Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Egy vagy több nukleotid mutációjamegváltoztathatja a fehérje szerkezetét ésműködését• Mutáció: egy sejt genetikai anyagában létrejövő
hirtelen véletlenszerű változás, aminek hatására aza sejt és az abból származó összes sejt külsőmegjelenésben vagy viselkedésben a normáltípushoz képest eltér.
• pont mutáció esetén a kémiai változás a gén csakegy bázispárját érinti
• DNS templát szálán egy nukleotid cseréjeabnormális fehérje szintézisét eredményezheti
Vad típusú hemoglobin
Vad típusú hemoglobin DNS3ʹ
3ʹ
3ʹ5ʹ
5ʹ 3ʹ
3ʹ5ʹ
5ʹ5ʹ5ʹ3ʹ
mRNS
A AGC T T
A AGmRNS
Normál hemoglobinGlu
Sarló sejtes hemoglobinVal
AA
AUG
GT
T
Sarló sejtes hemoglobin
Mutáns hemoglobin DNSC
Pontmutáció hatása a hemoglobinban:
Kis szakaszt érintőmutációk típusai
• A génen belüli pont mutációkat két általános csoportraoszthatjuk:
– nukleotid-pár cserék/szubsztitúciók– Egy vagy több nukleotid-pár beékelése/inzerciója
vagy kiesése/deléciója
Mutagének• Spontán mutációk előfordulhatnak a DNS
replikációja, javítása alatt vagy rekombináció miatt• A mutagén olyan fizikai vagy kémiai hatás,
melynek kövtkeztében nő a mutánsok száma egypopulációban.
Szubsztitúciók• A nukleotid-pár szubsztitúció esetén a nukleotid párt
egy másik váltja fel• Silent - "csendes" mutáció az, amikor a kodon
változik, de ugyanazt az aminosavat jelenti továbbra is • Neutral - semleges hatású mutáció, mivel a mutáció
következtében egy aminosav egy másik, de hasonlótulajdonságú aminosavra változik
• Missense - megváltozott értelmű mutációkövetkeztében egy aminosavat jelentő kodon úgyváltozik meg, hogy az eredeti aminosavat helyettesíteniképtelen új aminosav beépülését eredményezi.
• Nonsense "értelmetlen"mutáció az, amikoraminosavat nem jelentő kodon keletkezik, azaz egykodon stop kodonra változik.
Vad típusDNS templát szál
mRNS5ʹ
5ʹ
Protein
Amino terminálisStop
Karboxil terminális
3ʹ3ʹ
3ʹ
5ʹ
Met Lys Phe Gly
G helyett A(a) nukleotid-pár szubsztitúció: silent (csendes)
StopMet Lys Phe Gly
C helyett U
A
A
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C C C
C
C
G G G GG
G
A
A A A AG GGU U U U U
5ʹ3ʹ
3ʹ5ʹA
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C C CG G G G
AA
A G A A A AG GGU U U U U
T
U 3ʹ5ʹ
Vad típusDNS templát szál
mRNS5ʹ
5ʹ
Protein
Amino terminálisStop
Karboxil terminális
3ʹ3ʹ
3ʹ
5ʹ
Met Lys Phe Gly
C helyett T
(a) nukleotid-pár szubsztitúció: missense
StopMet Lys Phe Ser
G helyett A
A
A
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C C C
C
C
G G G GG
G
A
A A A AG GGU U U U U
5ʹ3ʹ
3ʹ5ʹA
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C T CG
GGA
A G A A A AA GGU U U U U 3ʹ5ʹ
A C
C
G
Vad típusDNS templát szál
mRNS5ʹ
5ʹ
Protein
Amino terminálisStop
3ʹ3ʹ
3ʹ
5ʹ
Met Lys Phe Gly
T helyett A
(a) nukleotid-pár szubsztitúció: nonsense
Met
A
A
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C C C
C
C
G G G GG
G
A
A A A AG GGU U U U U
5ʹ3ʹ
3ʹ5ʹA
AA A A A
A ATT A T T T
T T TTC C CG
GGA
A G U A A AGGU U U U U 3ʹ5ʹ
C
C
GCGT
A helyett UG
Stop
Karboxil terminális
Inzerciók és deléciók
• Inzerciók és deléciók nukleotid párok hozzáadódásátvagy hiányát jelentik a gén szekvenciájában. Gyakrabban okozzák a fehérje hibáját, mint a szubsztitúciók.
