W Jaki Sposób gen, który składa się z łańcucha DNA ukrytego w jądrze komórki, wie, kiedy powinien się wyrażać? W jaki sposób gen ten powoduje produkcję ciągu aminokwasów zwanych białkami? Skąd różne typy komórek wiedzą, jakie rodzaje białek muszą wytwarzać? Odpowiedzi na takie pytania leżą w badaniu ekspresji genów., Tak więc, ten zbiór lub artykuły zaczyna się od pokazania, w jaki sposób cichy, dobrze strzeżony ciąg DNA jest wyrażany w celu utworzenia RNA i w jaki sposób przekaźnik RNA jest tłumaczony z kodowania kwasu nukleinowego na kodowanie białka w celu utworzenia białka. Po drodze, zestaw artykułów bada również naturę kodu genetycznego, jak przewidywano elementy kodu i jak określono rzeczywiste kodony.
następnie przechodzimy do regulacji genów. Geny nie mogą kontrolować organizmu na własną rękę; raczej muszą wchodzić w interakcje i reagować na środowisko organizmu., Niektóre geny są konstytutywne, lub Zawsze „włączone”, niezależnie od warunków środowiskowych. Takie geny są jednymi z najważniejszych elementów genomu komórki i kontrolują zdolność DNA do replikacji, ekspresji i naprawy. Geny te kontrolują również syntezę białek i większość centralnego metabolizmu organizmu. W przeciwieństwie do tego, regulowane geny są potrzebne tylko od czasu do czasu — ale jak te geny się „włącza” i „wyłącza”? Jakie konkretne cząsteczki kontrolują, gdy są wyrażane?
okazuje się, że regulacja takich genów różni się między prokariotami a eukariotami., W przypadku prokariotów większość białek regulatorowych jest ujemna i dlatego wyłączają geny. W tym przypadku komórki opierają się na wiązaniu białkowo–drobnocząsteczkowym, w którym ligand lub mała cząsteczka sygnalizuje stan komórki i czy potrzebna jest ekspresja genu. Białko represyjne lub aktywatorowe wiąże się w pobliżu swojego celu regulacyjnego: genu. Niektóre białka regulacyjne muszą mieć ligand dołączony do nich, aby móc wiązać, podczas gdy inne nie są w stanie wiązać, gdy dołączony do ligandu. U prokariotów większość białek regulatorowych jest specyficzna dla jednego genu, chociaż istnieje kilka białek, które działają szerzej., Na przykład, niektóre represory wiążą się w pobliżu początku produkcji mRNA dla całego Operonu lub klastra koregulowanych genów. Ponadto niektóre represory mają system dostrajania znany jako tłumienie, który wykorzystuje strukturę mRNA do zatrzymania zarówno transkrypcji, jak i translacji w zależności od stężenia enzymów produktu końcowego Operonu. (U eukariotów nie ma dokładnego odpowiednika tłumienia, ponieważ transkrypcja zachodzi w jądrze, a translacja w cytoplazmie, co uniemożliwia taki skoordynowany efekt.,) Kolejna warstwa prokariotycznej regulacji wpływa na strukturę polimerazy RNA, która włącza duże grupy genów. Tutaj czynnik sigma polimerazy RNA zmienia się kilka razy, tworząc odporne na ciepło i wysychanie zarodniki. Tutaj artykuły na temat regulacji prokariotycznych zagłębiają się w każdy z tych tematów, prowadząc w wielu przypadkach do literatury podstawowej.
u eukariotów różnice między komórkami są determinowane przez ekspresję różnych zestawów genów., Na przykład, niezróżnicowane zapłodnione jajko wygląda i działa zupełnie inaczej niż komórka skóry, neuron lub komórka mięśniowa ze względu na różnice w genach, które każda komórka wyraża. Komórka nowotworowa działa inaczej niż normalna komórka z tego samego powodu: wyraża różne geny. (Za pomocą analizy microarray, naukowcy mogą wykorzystać takie różnice, aby pomóc w diagnostyce i wyborze odpowiedniego leczenia raka.) Co ciekawe, u eukariotów domyślny stan ekspresji genów jest „wyłączony”, a nie „włączony”, jak u prokariotów. Dlaczego tak jest?, Sekret tkwi w chromatynie, czyli kompleksie białek DNA i histonów znajdujących się w jądrze komórkowym. Histony są jednymi z najbardziej ewolucyjnie konserwowanych białek znanych; są niezbędne dla dobrego samopoczucia eukariotów i małych zmian. Gdy określony gen jest ściśle związany z histonem, gen ten jest ” wyłączony.”Ale w jaki sposób geny eukariotyczne zdołają uniknąć tego wyciszenia? Tutaj wchodzi w grę Kod histonu., Kod ten zawiera modyfikacje histonów ' dodatnio naładowanych aminokwasów do tworzenia niektórych domen, w których DNA jest bardziej otwarte i inne, w których jest bardzo ściśle związane. Metylacja DNA jest jednym z mechanizmów, które wydają się być koordynowane z modyfikacjami histonów, szczególnie tymi, które prowadzą do wyciszenia ekspresji genów. Małe niekodujące RNA, takie jak RNAi, mogą być również zaangażowane w procesy regulacyjne, które tworzą „cichą” chromatynę., Z drugiej strony, gdy ogony cząsteczek histonu są acetylowane w określonych miejscach, cząsteczki te mają mniejszą interakcję z DNA, pozostawiając je bardziej otwarte. Regulacja otwarcia takich domen jest gorącym tematem w badaniach. Na przykład naukowcy wiedzą teraz, że kompleksy białek zwane kompleksami przebudowującymi chromatynę wykorzystują ATP do przepakowywania DNA w bardziej otwartych konfiguracjach. Naukowcy ustalili również, że komórki mogą utrzymywać ten sam kod histonu i wzorce metylacji DNA poprzez wiele podziałów komórkowych., Ta trwałość bez polegania na parowaniu baz nazywa się epigenetyką i istnieje wiele dowodów, że zmiany epigenetyczne powodują wiele chorób człowieka.
