Ekspresja informacji genetycznej u eukariota.

EKSPRESJA INFORMACJI GENETYCZNEJ
<BR>DNA opisuje istotne dla funkcjonowania komórki związki takie jak: rRNA wchodzący w skład rybosomów, tRNA zaangażowany w syntezę wcześniej wspomnianych białek i inne.
<BR>Tak więc, w DNA występuje kilka klas genów, których transkrypcja prowadzi do powstania różnych produktów. Zanim jednak przejdziemy do poznawania poszczególnych etapów ekspresji, należy sobie uświadomić, że DNA nie jest w całości wykorzystany do kodowania informacji o strukturze wyżej wspomnianych związków. Znaczna część kwasu deoksyrybonukleinowego to rejony, które nie są nigdy "przetwarzane", a służą np. do przyłączania czynników regulujących procesy związane z DNA ( takie jak replikacja, rekombinacja, sama ekspresja i szereg innych ). Istnieją również w genomie obszary, których funkcja jak do tej pory nie została poznana.
<BR>Można zatem eukariotyczne DNA podzielić na kilka klas:
<BR>1. Geny kodujące białka - u ssaków stanowią one ok. 2% (czyli bardzo niewiele) całego DNA; spośród nich wyodrębnia się geny:
<BR> występujące w jednej kopii - za przykład posłużyć może gen kodujący owalbuminę (główne białko jaja kurzego ) Godne uwagi jest to, że jedna kopia genu wystarcza do zsyntetyzowania ogromnej ilości białka kodowanego przez ten gen.
<BR> powielone:
<BR>- kilkakrotnie - jak w przypadku genu kodującego podjednostkę hemoglobiny
<BR>- wielokrotnie - geny histonów, na przykład u jeżowca występują w liczbie od 300 do 1000, a u człowieka od 30 do 40 kopii.
<BR>2. Geny nie kodujące białek ( ich końcowym produktem jest RNA ) - wielokrotnie powtórzone. Wśród nich wyróżnia się geny na:
<BR> tRNA - transportujący RNA biorący udział w translacji;
<BR> rRNA - rybosomalny RNA różnych rodzajów; niektóre z nich zgromadzone są w tandemy;
<BR> snRNA - mały jądrowy RNA pełniący istotną rolę w wycinaniu intronów;
<BR>3. Pseudogeny - odcinki DNA przypominające normalne geny występujące w genomie danego organizmu; nie kodują funkcjonalnego produktu.
<BR>4. Powtarzające się sekwencje, których rola w większości przypadków nie jest znana.
<BR>5. Obszary służące do przyłączania czynników regulujących procesy związane z DNA - enhancery, silencery ( o których mowa będzie już wkrótce ) i inne.
<BR>I tak oto można przejść do omawiania ekspresji informacji genetycznej. Obejmuje ona szereg skomplikowanych i precyzyjnie regulowanych etapów. Ogólny zarys ekspresji przedstawia poniższy schemat.
<BR>
<BR>Każdy z uwzględnionych na schemacie etapów dzieli się jednak dalej na szereg procesów, które omówione zostaną w kolejnych rozdziałach.
<BR>REPLIKACJA DNA ORGANIZMÓW EUKARIOTYCZNYCH
<BR>Replikacja jest procesem, w którym zachodzi podwojenie ilości materiału genetycznego w komórkach mających wejść w podział - mitotyczny lub mejotyczny - to znaczy będących w fazie S cyklu komórkowego. Znaczenie replikacji jest najwyraźniej widoczne, kiedy poruszony zostaje temat "losu informacji genetycznej" danego organizmu w rozwoju embrionalnym. Wiadomo jest, że wszystkie organizmy wielokomórkowe ( m.in. ludzie, których ciała liczą biliony komórek ) wzięły swój początek z pojedynczych zygot, w których zdeponowany został materiał genetyczny obojga rodziców. Kolejne podziały prowadzące do wzrostu liczby komórek związane są z koniecznością podwajania ilości DNA w komórkach rosnącego zarodka. Za powielanie informacji zgromadzonej w DNA odpowiedzialne są enzymy zwane polimerazami DNA, których działanie jest bardzo precyzyjne. Dzięki temu materiał genetyczny w każdej komórce jest w zasadzie identyczny, a zatem niesie identyczną informację.
<BR>Polimeraza DNA błędny nukleotyd wstawia raz na miliard włączonych prawidłowo. Zważywszy, że diploidalna komórka ludzka zawiera ok. 7 miliardów par zasad ( DNA jądrowego ), w czasie jednej rundy replikacyjnej zaledwie kilka ( do kilkunastu ) nukleotydów jest wbudowanych mylnie. Tak wysoka wierność replikacji wynika z korekcyjnej aktywności polimerazy.
<BR>Ponieważ replikacją w całym świecie ożywionym rządzą te same prawa co u Procaryota, poniżej opisane zostaną jedynie co istotniejsze elementy charakterystyczne dla eukariontów.
<BR>REPLIKACJA A WIELKOŚĆ I ORGANIZACJA GENOMU EUKARIOTYCZNEGO
<BR>Proces podwajania ilości DNA rozpoczyna się w tzw. miejscach inicjacji, których w DNA eukariotycznym ze względu na jego długość jest bardzo wiele. I tak dla przykładu, w największym spośród czterech chromosomów Drosophila liczącm 62 mln. p.z. replikacja startuje z ponad 6 tys. miejsc ( tzw. Ori ). U eukariontów Ori znajdują się w strefach międzygenowych i nie są tak ściśle sprecyzowane jak w przypadku Procaryota. Oznacza to, że replikacja określonego fragmentu może rozpocząć się w jednym z kilku miejsc.
