Kas yra genų raiška: apibrėžimas, mechanizmai ir reguliavimas
Genų raiška: aiškus apibrėžimas, pagrindiniai mechanizmai ir reguliavimas — nuo transkripcijos ir transliacijos iki epigenetikos, lemiančios ląstelių diferenciaciją ir raidą.
Genų raiška - tai procesas, kurio metu paveldima informacija, esanti genuose, t. y. DNR bazių porų seka, paverčiama funkciniu geno produktu, pavyzdžiui, baltymu arba RNR. Pagrindinė idėja yra ta, kad DNR transkribuojama į RNR, kuri vėliau verčiama į baltymus. Baltymai sudaro daugelį ląstelės ar organizmo struktūrų ir visus fermentus.
Genų raiška nėra vien tik „įjungimas“ arba „išjungimas“ — tai daugiasluoksnis procesas, kuriame gali būti modifikuojami keli etapai: nuo DNR prieigos ir transkripcijos inicijavimo iki RNR apdorojimo, išvedimo iš branduolio, transliacijos ir galutinio baltymo modifikavimo bei sunaikinimo. Tai apima ir transkripciją, ir transliaciją, ir galutinę sulankstyto baltymo būseną. Genų reguliavimas įjungia ir išjungia genus ir taip valdo ląstelių diferenciaciją ir morfogenezę. Genų reguliavimas taip pat gali būti evoliucinių pokyčių pagrindas: genų raiškos laiko, vietos ir kiekio kontrolė gali turėti didelę įtaką organizmo raidai.
Mechanizmai: nuo DNR prieigos iki galutinio produkto
- Transkrpcija: RNR polimerazės prisijungimas prie promotoriaus, aktyvatorių ir represorių veikla, cis-elementų (promoteriai, enhanceriai, silenceriai) vaidmuo formuojant, kada ir kiek RNR sintezuojama.
- Epigenetiniai mechanizmai: DNR metilinimas, histonų modifikacijos (acetilinimas, metilinimas ir kt.) bei chromatino remodeliavimas lemia DNR prieinamumą transkripcijai be sekos pokyčių.
- RNR apdorojimas: pirminės transkriptų (pre-mRNR) nukleotidų priedai (5' kepurėlė, 3' poli(A) uodega), alternatyvus splicingas (skirtingi egzono jungimai), RNR redagavimas bei RNR stabilumo kontrolė.
- Transliacija: mRNR priversdinimas ribosomomis, iniciacijos, elongacijos ir terminavimo reguliacija, taip pat reguliacinės sekos 5' ir 3' netransliuojamose dalyse.
- Post-transliacinės modifikacijos: baltymų sulankstymas, fosforilinimas, glikozilinimas, ubikvitinacija ir kt., kurie įtakoja baltymo aktyvumą, lokalizaciją ir stabilumą.
- Baltymų ardymas: proteazominė ir lizosominė degradacija (pvz., ubikvitino–proteazomų sistema) kontroliuoja baltymų koncentraciją ląstelėje.
- Nekodavimo RNR: miRNR, siRNR, lncRNR ir kiti ncRNR dalyvauja transkripcijos ir post-transkripcijos reguliavime, slopindami arba skatindami mRNR stabilumą ir transliaciją.
Genų reguliavimo lygiai
- Transkripcinis reguliavimas: dažniausiai svarbiausias žingsnis — reguliuojama RNR sintezė. Transkripciją valdo transkripcijos faktoriai (trans veiksniai) ir cis- elementai.
- Post-transkripcinis reguliavimas: alternatyvus splicingas, RNR eksportas iš branduolio, RNR stabilumas ir mikroRNR-ų sąveika.
- Transliacinis reguliavimas: mRNR prieinamumas ribosomoms, translacijos iniciacijos kontrolė.
- Post-transliacinis reguliavimas: baltymų aktyvacijos/inaktyvacijos modifikacijos, lokalizacija ir degradacija.
Reguliavimo komponentai
- Cis-reguliaciniai elementai: promotoriai, enhanceriai, silenceri ir insuliatoriai, kurie yra DNR sekoje pačioje geno rajone.
- Trans-reguliatoriai: transkripcijos faktoriai, koreguliatoriai, chromatino remodeliažai, RNR susiję baltymai ir ncRNR.
- Signalų perdavimas: išoriniai signalai (hormonai, augimo faktoriai, streso veiksniai) sukelia signalų kaskadas, kurios perkelia informaciją į branduolį ir keičia genų raišką.
Audinių specifiškumas ir pleiotropija
Skirtinguose audiniuose geno raiška gali labai skirtis — tai vadinama audinių specifiška arba diferencialia raiška. Tai reiškia, kad tam tikri genai aktyvūs tik tam tikrose ląstelėse ar vystymosi stadijose. Pleiotropizmu, plačiai paplitusiu genetikos reiškiniu, paprastai vadiname situaciją, kai vienas genas veikia kelis fenotipinius požymius ar sistemas. Kitaip tariant, audinių specifiškumas ir pleiotropija yra susiję, bet nėra tas pats dalykas.
Praktinė reikšmė ir ligos
- Netinkamas genų reguliavimas gali sukelti ligas: vėžys, įgimtos vystymosi anomalijos, metaboliniai sutrikimai dažnai susiję su mutacijomis reguliacinėse sekoje arba epigenetiniais pokyčiais.
- Medicinoje genų raiškos profiliai naudojami diagnostikai, prognozei ir gydymo pasirinkimui (pvz., tikslinė terapija vėžyje).
- Biotechnologijoje kontroliuojama genų raiška leidžia gaminti rekombinantinius baltymus, kurti genų terapijas ir inžinerines ląsteles.