Aby doszło do transkrypcji, obszar wokół perspektywicznej strefy transkrypcyjnej musi zostać rozwinięty. Jest to złożony proces wymagający koordynacji modyfikacji histonów, wiązania czynnika transkrypcyjnego i innych działań przebudowy chromatyny. Gdy DNA jest otwarty, specyficzne sekwencje DNA są wtedy dostępne dla specyficznych białek do wiązania., Wiele z tych białek jest aktywatorami, podczas gdy inne są represorami; u eukariotów wszystkie takie białka są często nazywane czynnikami transkrypcyjnymi (TFs). Każdy TF ma specyficzną domenę wiążącą DNA, która rozpoznaje motyw 6-10 par zasad w DNA, a także domenę efektorową. W probówce naukowcy mogą znaleźć ślad TF, jeśli białko to wiąże się z pasującym motywem w kawałku DNA. Mogą również zobaczyć, czy Wiązanie TF spowalnia migrację DNA w elektroforezie żelowej.,
w celu aktywacji TF, domena efektorowa rekrutuje polimerazę RNA II, eukariotyczną polimerazę produkującą mRNA, aby rozpocząć transkrypcję odpowiedniego genu. Niektóre aktywujące TFs włączają nawet wiele genów naraz. Wszystkie TFs wiążą się z promotorami tuż przed genami eukariotycznymi, podobnie jak bakteryjne białka regulacyjne. Jednak wiążą się one również w regionach zwanych wzmacniaczami, które mogą być zorientowane do przodu lub do tyłu i zlokalizowane w górę lub w dół lub nawet w intronach genu i nadal aktywują ekspresję genu., Ponieważ wiele genów jest koregulowanych, studiowanie ekspresji genów w całym genomie za pomocą mikromacierzy lub masowo równoległego sekwencjonowania pozwala badaczom zobaczyć, które grupy genów są koregulowane podczas różnicowania, raka i innych stanów i procesów.
Większość eukariotów wykorzystuje również małe niekodujące RNA do regulacji ekspresji genów. Na przykład enzym Dicer znajduje dwuniciowe regiony RNA i wycina krótkie fragmenty, które mogą pełnić rolę regulacyjną. Argonaute jest kolejnym enzymem, który jest ważny w regulacji małych noncoding RNA zależnych układów., Tutaj zamieszczamy artykuł wprowadzający na temat tych RNA, ale potrzebna jest większa zawartość; prosimy o kontakt z redakcją, jeśli jesteś zainteresowany udziałem.
Imprinting to kolejny proces biorący udział w regulacji genów eukariotycznych. proces ten polega na wyciszeniu jednego z dwóch alleli genu przez cały okres życia komórki. Imprinting wpływa na mniejszość genów, ale zawiera kilka ważnych regulatorów wzrostu. Dla niektórych genów Kopia matczyna jest zawsze wyciszona, podczas gdy dla różnych genów Kopia ojcowska jest zawsze wyciszona., Epigenetyczne znaki umieszczone na tych genach podczas tworzenia komórki jajowej lub plemnika są wiernie kopiowane do każdej kolejnej komórki, wpływając tym samym na te geny przez całe życie organizmu.
jeszcze innym mechanizmem powodującym wyciszenie niektórych genów przez całe życie organizmu jest inaktywacja X. Na przykład u samic ssaków jedna z dwóch kopii chromosomu X jest odcięta i mocno zagęszczona., Ten proces odcinania wymaga transkrypcji, udziału dwóch niekodujących RNA (z których jeden pokrywa nieaktywny chromosom X) i udziału białka wiążącego DNA zwanego CTCF. Ponieważ możliwa rola noncoding RNA regulacyjnego w tym procesie jest badana, więcej informacji na temat inaktywacji X bez wątpienia zostaną odkryte.