<BR>
<BR>Podczas replikacji ( jak również innych procesów związanych z DNA m.in. transkrypcji ) konieczne jest rozluźnienie struktury chromatyny w celu umożliwienia oddziaływań aparatu enzymatycznego (replikacyjnego ) z DNA. Rozluźnienie to dotyczy poszczególnych fragmentów, przez które - w danym momencie - przechodzą widełki replikacyjne, a nie całego chromosomu. Eliminację struktur nukleosomowych, a co za tym idzie wypętlenie odcinka mającego ulec replikacji , umożliwiają tzw. białka struktur jądrowych. Demontaż rdzenia nukleosomowego prawdopodobnie zainicjowany jest dysocjacją bądź usunięciem dimeru H2A : H2B. Dopiero do tak wyeksponowanego nagiego DNA mają dostęp białka replikacyjne. Po przejściu przez dany fragment widełek replikacyjnych tj. po dosyntetyzowaniu nowych nici DNA ( tzw. potomnych ) następuje odbudowa struktury nukleosomowej. Interesujący jest fakt, że "stare" histony ( tj. pochodzące z demontażu ) wykorzystywane są przez tę cząsteczkę DNA, która zawiera nić wiodącą ( patrz Genetyka molekularna Procaryota ).
<BR>Nić opóźniona - złożona z fragmentów Okazaki - wychwytuje histony syntetyzowane de novo specjalnie na potrzebę replikacji tj. w trwającej fazie S. Przy podwajaniu ilości DNA bowiem, dwukrotnie wzrasta zapotrzebowanie na histony i stąd konieczność do syntetyzowania brakującej porcji białek zasadowych.
<BR>EUCARYOTA POSIADAJĄ CZTERY RÓŻNE REPLIKAZY
<BR>Spośród pięciu rodzajów polimeraz DNA występujących w komórkach eukariotycznych, cztery są enzymami zaangażowanymi w proces replikacji. Trzy z nich , ,  oddziaływuj ą z DNA jądrowym, natomiast czwarta pełni rolę replikazy na terenie mitochondriów i chloroplastów.
<BR>Aktywność polimeraz regulowana jest przez białka wspomagające.
<BR>W poniższej tabeli przedstawiono wybrane cechy jądrowych enzymów replikacyjnych.
<BR>Nazwa enzymu Wierność replikacji Właściwości korekcyjne Funkcje
<BR>polimeraza  Wysoka  synteza starterów dla obu nici
<BR>polimeraza  Wysoka  synteza nici opóźnionej
<BR>polimeraza  Wysoka  synteza nici wiodącej ( ciągłej )
<BR>Replikazy działające na terenie jądra
<BR>Zdolność polimerazy ( do syntezy starterów ( krótkich fragmentów RNA a nie DNA ! ) wynika z jej współdziałania z primazami - enzymami bezpośrednio odpowiedzialnymi za tworzenie odcinków RNA i występującymi z nią w kompleksie. Polimeraza ( jedynie d obudowuje do starterów krótkie fragmenty DNA, które są w dalszych etapach replikacji eliminowane razem z odcinkami RNA ( wycinanie starterów ). Powstałe w ten sposób luki wypełnia najprawdopodobniej - nie należąca do replikaz - polimeraza (.
<BR>CHROMOSOMY EUKARIOTYCZNE ZAWIERAJĄ TELOMERY
<BR>Ponieważ chromosomy eukariotyczne są cząsteczkami liniowymi, narażone są na niebezpieczeństwo stopniowego skracania - w kolejnych rundach replikacyjnych - które dla komórki mogłoby być brzemienne w skutki. Niebezpieczeństwo to związane jest z brakiem możliwości wypełniania luki po wycięciu skrajnego startera występującego na 5' końcu nici opóźnionej.
<BR>Zabudowanie tej luki jest niemożliwe, ponieważ polimeraza działająca w kierunku 5'R 3'wymaga na 5' końcu "zaczepienia"( którego w tym przypadku nie ma ), a nie istnieje enzym, mogący polimeryzować w kierunku 3'R 5'. Radą na tego typu zagrożenie jest obecność na końcach chromosomów telomerów. Są to długie odcinki powtarzającej się setki razy sekwencji 6- nukleotydowej, która u człowieka ma postać - AGGGTT. Odcinki te dobudowywane są przez telomerazę. Jest to enzym zawierający w swojej budowie fragment RNA komplementarny do sekwencji telomerowej tj. matrycę do syntezy telomerów.
<BR>Podsumowując:
<BR>1. Replikacja to proces podwajania ilości DNA przed nastąpieniem podziału komórkowego.
<BR>2. W czasie replikacji - dzięki istnieniu mechanizmów kontrolujących poprawność włączania kolejnych nukleotydów - informacja zawarta w macierzystym DNA zostaje skopiowana z dużą dokładnością.
<BR>3. Ogólny schemat replikacji jest taki sam dla Procaryota i Eucaryota, a istniejące różnice wynikają przede wszystkim z wielkości i sposobu upakowania genomu obu grup organizmów.
<BR>TRANSKRYPCJA
<BR>Transkrypcja to proces, w którym informacja zawarta w DNA - zapisana w formie sekwencji deoksyrybonukleotydów - przepisana zostaje na język rybonukleotydów w pre-mRNA podczas reakcji katalizowanej przez enzym zwany polimerazą II RNA.
<BR>Jak już wspomniano, każdy z etapów ekspresji jest bardzo złożony. Sama transkrypcja nie jest wyjątkiem, dzieli się ją bowiem dalej na trzy następujące po sobie zdarzenia:
<BR> inicjację transkrypcji,
<BR> elongację łańcucha pre-mRNA (zobacz i porównaj: mRNA),
<BR> terminację.
<BR>Inicjacja transkrypcji
<BR>Zanim będzie można przejść do omawiania tytułowego zagadnienia, należy zapoznać się z budową genu eukariotycznego, który jest jednostką kodującą białko. Takie ujęcie znaczenia genu może być bardzo mylące, gdyż sugeruje ono, że cały gen ( od pierwszego do ostatniego nukleotydu ) niesie informację o strukturze białka.
<BR>W rzeczywistości jednak takie wskazówki zawarte są jedynie we fragmentach genu zwanych egzonami. W obrębie tej części genu, która zostanie przepisana na mRNA oprócz egzonów występują również fragmenty będące najczęściej nic nie znaczącymi wtrętami. Określa się je mianem intronów. Jakkolwiek w czasie transkrypcji te "zbędne" fragmenty przepisywane są tak samo jak egzony na nić pierwotnego mRNA ( pre-mRNA ), tak przed zajściem translacji są one eliminowane.