Pavyzdžiai ir evoliucinė reikšmė
Pokyčiai genų raiškos laike, vietoje ar kiekyje gali sukelti didelius morfologinius ir funkcinius pasikeitimus organizmuose. Pvz., skirtingų kūno dalių išsivystymas ir specifiški audinių tipai dažnai priklauso ne tiek nuo naujų genų atsiradimo, kiek nuo esamų genų raiškos pokyčių. Tai lemia evoliucinį įvairovumą tarp rūšių.
Trumpai apibendrinant: genų raiška yra daugiaetapis, griežtai reguliuojamas procesas nuo DNR sekos iki funkcinio produkto, kurį lemia tiek genetiniai (seka), tiek epigenetiniai bei aplinkos veiksniai. Supratimas, kaip ir kada genai reiškiami, yra esminis tiek fundamentinei biologijai, tiek medicinai bei biotechnologijai.
Diagrama, rodanti, kuriuose DNR, RNR ir baltymų kelio etapuose galima kontroliuoti raišką
Epigenetika
Biologijoje epigenetika yra paveldimų fenotipo (išvaizdos) ar genų raiškos pokyčių, kuriuos lemia kiti mechanizmai, o ne DNR sekos pokyčiai, tyrimas.
Šie pokyčiai gali išlikti per ląstelių dalijimąsi visą likusį individo gyvenimą, taip pat gali išlikti kelioms kartoms. Tačiau pagrindinė organizmo DNR seka nepasikeičia. Vietoj to negenetiniai veiksniai lemia, kad organizmo genai elgiasi (reiškiasi) kitaip.
Geriausias epigenetinių pokyčių eukariotų biologijoje pavyzdys yra ląstelių diferenciacijos procesas. Morfogenezės metu totipotentinės kamieninės ląstelės tampa įvairiomis embriono ląstelių linijomis, kurios savo ruožtu tampa visiškai diferencijuotomis ląstelėmis. Kitaip tariant, viena apvaisinto kiaušinėlio ląstelė - zigota - dalijasi ir vystosi. Dukterinės ląstelės virsta daugeliu subrendusio embriono ląstelių tipų. Tai neuronai, raumenų ląstelės, epitelis, kraujagyslės ir t. t. Tai vyksta aktyvinant vienus genus ir slopinant kitus.
Epigenetiniai pokyčiai yra ilgalaikiai ir paprastai išlieka po ląstelių dalijimosi (mitozės). Pokyčiai vyksta chromatine, kuris yra chromosomoje esančios DNR ir ją supančių histonų baltymų derinys. Detalės, kaip tai vyksta, vis dar aiškinamos, tačiau gana aišku, kad DNR ir histonų apsivyniojimas yra pagrindinė ypatybė.
Genų reguliavimas
Reguliavimo didinimas ir mažinimas
Reguliacija padidina vieno ar daugiau genų, o kartu ir tų genų koduojamų baltymų ekspresiją. Reguliacijos mažinimas yra procesas, dėl kurio sumažėja genų ir baltymų raiška.
Indukcija ir represija
Genų reguliavimą galima apibendrinti taip:
- Indukuojamos sistemos: indukuojama sistema yra išjungta, jei nėra tam tikros molekulės (vadinamos induktoriumi), kuri leidžia genų raišką.
- Represinės sistemos: represinė sistema veikia tik esant kokiai nors molekulei (vadinamai korespresoriumi), kuri slopina geno aktyvumą. Sakoma, kad molekulė slopina raišką.
Reguliacinės RNR
Yra nemažai RNR, kurios reguliuoja genus, t. y. reguliuoja genų transkripcijos arba transliacijos greitį. Toliau pateikiami du svarbūs pavyzdžiai
miRNA
Mikro RNR (miRNA) veikia prisijungdamos prie fermento ir blokuodamos mRNA (pasiuntinių RNR) arba pagreitindamos jos skilimą. Tai vadinama RNR interferencija.
siRNA
Mažos interferuojančios RNR (kartais vadinamos slopinančiosiomis RNR) trikdo konkretaus geno raišką. Tai gana mažos (20/25 nukleotidų) dvigrandės molekulės. Jų atradimas sukėlė biomedicininių tyrimų ir vaistų kūrimo bangą.
Eukariotų baltymus koduojančio geno struktūra.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra genų raiška?
A: Genų raiška - tai procesas, kurio metu genuose esanti paveldima informacija virsta funkciniu produktu, pavyzdžiui, baltymu ar RNR.
K: Kaip pasiekiama genų raiška?
A.: Genų raiška pasiekiama per procesą, kai DNR transkribuojama į RNR, kuri vėliau verčiama į baltymus.
K: Ką ląstelėje ar organizme veikia baltymai?
A: Baltymai sudaro daugelį ląstelių ar organizmo struktūrų ir visus fermentus.
K: Kas yra genų reguliavimas?
A: Genų reguliavimas - tai procesas, kurio metu genai yra išjungiami ir įjungiami, o tai kontroliuoja ląstelių diferenciaciją ir morfogenezę.
K: Kaip genų reguliavimas gali būti evoliucinių pokyčių pagrindas?
A: Genų reguliavimas gali būti evoliucinių pokyčių pagrindas, nes kontroliuoja genų raiškos laiką, vietą ir kiekį, taip darydamas didelę įtaką organizmo vystymuisi.
K: Kas yra pleiotropizmas?
A: Plejotropizmas - tai genetikos reiškinys, kai geno raiška skirtinguose audiniuose gali labai skirtis.
K: Kuriuos genų raiškos etapus galima moduliuoti?
A: Genų raiškos metu galima reguliuoti ir transkripcijos, ir transliacijos etapus, ir galutinę sulankstyto baltymo būseną.
Ieškoti