Biologie

E-learning jako vzdělávací nástroj školy 3. tisíciletí

  • Full Screen
  • Wide Screen
  • Narrow Screen
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Regulace exprese genů

Email Tisk PDF

Pochody, ke kterým patří u strutkurních genů eukaryot transkripce, posttranskripční úpravy, translace a posttranslační úpravy představují různé úrovně exprese genů. U bakterií, a částečně také u archeí, neprobíhají postranskripční úpravy strukturních genů. Výsledkem těchto pochodů jsou enzymy katalyzující chemické reakce v buňce, nadmolekulární struktury v buňce, buněčné organely ad. Ve všech pochodech vystupují proteiny jako hlavní faktory, dokonce i v těch strukturách buňky, které kromě proteinů obsahují též jiné látky, např. fosfolipidy v buněčných membránách či polysacharidy v buněčných stěnách.

Regulace množství proteinů a regulace mechanismů pro jejich syntézu probíhají v buňkách několika způsoby, z nichž jsou v následující části kapitoly popsány dva:

  • regulace aktivity operonových transkripčních jednotek - typická pro bakterie a archea;
  • regulace aktivity transkripčních faktorů prostřednictvím signálních drah - typická pro eukarya.

Regulace aktivity operonových transkripčních jednotek

  • Enzymová indukce - regulace syntézy proteinů je nejlépe prostudovaná u proteinů s enzymovou funkcí. Týká se však i ostatních proteinů. Enzýmová indukce je syntéza enzymů vyvolaná induktorem, při níž se tvoří indukovatelné enzymy. Od těchto enzymů je třeba odlišovat konstitutivní enzymy, jejichž syntéza nezávisí na přítomnosti induktoru a tvoří se v buňce v konstantním množství. Induktor je specifický substrát (látka, molekula), který vyvolává syntézu příslušného indukovatelného enzymu. Klasickým příkladem indukovatelného enzymu je ß-galaktosidáza Escherichia coli. Podnětem pro indukci tohoto enzymu je laktóza, která je v buňce přeměněna na alolaktózu. Ta je pak bezprostředním induktorem syntézy ß-galaktosidázy. Vedle tohoto enzymu se v buňce indukují alolaktózou i další enzymy, tzv. laktózového operonu - ß-galaktosidpermeáza a ß-galaktosidacetyltransferáza.
  • Enzymová represe - tento typ regulace se týká obvykle enzymů biosyntetických drah. Spočívá v tom, že syntéza těchto enzymů je potlačována specifickým metabolitem dané biosyntetické dráhy, obvykle konečným produktem, který když se nahromadí v buňce v kritickém množství, zastavuje syntézu všech enzymů této dráhy. Příkladem tohoto způsobu regulace je syntéza AK tryptofanu v buňkách Escherichia coli. Jestliže se AK tryptofan nahromadí v buňkách do kritického množství, zastaví se tvorba enzymů  (kódovaných tryptofanovým operonem), které katalyzují jeho syntézu; obnoví se, klesne-li hladina v buňkách pod kritické množství. Metabolit zastavující syntézu enzymů se označuje jako korepresor.
Negativní regulace operonu je podstatou enzymové indukce a represe. Spočívá v tom, že vazbou aktivního represoru na operátor se transkripce operonu zastaví a jeho uvolněním z operátoru se opět navozuje. Represor je kódován strukturním genem, který se označuje jako regulační. Jestliže se represor spojí s operátorem, zastaví se transkripce všech strutkurních genů daného operonu. Zastavuje se proto, že represor vázaný na operátor brání vazbě RNA-polymerázy na promotor nebo zabraňuje jejímu pohybu od promotoru ke strukturním genům.
Represor reaguje snadno s příslušným induktorem nebo korepresorem. Při těchto reakcích dochází ke konformačním změnám represoru, tzv. alosterický efekt. Vazbou induktoru nabývá konformace, při níž je inaktivní (neváže se na operátor). Vazbou korepresoru naopak nabývá konformace, při níž je aktivní, a váže se na operátor. Protože se tyto vazby rychle tvoří a zase rychle rozpadají, může represor snadno přecházet podle fyziologické potřeby buňky z aktivního stavu do inaktivního a naopak.

Regulace aktivity transkripčních faktorů přes signální dráhy

Transkripční faktory přecházejí z aktivního stavu do inaktivního a naopak. Transkripce je zcela závislá na přítomnosti aktivovaných transkripčních faktorů. Transkripce příslušného genu se zapíná, jsou-li pohotové příslušné transkripční faktory. V opačném případě se vypíná. Jejich aktivace se uskutečňuje obvykle fosforylací katalyzovanou proteinkinázami. Signál k této aktivaci dává buď nějaká malá molekula nebo fyzikální faktor (např. UV světlo). Molekula ve funkci signálu se označuje jako signální molekula. Reaguje většinou s receptory v membráně buňky. Touto interakcí změní receptor svou konformaci, kterou je indukována enzymová aktivita uvnitř buňky a řada aktivačních dějů až po aktivaci proteinu (např. transkripčního faktoru) vedoucí k výsledné odpovědi buňky na signál. Spřažené nitrobuněčné pochody spuštěné vazbou extracelulární signální molekuly na receptor a převáděné na cílovou intracelulární molekulu, kterou se realizuje odpověď buňky, se označuje jako dráha přenosu signálu. Konečným dějem tohoto přenosu je odevzdání signálu na poslední cílovou (přijímací) molekulu ve funkci transkripčního faktoru, který se tak aktivuje k zapnutí transkripce jako konečné odpovědi na extracelulární signál.
Typickým příkladem této výše popsané regulace může být přenos signálu k dělení buňky, na němž se podílí tyto faktory:
  • růstové faktory jako signální molekuly;
  • receptory růstových faktorů;
  • přenašeči signálu (proteinkinázy, cAMP aj.)
  • transkripční faktory, které jsou v podstatě konečnými příjemci signálu, a které po jeho příjmu navozují proces transkripce genů kódujících proteiny potřebné k regulaci buněčného cyklu.
Pro větší názornost lze cestu přenosu signálu zahrnující výše uvedené faktory, takto:
  1. Nejdříve působí růstový faktor jako první typ proteinu, tzv. signální molekula, která se váže na svůj specifický receptor v povrchu buňky.
  2. Receptor, druhý typ proteinu, aktivuje vazbou růstového faktoru buď proteinkinázu, která je jeho součástí, nebo samostatnou proteinkinázu.
  3. Aktivní proteinkináza fosforyluje další proteinkinázy, a tak se rozběhne řetěz fosforylací, představující intracelulární přenos signálu.
  4. Transkripční faktory v jádře buňky, čtvrtý typ proteinů, se fosforylací aktivují k zahájení transkripce na daném promotoru.
  5. Vlastní transkripce produkuje pátý typ proteinů, které navozují přechod buňky z klidového stadia buněčného cyklu, případně diferenciaci buňky.
Celý výše popsaný proces se rozeběhne za předpokladu, že se na receptor navázal růstový faktor. V nepřítomnosti růstového fakotru se dělení buňky zastaví.

Opakovací otázky:

  1. Vysvětli pojem induktor. 
  2. Jaký je rozdíl mezi indukovatelnými a konstitutivními enzymy? 
  3. Jakou funkci zastává tzv. signální molekula? 

Navigace: 4. ročník Molekulární biologie buňky Regulace exprese genů