<BR>Gen oprócz obszaru transkrybowanego zawiera jeszcze promotor i terminator odpowiednio na swoim 5' i 3' końcu, przy czym jedno i drugie należy pojmować raczej jako obszary funkcjonalne a nie jedynie strukturalne.
<BR>Inicjacja transkrypcji to ten moment, w którym odbywa się najbardziej precyzyjna kontrola ekspresji. To, czy dany gen w konkretnej komórce zostanie w danym momencie wyrażony, tzn. czy zostanie zsyntetyzowane określone białko, zależy w głównej mierze od tego, czy transkrypcja zostanie zapoczątkowana. Oczywiście zdarza się, że transkrypcja zachodzi, ale na dalszych etapach ekspresja zostaje wygaszona, czego skutkiem jest brak syntezy białka. Jednakże generalnie inicjacja transkrypcji jest głównym punktem kontrolnym ekspresji. Jako inicjację określa się zdarzenia zachodzące w obrębie promotora, a także daleko położonych rejonów zwanych enhancerami ( wzmacniaczami ), które umożliwiają polimerazie II RNA podjęcie działania. W przeciwieństwie do prokariontów u polimeraza II RNA wymaga do zapoczątkowania reakcji obecności pewnych białek, które określa się mianem czynników transkrypcyjnych tzw. TF-ów ( ang. transcription factors ). Białka te w określonym porządku wiążą się do DNA w obrębie promotora, enhancerów bądź silencerów.
<BR>To właśnie ich obecność lub brak w danej komórce ( czy tkance ) decyduje w znacznej mierze o rozpoczęciu lub też nie transkrypcji konkretnego genu. Oprócz białek na transkrypcję mogą również wpływać hormony.
<BR>Należy tu jednak zaznaczyć, że jakkolwiek TF-y są istotne w regulacji ekspresji informacji genetycznej, tak najważniejsza jest struktura chromatyny. Wiadomo, że aby zaszła transkrypcja danego genu musi mieć do niego dostęp "aparat enzymatyczny". Jeśli gen jest łatwo dostępny i komórka dysponuje odpowiednimi TF-ami, transkrypcja zachodzi. Jeżeli natomiast gen jest "ukryty" przed polimerazą nic nie pomoże obecność optymalnego zestawu czynników transkrypcyjnych. To, czy dany gen jest łatwo czy trudno dostępny zależy od tego jaka jest struktura chromatyny w rejonie, w którym występuje. Im silniejsza jest jej kondensacja tym mniejsza możliwość przyłączenia enzymu. Okazuje się, że w różnych tkankach różne rejony DNA są mocno skondensowane ( zheterochromatynizowane ). Tak więc, jeżeli wiadomo, że konkretny gen w danej tkance nie ulega transkrypcji z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że obszar w którym się lokuje jest niedostępny dla aparatu transkrypcyjnego.
<BR>Rejony DNA o funkcjach regulacyjnych
<BR>Sterowanie transkrypcją - przez związanie czynników białkowych czy hormonalnych - może odbywać się z różnych miejsc na DNA. Miejsca te mogą leżeć w obrębie genów ( promotory ), lub też w odległości kilku tys. nukleotydów ( enhancery, silencery ).
<BR>Promotory
<BR>Obszar promotorowy genu znajduje się na jego 5' końcu i zawiera kilka istotnych rejonów rozpoznawanych przez polimerazę II RNA ( najbliżej miejsca startu transkrypcji ) oraz czynniki transkrypcyjne. Spośród wspomnianych rejonów najistotniejszym i na jbardziej powszechnym jest kaseta TATA ( tzw. TATA-box ). Jest to 7-nukleotydowa sekwencja położona w odległości ok. 25 p.z. od miejsca startu transkrypcji, która w pełni prezentuje się następująco: 5'- TATAAAA -3'. Obecność kasety TATA, choć niezbędna w przypadku prawie wszystkich genów; nie jest wystarczająca, aby z promotora ruszyła transkrypcja. Do pełnej aktywności promotora niezbędne są inne sekwencje występujące w rejonie od -110 do -40
<BR>( odległość podana w liczbie nukleotydów na lewo od miejsca startu transkrypcji ). Kaseta TATA stanowi tzw. część rdzeniową promotora. Ponadto promotory genów zawierają inne - nie tak powszechne - sekwencje, które odgrywają znaczącą rolę w poszczególnych tkankach zaopatrzonych w białka rozpoznające owe sekwencje.
<BR>
<BR>
<BR>
<BR>
<BR>
<BR>Enhancery i silencery
<BR>Enhancery to sekwencje wzmacniające aktywność promotorów. Położone mogą być nawet w znacznej odległości od genu i zachowują zdolność regulacyjną także po eksperymentalnej zmianie orientacji o 180 względem genu. Do enhancerów wiążą się czynniki transkrypcyjne określane jako aktywatory, które oddziaływują z polimerazą II RNA i TF-ami promotorowymi. Możliwość oddziaływań enhancer : promotor mimo odległości pomiędzy nimi wynoszącej niekiedy kilka tys. p.z. istnieje dzięki dużej elastyczności nici DNA. Owa elastyczność objawia się zdolnością DNA do dowolnego wyginania się.
<BR>Interakcje enhancer : promotor
<BR>Enhancery - rozumiane jako sekwencje -obecne są w każdej komórce ( pamiętamy, że DNA we wszystkich komórkach organizmu jest identyczny ), natomiast tylko w niektórych wykazują aktywność wzmacniającą. Jest to znaczący fakt w regulacji ekspresji informacji genetycznej, a bierze się on z różnic w składzie białek komórkowych poszczególnych tkanek. A zatem istnieją enhancery tkankowo -specyficzne wzmagające transkrypcję tylko tam, gdzie obecne są białka wiążące się w ich obrębie. Enhancery mają także istotne znaczenie w regulacji transkrypcji przez hormony steroidowe.
<BR>Silencery - ( ang. silence - cisza ), sekwencje służące wyciszeniu aktywności promotora; podobnie jak enhancery mogą być w różnym stopniu oddalone od genu w obu kierunkach, a także występować w jego wnętrzu.
