anemija je življenjsko nevarna bolezen, ki prizadene približno 100.000 Američanov. To je dedna bolezen, ki se prenaša s staršev na otroke, lahko pa tudi starši nosilci gena in nima nobenih simptomov. Če sta oba starša nosilca, imajo njihovi otroci 25-odstotno možnost, da bodo imeli srpastocelično anemijo.

1. Kaj je gen? _________________________________________

2. Kaj je hemoglobin? __________________________________________

3. Kako se srpasta krvna celica razlikuje od normalne? __________________________

4. Zakaj so krvne celice napačne oblike? __________________________

5. Kakšni so simptomi anemije srpastih celic? __________________________

6. Kaj je nosilec? ______________________________

II. Kako DNK tvori beljakovine

Spomnimo se, da DNK vsebuje štiri baze: adenin, gvanin, citozin in timin. Zaporedje A, T, G in C je tisto, kar določa beljakovino, ki je zgrajena. Each set of three bases will code for a single amino acid. Beljakovine are simply chains of amino acids. To make proteins, DNA must send its code sequence to the ribosomes in the cell, but it needs a messenger to do that. Transkripcija is the process where DNA is converted to a molecule of messenger RNA (mRNA). The mRNA is then used to build a protein like hemoglobin.

CODON CHART

To determine the amino acid sequence of the gene, you must transcribe the DNA to RNA. The base pair rule is used to create RNA, but RNA does not contain thymine, it contains URACIL instead. This is why codon charts have U's in them and no T's.

A codon chart tells you what bases in RNA code for what amino acids. The ribosome combines all the amino acids to create a single protein, like hemoglobin. It takes three bases to determine one amino acid. Amino acids are usually abbreviated. GUC makes the amino acid valine, abbreviated as "Val" on the chart.

Here is how the codon chart could be used to determine the amino acid sequence:

DNA: A A T C A G → (DNA sequence of gene)
RNA: U U A G U C (transcribed from RNA follow base pair rule, no T's)
Amino Acids: Leu Val (find on codon chart)

7. In order to make a protein, the message on DNA must be converted to what? ___________

8. How many bases in DNA are needed to code for a single amino acid? _________

9. What is a protein? _________________________________________________

10. . What base is found in RNA, but not DNA? ________

11. Consider the sequence shown, determine the complementary RNA and the amino acids

DNK T A C G T A T T T G C A C A C
RNA
Amino kisline

III. A Change in DNA Can Change the Protein

Sometimes, one of the letters in DNA gets switched with another letter, causing a mutation in the DNA. Many mutations don't have any effects, but some will change the amino acid made by the ribosomes. In the case of sickle cell anemia, just a single letter change alters the shape of the hemoglobin protein.

12. Use the codon chart to determine the amino acids created from each DNA.

13. What codon in the sickle cell DNA is altered? ___________________ (1st, 2nd, or 3rd)

14. What happens in people that have this difference in their DNA? ____________________

15. Explain how it would be possible to have a change in a single base of DNA, but have the protein NOT change and be functional. Hint: look at the codon chart.

TED-Ed Video on Sickle Cell (

/>To delo je licencirano pod mednarodno licenco Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0.


Programming

Before we dive straight into the code let’s do a brief overview of the inputs, outputs, and algorithm for converting a template DNA strand into an RNA strand.

Input (dna_strand)

Our input is a 5′ to 3′ DNA strand. In programming terms this is a String consisting of the characters ‘A’, ‘C’, ‘T’, or ‘G’

Output (rna_strand)

Our output is a 3′ to 5′ RNA strand. That is we will have a String consisting of the characters ‘A’, ‘C’, ‘U’, or ‘G’

Algorithm

This algorithm simply goes through each nucleotide (character) in our DNA strand and replaces it with the appropriate base for the RNA strand. For those familiar with Python this code will look very straight forward, and will even work in Python with slight modifications. Below I will give a Python implementation and Javascript implementation of this algorithm.


Transcription of DNA

Transkripcija describes the process by which the genetic information contained within DNA is re-written into messenger RNA (mRNA) by RNA polymerase. This mRNA then exits the nucleus, where it provides the basis for the prevod DNK. By controlling the production of mRNA in the nucleus, the cell regulates the rate of gene expression.

In this article we will look at the process of DNA transcription, including the post-transcriptional modification of mRNA and its importance.


Poglej si posnetek: Transkripcija predavanje za srednjoskolce (Avgust 2022).