• Hatásuk gyakran ún. frameshift mutációkereteltolódást okozó mutáció, ahol egy vagy többbázispár kiesés, beékelődés hatására a leolvasásikeret a kódoló szekvencián belül eltolódik, így a mutáció helye után a DNS teljesen más aminosavsorrendet határoz meg.
Vad típusDNS templát szál
mRNS5ʹ
5ʹ
Protein
Amino terminálisStop
Karboxil terminális
3ʹ3ʹ
3ʹ
5ʹ
Met Lys Phe Gly
A
A
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C C C
C
C
G G G GG
G
A
A A A AG GGU U U U U
(b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: a kereteltolódásazonnal nonsense mutációt okoz
Extra A
Extra U5ʹ3ʹ
5ʹ
3ʹ
3ʹ
5ʹ
Met
1 nukleotid-pár inzerciójaStop
A C A A GT T A TC T A C GT A T AT G T CT GG A T GA
A G U A U AU GAU G U U C
A TA
AG
DNS templát szál
mRNS5ʹ
5ʹ
Protein
Amino terminálisStop
Karboxil terminális
3ʹ3ʹ
3ʹ
5ʹ
Met Lys Phe Gly
A
A
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C C C
C
C
G G G GG
G
A
A A A AG GGU U U U U
(b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: kereteltolódáskiterjedt missense mutációt okoz
Vad típus
hiányzik
hiányzik
A
U
A A AT T TC C A T TC C GA AT T TG GA A ATCG G
A G A A GU U U C A AG G U 3ʹ
5ʹ3ʹ
3ʹ5ʹ
Met Lys Leu Ala
1 nukleotid-párdeléciója
5ʹ
DNS templát szál
mRNS5ʹ
5ʹ
Protein
Amino terminálisStop
Karboxil terminális
3ʹ3ʹ
3ʹ
5ʹ
Met Lys Phe Gly
A
A
A AA A A A
A ATT T T T T
T T TTC C C C
C
C
G G G GG
G
A
A A A AG GGU U U U U
(b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: nincs kereteltolódás,de egy aminosav többlet vagy hiány van
Vad típus
AT C A A A A T TC C GT T C hiányzik
hiányzik
Stop
5ʹ3ʹ
3ʹ5ʹ
3ʹ5ʹ
Met Phe Gly
3 nukleotid-párdeléciója
A GU C A AG GU U U U
T GA A AT T TT CG G
A A G
A prokarióta, archea és eukariótagénexpresszió összehasonlítása• A baktériumok és eukarióták az RNS
polimerázukban, az átírás befejezésében és a riboszómáikban különböznek; az archaea-k ezekben a tulajdonságokban inkább azeukariótákra hasonlítanak
• A baktériumok egyidejűleg tudnak egy géntátírni és transzlálni
• Eukariótákban az átírás és a transzláció a sejtmaghártya miatt térben elkülönül
• Archaea-kban az átirás és a transzláció gyakrankapcsolt
RNS polimeráz
DNSmRNS
Poliriboszóma
RNS polimeráz DNS
Poliriboszómapolipeptid(N terminális)
mRNS (5ʹ vég)
Riboszóma
0.25 µmátírás iránya
Kapcsoltgénátírás éstranszlációbaktériumokban
A génexpresszió szabályozása
• Az egysejtű pro- és eukarióták a környezetváltozásainak megfelelően folyamatosanváltoztatják a génexpressziójukatSoksejtű eukariótákban a génexpresszió szabályozza a fejlődés folyamatát és felelős az egyes sejttípusokkialakulásáért. Ezek zavara fejlődési rendellenességekhezvagy pl. teratómákhoz vezethet.
Teratóma: olyan daganat, melyben a test többféleszövetére jellemző strukrúraképződik
Génkifejeződési mintázat egy fejlődő légyembrióban
A baktériumok környezetük megváltozásáraa transzkripciójuk szabályozásávalreagálnak
• A természetes szelekció azokat a baktériumokatrészesítette előnyben, akik akkor állítottak előtermékeket, amikor a sejtnek arra szüksége volt.