<BR>Ciekawą sytuację można zaobserwować w regulacji transkrypcji genów immunoglobulin ( białek syntetyzowanych jedynie w limfocytach B ). W tym przypadku silencer wbudowany jest w obrębie enhancera, a jego znaczenie uwidocznia się w komórkach innych niż limfocyty B. Jest to swoiste zabezpieczenie przed ekspresją genów immunoglobulin związane z inaktywacją enhancera.
<BR>Związki sterujące transkrypcją
<BR>Regulacja każdego procesu może odbywać się na dwa sposoby: pozytywny bądź negatywny.
<BR>Ponieważ w przypadku transkrypcji eukariotycznej lepiej poznano regulację pozytywną najwięcej uwagi zostanie poświęcone aktywatorom, czyli związkom umożliwiającym polimerazie II RNA rozpoczęcie syntezy nici pre-mRNA .
<BR>A- Czynniki transkrypcyjne wiążące się z promotorem.
<BR>Eukariotyczna polimeraza II RNA sama w sobie nie jest zdolna do przyłączenia się do DNA, a co za tym idzie do rozpoczęcia transkrypcji. Zanim enzym zostanie związany w rejonie startu transkrypcji, do promotora przyłączają się kolejno białka zaliczane do grupy TFII ( II stąd, że współpracują z polimerazą II ). Kolejność przyłączania się TF-ów i polimerazy do promotora jest ściśle określona.
<BR>Tworzenie kompleksu preinicjacyjnego
<BR>Jako pierwszy do DNA wiąże się TFIID. Jest to kompleks, w którego skład wchodzi TBP oraz czynniki towarzyszące TBP tzw. TAF ( TBP associated factors ). TBP to białko wchodzące w bezpośrednią interakcję z DNA w obrębie TATA box. Ma ona postać siodła nasadzającego się na nić kwasu nukleinowego w taki sposób, że jego krańcowe fragmenty wciskają się między pary zasad w DNA. Wnikanie pomiędzy zasady nici komplementarnych powoduje lekkie ( pierwotne ) rozplecenie helisy, konieczne w procesach takich jak omawiana tu transkrypcja, czy też replikacja.
<BR>W dalszej kolejności przyłączeniu do promotora ulega TFIIB i polimeraza II RNA ( w kompleksie z TFIIF ). TFIIF nie kontaktuje się z DNA podobnie jak TFIIE przyłączający się do powstałego kompleksu białkowego jako ostatni.
<BR>Czynniki budujące wraz z polimerazą II RNA kompleks inicjacyjny.
<BR>Nazwa czynnika Funkcje
<BR>TFIID - TBP Przyłączanie się do TATA box ( rozluźnianie helisy DNA )
<BR>Umożliwianie TFIIB przyłączania się do DNA
<BR>Regulacyjne ( aktywacja, represja )
<BR>TFIIB Umożliwianie łączenia się kompleksu polimerazy i TFIIF z DNA
<BR>TFIIF Kierowanie polimerazy II RNA do promotora
<BR>TFIIE Stymulacja aktywności TFIIH
<BR>TFIIH Rozplatanie helisy DNA (aktywność helikazy )
<BR>Dostarczanie energii niezbędnej do zajścia reakcji ( hydroliza ATP )
<BR>Fosforylacja polimerazy ( modyfikacja aktywująca enzym )
<BR>Omówiony powyżej kompleks nosi nazwę podstawowego aparatu transkrypcyjnego i mimo tego, iż jest zdolny do przeprowadzenia transkrypcji robi to w znikomym i niewystarczającym do wyraźnej ekspresji genu stopniu. Do promotora (oprócz wymienionych TF-ów ) przyłączają się również białka takie jak, wspomniane wcześniej ssacze Sp1, NF1 oraz szereg innych.
<BR>Przykładem białek tkankowo - specyficznych są tzw. OTF2A i OTF2B, które obecne jedynie w limfocytach B - przyłączając się do promotora - umożliwiają ekspresję genów immunoglobulin.
<BR>B- Czynniki wiążące się z sekwencjami spoza promotora
<BR>Dla transkrypcji, której efektem byłaby intensywna synteza RNA ( warunek wyrażenia genu ) niezbędna jest obecność związków wzmagających transkrypcję podstawową. Są to aktywatory transkrypcji łączące się z DNA w rejonach enhancerowych.
<BR>Kierunki oddziaływań aktywatorów transkrypcji
<BR>Jak widać, aktywatory mogą wpływać bezpośrednio na białka aparatu podstawowego, bądź też za pośrednictwem koaktywatorów. Związki aktywujące mogą mieć różny charakter: białkowy ( w przeważającej części ), lub też steroidowy.
<BR>Czynniki białkowe stale obecne w danej tkance są dla niej charakterystyczne i swoje funkcje w połączeniu z enhancerem mogą spełniać tylko w niej.
<BR>Czynniki steroidowe, a konkretnie hormony takie jak np.glukokortykoidy pojawiają się w odpowiedzi na bodźce środowiskowe i są transportowane z miejsc syntezy do komórek docelowych. Hormon, który dociera do komórki przeznaczenia wiąże się z receptore m ( nie wszystkie komórki mają receptory na produkowane przez organizm hormony ) i tak powstały układ - hormon : receptor - przyłącza się do enhancera regulując w ten sposób transkrypcję.
<BR>
<BR>Aktywowanie transkrypcji przez układ hormon : receptor
<BR>
<BR>Podsumowując:
<BR>1. Inicjacja transkrypcji jest momentem najbardziej precyzyjnej kontroli ekspresji genu.
<BR>2. Transkrypcja może zachodzić na różnych poziomach:
<BR> podstawowym ( niskim ),
<BR> aktywowanym ( intensywnym ) w zależności od składu czynników transkrypcyjnych w danej tkance.
<BR>3. Regulacja transkrypcji zależna jest do czynników:
<BR> wewnętrznych (struktura chromatyny w rejonie występowania określonego genu, obecność kompletu TF-ów);
<BR> zewnętrznych - odpowiedź sprowokowana bodźcami ze środowiska np. hormonalna.
<BR>Synteza nici pre-mRNA.
<BR>Po spełnieniu wszystkich warunków koniecznych do rozpoczęcia reakcji przez polimerazę II RNA, następuje synteza łańcucha pre-mRNA ( czyli prekursora mRNA) w kierunku od 5' do 3' końca. Trankrypcja jednego fragmentu katalizowana jest przez jedną cząsteczkę enzymu.
<BR>Budowa polimerazy II RNA
<BR>Eukariotyczne polimerazy II RNA składają się z 8 - 12 podjednostek ( tzn. różnych polipeptydów ), są więc enzymami wysoce złożonymi. Wspólną ich cechą jest obecność podjednostek RPB1, 2, 5, 6, 8, z których pierwsze dwie są dużymi białkami o masach cząsteczkowych odpowiednio 220 i 140 kDa. Na C-końcu ( końcu karboksylowym białka ) podjednostki RPB 1 występuje w zmiennej ( w zależności od organizmu ) liczbie powtórzeń sekwencja 7-aminokwasowa, która okazuje się być niezbędna do działania enzymu. Jak do tej pory nie określono funkcji poszczególnych podjednostek enzymu eukariotycznego w odróżnieniu od enzymu prokariotycznego, w którym zdefiniowano rolę każdej z podjednostek.
<BR>Polimeraza II RNA zlokalizowana jest w nukleoplazmie i oprócz syntezy mRNA przeprowadza tam również syntezę snRNA ( ang. small nuclear RNA ) tj. cząsteczek, o których mowa będzie przy okazji splicingu.
<BR>Jak działa polimeraza II RNA?
<BR>Jak wiadomo zadaniem polimerazy II RNA jest przepisywanie informacji zawartej w genie ( DNA ) na język RNA. Informacja ta ( dotycząca struktury białek ) zapisana jest tylko w jednej nici DNA, w tzw. nici kodującej. Druga nić - komplementarna - nie niesie informacji o białku, a stanowi matrycę dla polimerazy, która syntetyzuje pre-mRNA na zasadzie komplementarności. Zasada ta polega na wbudowywaniu do powstającej nici informacyjnego RNA nukleotydu adeninowego (A) jeśli w odczytywanym miejscu na matrycy obecny jest nukleotyd tyminowy (T), guaninowego (G) jeśli na matrycy jest cytozynowy (C) itd.
<BR>Nukleotyd na matrycy Nukleotyd włączany do pre-mRNA (zobacz i porównaj: mRNA)
<BR>A U
<BR>T A
<BR>G C
<BR>C G
<BR>A zatem transkrypt jest komplementarny do nici matrycowej i homologiczny z nicią kodującą.
<BR>Należy jednak pamiętać, że jakkolwiek homologami G, C i A w pre-mRNA są rybonukleotydy niosące te same zasady azotowe, to homologiem T jest rybonukleotyd zawierający uracyl (U) a nie tyminę.
<BR>Porównanie sekwencji pre-mRNA z sekwencjami nici kodującej i matrycowej genu.
<BR>( kolorem czerwonym oznaczono nić kodującą, a zielonym nić matrycową )
<BR>5'- A A T C G G C A T G C C A T G G C C T T G C G C T A - 3' Gen - nić kodująca
<BR>3'- T T A G C C G T A C G G T A C C G G A A C G C G A T - 5' - nić matrycowa
<BR>5'- A A U C G G C A U G C C A U G G C C U U G C G C U A - 3' pre-mRNA
<BR> Zgodnie z tym co zostało powiedziane, enzym syntetyzujący pre-mRNA sunąc po DNA dobiera odpowiednie rybonukleotydy i przyłącza je kolejno w kierunku 5'- 3'( tzn. do wolnej grupy 3'OH pierwszego nukleotydu przyłączona zostaje 5' grupa fosforanowa kol ejnego nukleotydu ). Kierunek ten obowiązuje w każdej reakcji polimeryzacji
<BR> kwasów nukleinowych i wynika z mechanizmu tworzenia wiązań między sąsiadującymi ze sobą nukleotydami - wiązań fosfodiestrowych.
<BR> Polimeraza RNA jest enzymem wprowadzającym więcej pomyłek od polimerazy DNA ponieważ nie wykazuje właściwości korekcyjnych, stąd przepisanie informacji z DNA na RNA nie jest tak wierne jak z DNA na DNA w procesie replikacji. Brak systemów korekcyjnych w transkrypcji nie niesie ze sobą dla komórki poważnych
<BR>konsekwencji, gdyż nieprawidłowa cząsteczka mRNA jest jedną wśród wielu prawidłowych.
<BR>Synteza łańcucha pre-mRNA zaczyna się zwykle od związania przez enzym nukleotydu guaninowego lub adeninowego, do których przyłączane są kolejne ,, cegiełki''.
<BR> Bardzo charakterystycznym dla eukariontów zjawiskiem jest tworzenie w pierwotnym transkrypcie struktury czapeczki ( ang. cap ) wpływającej na podniesienie stabilności pre-mRNA. Proces ten zachodzi równolegle z transkrypcją i jest jednym z etapów obróbki pre-mRNA (inne rodzaje obróbki zachodzą po zsyntetyzowaniu całej nici pierwotnego mRNA i zostaną omówione osobno ). Transkrypt uposażony w czapeczkę jest mniej wrażliwy na działanie nukleaz i fosfataz tj. enzymów odpowiedzialnych
<BR> za degradację kwasu nukleinowego. Rozpoznanie cap jest także istotne w inicjacji translacji.
<BR>
<BR>Mechanizm tworzenia czapeczki obejmuje 3 zasadnicze etapy:
<BR> 1. modyfikację trifosforanu 5' końca przez uwolnienie jednej z reszt fosforanowych na drodze hydrolizy;
<BR>2. przyłączenie GTP wiązaniem 5'-5'-trifosforanowym;
<BR>3. metylacja guaniny w pozycji N7 tj. przyłączenie reszty metylowej (-CH3 ) do atomu azotu 7-go w cząsteczce guaniny.
<BR> Metylacja reszt cukrowcowych (rybozy) kolejnych nukleotydów może wygenerować kolejne czapeczki (1, 2).
<BR>
<BR>Wydłużanie łańcucha pre-mRNA kończy się w miejscach terminacji, które dosyć dokładnie poznane są u Procaryota, natomiast nadal słabo scharakteryzowane u organizmów wyższych.
<BR>Podsumowanie:
<BR>1. Transkrypcją rządzi zasada komplementarności.