• A sejt képes szabályozi a termék termelését egyvisszaható gátlással vagy az adott génszabályozásával
• A génexpresszió baktériumokban az operon modell szerint szabályozódik
PrekurzorVisszahatógátlás
Enzim 1
Enzim 2
Enzim 3
Tryptophan
(a) (b)Enzim aktivitásszabályozása
Az enzim termelésénekszabályozása
Génexpressziószabályozása
−
−
trpE gén
trpD gén
trpC gén
trpB gén
trpA gén
Operonok: az alapmodell
• Funkcionálisan rokon gének csoportját egyszerű“be-ki kapcsoló” segítségével lehetösszehangoltan szabályozni
• A szabályozó “kapcsoló” a DNS egy operátornaknevezett szakasza, mely leggyakrabban a promóter régióban található
• Az operon a DNS olyan szakasza, mely magábafoglalja az operátort, a promótert és az általukszabályozott géneket.
• Az operont a represszornak nevezett fehérjetudja kikapcsolni
• A represszor megakadályozza a gének átírásátúgy, hogy köt a operátorhoz, és gátolja az RNS polimerázt
• A represszor egy független ún. regulátor génterméke
• A represszor fehérje lehet aktív vagy inaktívállapotban attól függően, hogy más molekulákjelen vannak-e
• A korepresszor olyan molekula, melyegyüttműködik a represszorral az operon szabályozásában
Promóter
DNS
Regulátorgén
mRNS
trpR
5ʹ
3ʹ
Fehérje Inactívrepresszor
RNSpolimeráz
Promóter
trp operon
Az operon génjei
Operator
mRNS 5ʹ
Start kodon Stop kodon
trpE trpD trpC trpB trpA
E D C B A
Polipeptid alegységek,melyek a triptofán bioszintézisenzimjeit alkotják
(a) Triptofán hiányzik, represszor inaktív, operon bekapcsolva
(b) Triptofán jelen van, represszor aktív, operon off
DNS
mRNS
Fehérje
Triptofán(korepresszor)
Aktívrepresszor
Nemkészül
RNS
• Például az E. coli képes a triptofánaminosav bioszintézisére
• Alapállapotban a trp operon “ON” állapotban van, és a triptofánszintézis génjei átíródnak
• Ha a triptofán jelen van, köt a trprepresszorhoz, ami kikapcsolja a trpoperont
• A represszot csak a korepresszortriptofán jelenlétében aktív
(a) laktóz hiányzik, represszor aktív, operon “off”
(b) laktóz jelen van, represszor inaktív, operon “on”
Regulátorgén
PromóterOperator
DNS lacZlacI
lacI
DNS
mRNS5ʹ
3ʹ
NincsRNSképzés
RNSpolimeráz
AktívrepresszorProtein
lac operon
lacZ lacY lacADNS
mRNS5ʹ
3ʹ
Protein
mRNS 5ʹ
Inaktívrepresszor
RNS polimeráz
Allolaktóz(induktor)
β-Galaktozidáz Permeáz Transzacetiláz
• A lac (laktóz - tejcukor) operon egy indukálható operon és olyangéneket tartalmaz, melyek a laktózmetabolizmusához kellenek
• alapállapotban a lac represszoraktív és a lac operont kikapcsoltállapotban tartja
• Az induktornak nevezett molekulainaktiválja a represszort és a lac operont bekapcsolja
Promóter
DNS
CAP-kötőhely
lacZlacI
RNSpolimerázköt és a transzkripció fut
Operator
cAMPAktívCAP
InaktívCAP
Allolaktóz
Inaktív lacrepresszor
(a) laktóz jelen van, glükóz kevés van (cAMP-szint magas):nagy mennyiségű lac mRNS szintetizálódik
Promóter
DNS
CAP-kötőhely
lacZlacI
OperatorRNSpolimeráz kevésbétud kötődni
Inaktív lacrepresszor
InaktívCAP
(b) laktóz jelen van, glükóz jelen van (cAMP-szint alacsony):kevés lac mRNS szintetizálódik
Pozitív génexpresszió szabályozás
• Számos operon pozitívszabályozás alatt is áll; ezesetben transzkripciósaktivátorok segítik a génekátírását, ilyen a katabolitaktivátor fehérje (CAP)
• Ha a glükóz-szint (a baktériuminkább ezt szereti használni) alacsony, a CAP aktiválódik, mert köti a ciklikus AMP-t (cAMP)
• Az aktivált CAP a lac operon protóteréhez kapcsolódik és azRNS polimeráz kötésiaffinitását növeli, így gyorsítjaa transzkripciót
• Ha a glükóz-szint emelkedik, a CAP lekapcsolódik a lacoperonról, és a transzkripcióvisszatér a normál szintre
• CAP más katabólikusútvonalban részt vevő enzimektermelését is segíti
Szignal
NUKLEUSZkromatin
kromatin midifikácó:DNS kicsomagolásaHiszton acetiláció és
DNS demetilációDNS
Gene
Gén elérhető atranszkripcióra
RNS Exonelsődleges átirat
Transzkripció
IntronRNS processzálás
SapkaFarok
mRNS a sejtmagban
Transzport
CITOPLAZMAmRNS a citoplazmában
TranszlációAz mRNSlebomlása
PolipeptideFehérje módosítás, pl.hasítás vagy kémiai
modifikáció
Aktív fehérjeA fehérjelebonlása
A sejt megfelelőpontjára szállítás
Sejtfunkció (pl.enzimatikus aktivitás,szerkezeti funkció)
Az eukarióta génexpressziószámos lépésen át szabályozott• Minden sejt a szervezetben
genetikailag azonos• A különböző sejttípusok között
megfigyelhető különbség a differenciális génexpresszióeredménye, vagyis az azonos genomúsejtek eltérő géneket fejeznek ki.