<BR>2. Wydłużanie nici pre-mRNA zachodzi w kierunku 5'  3'.
<BR>3. Równolegle z elongacją pierwotnego transkryptu zachodzi modyfikacja jego 5' końca tj. tworzenie struktury czapeczki.
<BR>4. Produktem reakcji katalizowanej przez polimerazę II RNA jest pre-mRNA tzn. cząsteczka zawierająca introny.
<BR>
<BR>OBRÓBKA PRE-mRNA
<BR>I tak oto osiągnęliśmy etap pierwotnego transkryptu, który aby stać się matrycą w syntezie białka , musi ulec zasadniczym modyfikacjom. Polegają one na wycięciu intronów oraz ( co jest charakterystyczne dla większości pre-mRNA ) dodaniu na 3' końcu długiego fragmentu tzw. poli A.
<BR>Poliadenylacja
<BR>Znakomita większość produktów reakcji katalizowanej przez polimerazę II RNA zawiera na swoim 3' końcu tzw. ogon poli A, tj. ciąg liczący od 100 do 250 połączonych ze sobą nukleotydów adeninowych. Nie znaczy to jednak, że w większości genów znajduje się obszar bogaty w pary AT. Fragment poli A nie jest efektem transkrypcji a posttranskrypcyjnej modyfikacji, w której udział bierze enzym zwany polimerazą poli A.
<BR>Polimeraza poli A dodaje na 3' końcu pierwotnego transkryptu kolejne nukleotydy adeninowe dopiero po zadziałaniu specyficznej nukleazy tj. enzymu tnącego kwas nukleinowy w obrębie jego cząsteczki. Okazuje się bowiem, że ogon poli A nie jest dołączany do ostatniego nukleotydu wbudowanego na drodze transkrypcji, a do tego, który stał się ostatnim po rozcięciu nici pre-mRNA. Miejsce atakowane przez nukleazę nie jest dowolne, wyznacza je sekwencja: AAUAAA położona w różnej odległości od przeznaczonego miejsca działania enzymu.
<BR>Mechanizm poliadenylacji pre-mRNA.
<BR>I tak na przykład u ssaków cięcie następuje w odległości 10 - 30 nukleotydów za sekwencją AAUAAA.
<BR>
<BR>Istnieją geny zawierające więcej niż jeden sygnał poliadenylacji ( tj. wspomnianą sekwencję ). Oznacza to, że na ich matrycy powstanie kilka pierwotnych transkryptów różniących się długością , a co za tym idzie kilka różnych mRNA. Przykładem alternatywnej poliadenylacji może być modyfikacja pierwotnego transkryptu szczurzego genu kodującego kalcytoninę.
<BR>Gen ten zawiera dwa miejsca poliadenylacji, z których pierwsze preferowane jest w komórkach tarczycy a drugie w mózgu.
<BR>Ogon poli A podobnie jak struktura czapeczki chroni cząsteczkę pierwotnego transkryptu przed działaniem nukleaz. Może on mieć również znaczenie w translacji, okazuje się bowiem, że transkrypt pozbawiony ogona poli A jest mniej wydajną matrycą przy sy ntezie białka.
<BR>
<BR>
<BR>
<BR>
<BR>Wycinanie intronów
<BR>Zanim powstanie ostateczny, dojrzały mRNA mogący ulec translacji, pre-mRNA musi zostać pozbawiony intronów. Proces wycinania tych niekodujących "wtrętów" zwany jest splicingiem i wykorzystuje jeden wspólny dla eliminacji wszystkich intronów aparat enzymatyczny.
<BR>Oznacza to, że introny muszą mieć jakieś wspólne elementy rozpoznawane przez wspomniany aparat splicingowy. Z porównywania sekwencji różnych intronów wynika, że łączą je następujące podobieństwa:
<BR> na 5' końcu zawierają zawsze kolejno: resztę guaninową i uracylową (5'- GU)
<BR> na ich 3' końcu występuje reszta guaninowa poprzedzona resztą adeninową (AG - 3')
<BR> wewnątrz zawierają tzw. miejsce rozgałęzienia, w którym kluczową dla splicingu rolę odgrywa nukleotyd adeninowy.
<BR>
<BR>Sygnały splicingowe
<BR>
<BR>Mechanizm splicingu
<BR>Wycinanie intronów, jak każdy proces przeprowadzany przez organizm żywy, jest skomplikowane. Wyróżnić w nim można kilka etapów:
<BR>1. Rozcięcie cząsteczki pre-mRNA w miejscu splicingowym 5' (tj. na 5' końcu intronu).W wyniku tej reakcji następuje uwolnienie 5' końca fosforanowego egzonu 1.
<BR>2. Atak grupy 2'-OH nukleotydu adeninowego ( z miejsca rozgałęzienia ) na 5' grupę fosforanową nukleotydu guaninowego intronu. Jak wiadomo wiązania między kolejnymi nukleotydami to wiązania fosfodiestrowe tworzone między tzw. 5' grupą fosforanową a grupą hydroksylową ( -OH ) rybozy. Zwykle do wiązania tego angażowana jest grupa 3'-OH, niemniej jednak inne reszty hydroksylowe m.in. 2' posiadają zdolność do interakcji z resztą fosforanową. I tak nukleotyd adeninowy ( z miejsca rozgałęzienia ) mając grup ę 3'-OH wykorzystaną w "normalnym" wiązaniu fosfodiestrowym do interakcji z resztą fosforanową 5' intronu angażuje grupę 2'-OH. Tworzy się tu wiązanie 2'-5' fosfodiestrowe.
<BR>3. Atak uwolnionej grupy 3'-OH egzonu 1 na 5' grupę fosforanową egzonu 2 z uwolnieniem intronu mającego postać lassa.
<BR>Spliceosom
<BR>Opisane powyżej reakcje nie zachodzą samoistnie. Są one katalizowane przez kompleks przyłączających się kolejno cząstek tworzących spliceosom. W skład aparatu splicingowego wchodzi pięć rodzajów snRNP ( snRNA + białka ): U1, U2, U4, U5 i U6, z których każdy pełni odrębną, istotną funkcję:
<BR>U1- łączy się z miejscem splicingowym 5'i 3' na zasadzie komplementarności, zawiera on bowiem w swej rybonukleinowej komponencie sekwencję komplementarną do styków egzon - intron ;
<BR>U2- wiąże miejsce rozgałęzienia;
<BR>U6- katalizuje splicing, występuje w kompleksie z U4 i U5.
<BR> Produktem splicingu jest dojrzały mRNA niosący same istotne informacje dotyczące budowy białka ( poza fragmentami skrajnymi, których głównym zadaniem jest stabilizacja transkryptu ). Okazuje się jednak, że na matrycy jednego genu może powstać kil ka różnych mRNA, co poza alternatywną poliadenylacją powodowane jest tzw. alternatywnym splicingiem. Polega on na łączeniu ze sobą różnych egzonów tzn. niekoniecznie wszystkich występujących w pre-mRNA.
<BR>5'NT i 3'NT - obszary nie ulegają translacji.
<BR>Nie wiadomo jeszcze dokładnie, dlaczego w różnych tkankach wybierane są odmienne wzory łączenia egzonów. Być może maszyneria obsługująca proces wycinania intronów nie jest identyczna we wszystkich rodzajach komórek tzn. występują pewne subtelne, ale znaczące różnice między spliceosomami poszczególnych tkanek. Możliwe jest także, że podstawowy aparat splicingowy jest uniwersalny, a różne tkanki zawierają dla siebie charakterystyczne czynniki ( białkowe lub RN-owe ) łączące się z pre-mRNA, czego konse kwencją może być ułatwienie bądź utrudnienie działania spliceosomów w różnych miejscach w obrębie pierwotnego transkryptu.
<BR>Podsumowując:
<BR>1. Pre-mRNA zanim stanie się pełnowartościową matrycą do syntezy białka musi przejść przez proces dojrzewania.
<BR>2. Dojrzewanie obejmuje 3 zasadnicze modyfikacje:
<BR> capping ( dodawanie czapeczki )
<BR> poliadenylację podnoszącą stabilność transkryptu;
<BR> splicing, w którym eliminowane są wewnętrzne niekodujące rejony informacyjnego RNA.
<BR>3. Alternatywny splicing i poliadenylacja mogą generować różne produkty ( mRNA ) wykrywane w różnych tkankach, co znaczy, że jeden gen może kodować więcej niż jedno białko.
<BR>4. Dojrzewanie pre-mRNA jest warunkiem eksportu transkryptu z jądra.
<BR>5. Dojrzały mRNA wiąże się z białkami mającymi wpływ na jego stabilność, transport i translację.
<BR>
<BR>TRANSLACJA
<BR>Translacja - proces, w którym następuje odczyt informacji genetycznejz mRNA i synteza białka. Biorą w nim udział oprócz matrycy ( mRNA ) i aminokwasów także cząsteczki tRNA ( dostarczające aminokwasów ), rybosomy oraz szereg czynników wspomagających.
<BR>Przetransportowany do cytoplazmy mRNA może ulec translacji, bądź też zostać szybko zdegradowany, jeśli białko jakie jest przezeń zakodowane występuje w komórce w dostatecznej ilości. I tak na przykład mRNA dla histonów jest bardzo stabilne w fazie S cyklu komórkowego, tj.
<BR>w tym momencie, kiedy obserwuje się najwyższe zapotrzebowanie na histony. Zatem w fazie S następuje translacja mRNA histonowego. W innych fazach cyklu komórkowego stabilność tych transkryptów jest ok. 5-krotnie niższa, co oznacza, że ulegają one degradacji.
<BR>Wniosek z tego, że synteza białka zachodzi w zależności od potrzeb komórki, a zatem regulacja ekspresji informacji genetycznej odbywa się także na etapie poprzedzającym translację.
<BR>Rybosomy
<BR>Miejscem syntezy białka są organella komórkowe zwane rybosomami. Występują one oprócz cytoplazmy także w mitochondriach i chloroplastach, ale te rodzaje rybosomów nie będą tematem naszych rozważań. Rybosomy w cytoplazmie mogą występować w formie wolnej lub związanej z retikulum endoplazmatycznym. Pierwsze z nich uczestniczą w translacji białek cytosolowych, a drugie białek eksportowanych do wnętrza retikulum oraz na zewnątrz komórki. Obydwa rodzaje rybosomów zbudowane są z dwóch podjednostek:
<BR> małej, której stała sedymentacji wynosi 40S;
<BR> dużej o współczynniku sedymentacji równym 60S.
<BR>Składają się one z rybosomalnego RNA ( 18S rRNA małej podjednostki; 5, 5.8, 26 ( 28S rRNA dużej podjednostki ) oraz kilkudziesięciu białek, których skład różni się między obydwiema "częściami" rybosomu. W obrębie rybosomu wyróżnia się trzy istotne miejsca zwane E ( exit - tędy wychodzi "zużyty" tRNA ), A ( aminokwasowe ), P ( peptydowe ), o których będzie mowa w dalszych częściach tego rozdziału.
<BR>Przebieg translacji
<BR>Translacja mRNA zachodzi w kierunku 5'R 3', zatem pierwszy aminokwas syntetyzowanego polipeptydu zakodowany jest przez kodon ( patrz Kod genetyczny ) leżący bliżej 5' końca transkryptu. Natomiast najwcześniej wbudowanymi aminokwasami powstającego białka są te, które stanowią jego N - terminalną część. Wynika to z mechanizmu tworzenia wiązań peptydowych między sasiadujacymi aminokwasami ( patrz "Chemiczne podstawy biologii molekularnej" ).
<BR>Translację podzielić można na trzy zasadnicze etapy:
<BR> inicjację,
<BR> elongację,
<BR> terminację.
<BR>
<BR>Inicjacja
<BR>Pierwszym etapem syntezy białka jest przyłączenie mRNA do mniejszej podjednostki rybosomu ( 40S ) w obecności inicjatorowego tRNA i szeregu czynników inicjujących.
<BR>U eukariontów pierwszym kodonem ulegającym translacji jest kodon AUG ( tzw. kodon start ), kodujący metioninę.