• A gének expressziója számos pontonszabályozható
DNS kettős helix(2 nm átmérő)
DNS, a kettős hélix
Nukleoszóma(10 nm átmérő)
Hisztonok
Hisztonok
Hisztonfarok
H1
Nukleoszómák, gyöngysorszerkezet (10-nm szál)
A kromatin struktúrájának módosítása
A DNS a sejtmagban hiszton fehérjékhez kapcsolódik(kromatin) és különböző kondenzáltságú állapotban van
30nm-es szál
30nm-es szál
Hurkok Állvány
300-nm fiber
Kromatida(700 nm)
Replikáltkromoszóma(1,400 nm)
hurkolt szakaszok(300nm-es szál) metafázisos
kromoszóma
• Az erősen csomagolt heterokromatikusrégióban lévő gének általában nemfejeződnek ki
• A kromatin DNS-ének és hisztonjainakkémiai módosítása megváltoztatja a kromatin szerkezetét és így a génátíródást
A kémiaimodifikációszámáraelérhetőaminosavak
hisztonfarkak
DNS kettőshelix
Nukleoszóma
(a) hisztonok farki része kilóg a nukleoszómából
Nem-acetilált hisztonok Acetilált hisztonok(b) A hisztonok farki részének acetilációja lazítja a
kromatin szerkezetét
A HISZTON MÓDOSÍTÁSA
• A hiszton acetilációsorán acetil csoportokkapcsolódnak a hisztonok pozitívantöltött lizinoldalláncaihoz (a hisztonok farki részén)
• Ez fellazítja a kromatinszerkezetet, ígyelősegítii a transzkripcióiniciációs szakaszát
• metil csoportokhozzáadása (metiláció) kondenzálja a kromatint; ugyanakkor a metilált aminosavakmelletti foszforilációlazítja a kromatint
DNS metiláció
• A DNS metilációja, a bázisok metilcsoporttal valóellátása, a legtöbb fajban csökkenti a transzkripciót
• A DNS metilációja az adott gén hosszú idejűinaktivációját okozhatja a fejlődés során
• A szülői imprinting során metiláció szabályozzahogy az anyai vagy az apai allélok fejeződjenek-e ki a fejlődés kezdetén
• Az X kromoszóma inaktivációját is részbenmetiláció okozza.
Epigenetikus öröklődés
• Bár a kromatin módosítások nem változtatják meg a DNS szekvenciáját, de átadódhatnak a sejtutódaiba
• Ezt az öröklődési formát epigenetikusöröklődésnek nevezzük
Enhanszer(disztális szabályozó
elemek)DNS
Upstream Promóter
Proximálisszabályozó
elemekTranszkripció
start helyeExon Intron Exon ExonIntron
Poli-Aszignál
szekvenciaTranszkripcióterminációs
régiója
DownstreamPoli-Aszignál
Exon Intron Exon ExonIntron
Transzkripció
az elsődlegesátirat levágott3ʹ vége
5ʹelsődleges RNS
átirat(pre-mRNS)
Intron RNS
RNS processzálás
mRNSKódoló szakasz
5ʹ Sapka5ʹ UTRStart
kodonStop
kodon 3ʹ UTR
3ʹ
Poli-Afarok
PPPG AAA ⋅⋅⋅AAA
Egy tipikus eukarióta gén szerkezete
A transzkripciós faktorok és az enhanszerekszerepe• A transzkripció elindulásához az eukarióta RNS
polimeráz transzkripciós faktorok jelenlétét igényli• Az enhanszerek távoli (upstream) szabályozó
elemek (gyakran intronban helyezkednek el)• Az aktivátor az enhanszerhezköt és segíti az
adott gén átírását
AktivátorokDNS
Enhancer Disztálisszabályozóelemek
PromóterGén
TATA boxÁltalánostranszkripciósfaktorok
DNS-thajlítófehérje
Szabályozó fehérjék
RNSpolimeráz II
RNSpolimeráz II
RNS szintézisTranszkripciósiniciációs komplex
Szabályozóelemek
Enhancer Promóter
Albumin gén
Crystallingén
LIVER CELLNUCLEUS
Availableactivators
Albumin geneexpressed
Crystallin genenot expressed
(a) Liver cell
LENS CELLNUCLEUS
Availableactivators
Albumin genenot expressed
Crystallin geneexpressed
(b) Lens cell
Adottaktivátorokjelenléte, sejtsorsrajellemzőgéneketaktivál.