<BR>Ponieważ w mRNA trójek takich może być bardzo wiele, miejsce początku translacji wyznacza ten kodon, który położony jest najbliżej 5' końca. W poszukiwaniu pierwszego tj. inicjacyjnego kodonu metioninowego biorą udział czynniki zwane eIF3 i eIF4, z których pierwszy przyłącza do struktury czapeczki kompleks białkowy ( tzw. CBP ) oraz odszukuje AUG, natomiast drugi - eIF4 dostarcza energii do poszukiwań. Zanim jednak rybosom ze związanym białkiem eIF3 zacznie kroczyć po mRNA w poszukiwaniu AUG, do podjednostki 40S związany zostaje inicjatorowy aminoacylo tRNA tj. tRNA niosący cząsteczkę aminokwasu - tu metioniny. Gdy przesuwająca się po mRNA podjednostka 40S ze związanym Met-tRNA natrafi na kodon "start" następuje przyłączenie większej podjednostki rybosomu ( 60S ).
<BR>
<BR>Przkłady eukariotycznych czynników inicjacyjnych
<BR>Nazwa czynnika Funkcje
<BR>eIF2 Przyłączenie do podjednostki 40S inicjacyjnego aminoacylo tRNA
<BR>eIF3 Udział w przyłączaniu do 5' końca mRNA białek CBP
<BR>Odszukiwanie kodonu inicjacyjnego
<BR>Uniemożliwianie asocjacji podjednostek rybosomowych pod nieobecność innych czynników inicjacyjnych
<BR>eIF4 Dostarczanie energii niezbędnej w działaniu eIF3 z hydrolizy ATP
<BR>eIF5 Indukcja uwolnienia eIF2 i eIF3 kosztem energii z hydrolizy GTP ( związanego z eIF2 )
<BR>Inicjacja translacji stanowi kolejny punkt kontrolny w ekspresji informacji genetycznej. Regulacja ekspresji na tym etapie odbywa się za pośrednictwem czynnika eIF2, który zdolny jest do inicjowania translacji tylko wtedy, gdy posiada przyłączoną cząsteczkę GTP. W nieaktywnym eIF2 przyłączony jest GDP, który może być wymieniony na GTP za pośrednictwem białka GEF, w wyniku reakcji:
<BR>Reakcja ta jednak może być zaburzona wskutek fosforylacji eIF2 nieaktywnego, w którym niemożliwa jest wymiana nukleotydu guanylowego ( GDP/GTP ). Innymi słowy, fosforylacja skazuje białko eIF2 na brak aktywności.
<BR>
<BR>
<BR>Elongacja łańcucha polipeptydowego
<BR>Po złożeniu rybosomu, tj. przyłączeniu podjednostki 60S do powstałego układu, przez odpowiednie tRNA dostarczane są kolejne aminokwasy. Rybosom przesuwa się stopniowo wzdłuż nici mRNA, do której na zasadzie komplementarności dopasowują się cząsteczki aminoacylo tRNA. Dopasowanie to dotyczy obszaru antykodonu tj. trójki nukleotydów (z tRNA) "pasujących" do kodonu z mRNA. I tak z kodonem CAC oddziaływać będzie tRNA zawierający antykodon GUG i niosący histydynę.
<BR>Do kolejnego aminokwasu dostarczonego w miejsce A rybosomu przez aminoacylo tRNA przyłącza się za pośrednictwem grupy karboksylowej wcześniej odczytany aminokwas występujący w danym momencie - jeszcze w postaci związanej z tRNA - w miejscu P rybosomu. Tzn. jeśli pierwszym kodonem jest AUG, drugim CAC, a trzecim UUU będziemy mieli do czynienia z następującymi zmianami na terenie rybosomu:
<BR>1. Do dostarczonej jako drugiej w kolejności histydyny przyłącza się inicjacyjna metionina. Na tRNA histydynowym ( w miejscu A ) tworzy się dipeptyd Met-His i przesuwa się w miejsce P.
<BR>2. Do przyłączonej jako trzeciej fenyloalaniny grupą karboksylową przyłączy się dipeptyd Met-His i powstanie trójpeptyd Met-His-Phe, przemieszczany jak poprzednio w miejsce P.
<BR>
<BR>Ogólny schemat translacji :
<BR>
<BR>Teoria adaptorowa dotycząca rozpoznawania kodonów .
<BR>Tak więc, wydłużanie się łańcucha polipeptydowego polega na przyłączaniu kolejnych aminokwasów na jego C-końcu. Elongację łańcucha polipeptydowego umożliwiają tzw. czynniki elongacyjne m.in. eEF1( i eEF1( odpowiedzialne za dostarczanie aminoacylo tRNA, oraz eEF2 odpowiedzalny za translokację tj. przeniesienie z m-ca A na m-ce P odbywającą się kosztem energii z GTP.
<BR>Terminacja
<BR>Translacja kończona jest w miejscu, w którym wystąpi jeden spośród trzech kodonów terminacyjnych tzw. kodonów "stop" ( UAG, UGA, UAA ). Wymienione trójki nukleotydowe rozpoznawane są w odróżnieniu do całej reszty nie przez amino-acylo tRNA, a przez tzw. czynnik uwalniający eRF. Czynnik ten aktywuje enzym rozcinający wiązanie między polipeptydem a cząsteczką tRNA, która dostarczyła ostatniego aminokwasu, czego skutkiem jest uwolnienie łańcucha polipeptydowego. Zdarzenie to jest uwieńczeniem szeregu procesów, jakie obejmuje ekspresja informacji genetycznej.
<BR>
<BR>Podsumowując:
<BR>4. Translacja zachodzi w rybosomach - strukturach rybonukleoproteinowych (RNA : białko );
<BR>2. Sygnałem początku syntezy białka jest kodon AUG, natomiast końca syntezy jeden z kodonów stop - UAA, UAG, UGA;
<BR>5. Synteza białka wspomagana jest przez czynniki białkowe tzw. : inicjacyjne, elongacyjne i terminacyjne;
<BR>6. Translacja jest procesem energochłonnym, czerpiącym energię z hydrolizy GTP i ATP.
<BR>
<BR>Materiały:
<BR> "Biologia" Ville;
<BR> "Genetyka" Waldemar Lewiński;
<BR> "Encyklopedia Przyrody" Optimus;
<BR> Zasoby polskiego internetu.
<BR>Koper
<BR> kl. IVe 13-11-1999r.
<BR>