Exonok
DNS
Troponin T gén
elsődlegesRNStranszkript
RNS splicing
vagymRNS
1
1
1 1
2
2
2 2
3
3
3
4
4
4
5
5
5 5
RNS processzálás
kromatin mósosítás
• Az erősen kondenzált kromatinbantalálhatógének általábanrepresszáltak• hiszton acetiláció lazítja a kromatin szerkezetét és segítia traszkripciót
• A DNS metilációáltalábangátolja a génexpressziót
mRNS degradáció
• Minden mRNS jellemzőéletidővel rendelkezik,melyet részben az 5ʹ és3ʹ UTR szekvenciákszabnak meg.
• A transzkripció iniciációjánakszabályozása:DNS szabályozó elemeiaz enhanszerekbenspecifikus transzkripciós faktorokat kötnek
A DNS meghajlása miatt az aktivátorfehérjékkölcsönhatásba lépnek a promóternéllévőkkel, elindítva a transzkripciót• Koordinált szabályozás:Májspecifikus gének
enhancerelencse specifikusgének enhancere
Transzkripció
RNS processzálás
• Alernatív RNS splicing:
elsődleges RNSátirat
mRNS vagy
• A transzláció iniciációját iniciációs faktorokszabályozzák.
• Protein processzálás ésproteoszómális degradációaszabályozás alapja ezena szinten.
Transzláció
Protein processzálásés degradáció
kromatin módosítás
Transzkripció
RNS processzálás
mRNSdegradáció
Transzláció
Protein processzálásés degradáció
A nem-kódoló RNSek sokrétű szerepetjátszanak a génexpresszió szabályozásában
• A DNS-nek csak egy kis része kódol fehérjéket, ésa DNS nem fehérje kódoló részének egy nagyonkis része tartalmazza az RNSek (rRNS, tRNS) génjeit
• A genom egy jelenzős része ún. nem-kódolóRNSekké íródik át (noncoding RNSs - ncRNSs)
• A nem kódoló RNSek a génexpressziót két pontonszabályozzák: – mRNS transzláció– kromatin konfiguráció
Az mRNSeken a mikroRNSek és a kisinterferáló RNSek hatnak
• MikroRNSek (miRNS) kis egyszálú RNS molekulák, amik kötnek az mRNShez
• elindíthatják az mRNS degradációját vagyblokkolhatják a transzlációt
(a) elsődleges miRNS átirat
HairpinmiRNS
miRNS
Hidrogénkötés
Dicer
miRNS-proteinkomplex
mRNS degradált Transzláció blokkolt(b) miRNSek képződése és szerepe
5ʹ 3ʹ
• Az RNS molekulák segítségével megvalósítottgénexpresszió gátlás az RNS interferencia(RNSi)
• RNSi-t kis interferáló RNSek (small interfering RNSs - siRNSs) okoznak
• Az siRNSek és miRNSek hasonlóak, de különböző RNS prekurzorból képződnek
kromatin modifikáció
Transzkripció
RNS processzálás
mRNSdegradáció
Transzláció
Protein processzálásés degradáció
kromatin modifikáció
Transzláció
mRNS degradáció
• miRNS vagy siRNS specifikusankijelölhet egy mRNS-t a degradációra.
• miRNS vagy siRNS blokkolhatja azadott mRNS transzlációját.
• Kicsi vagy nagy nem-kódoló RNSekelősegíthetik a heterokromatin kialakulását,így blokkolva a transzkripciót.