מֵידָע

23.2: ויסות גנים: איקריוט - ביולוגיה

23.2: ויסות גנים: איקריוט - ביולוגיה


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

תקנת הגן האוקריוטית

סקירת רגולציה

כפי שצוין קודם לכן, רגולציה היא כולה קבלת החלטות. ויסות גנים, כנושא כללי, קשור בקבלת החלטות לגבי הביטוי הפונקציונלי של חומר גנטי. בין אם המוצר הסופי הוא מין RNA או חלבון, ייצור המוצר הסופי המתבטא דורש תהליכים הנוקטים מספר צעדים. בילינו זמן מה בדיון על חלק מהשלבים הללו (כלומר תעתיק ותרגום) ועל כמה מהמנגנונים שבהם משתמש הטבע לחישת מידע סלולרי וסביבתי כדי לווסת את התחלת התמלול.

כאשר דנו במושג פרומוטורים חזקים וחלשים, הצגנו את הרעיון שוויסות כמות (מספר המולקולות) של התמלול שהופק ממקדם ביחידת זמן כלשהי עשוי להיות חשוב גם לתפקוד. זה לא אמור להפתיע לגמרי. עבור גן מקודד חלבון, ככל שמיוצר יותר תמלול, כך יש פוטנציאל גדול יותר לייצר יותר חלבון. זה עשוי להיות חשוב במקרים שבהם ייצור הרבה של אנזים מסוים הוא המפתח להישרדות. לעומת זאת, במקרים אחרים נדרשת רק מעט חלבון והכנת יותר מדי תהיה בזבוז של משאבים סלולריים. במקרה זה עשויות להיות מועדפות רמות נמוכות של שעתוק. מקדמים בעלי עוצמות שונות יכולים להתאים לצרכים משתנים אלה. לגבי מספר התמליל, הזכרנו בקצרה שסינתזה היא לא הדרך היחידה לווסת את השפע. חשוב לקחת בחשבון גם תהליכי השפלה.

בחלק זה, אנו מוסיפים לנושאים אלה על ידי התמקדות בתהליכי רגולציה אוקריוטיים. באופן ספציפי, אנו בוחנים - ולפעמים בוחנים מחדש - כמה מהשלבים המרובים הנדרשים לביטוי חומר גנטי באורגניזמים איקריוטיים בהקשר של ויסות. אנו רוצים שתחשבו לא רק על התהליכים, אלא גם שתכירו כי כל שלב בתהליך הביטוי הוא גם הזדמנות לכוונן לא רק את שפע התמליל או החלבון אלא גם את מצבו התפקודי, הצורה (או הגרסה), ו/או יציבות. כל אחד מהגורמים הנוספים הללו עשוי להיות גם חשוב לשקול כדי להשפיע על השפע של וריאנטים תפקודיים ספציפיים באופן מותנה.

הבדלים מבניים בין תאים חיידקיים ואוקריוטיים המשפיעים על ויסות הגנים

סימן ההיכר המגדיר של התא האוקריוטי הוא הגרעין, קרום כפול המקיף את החומר התורשתי של התא. על מנת להתאים ביעילות את ה-DNA של האורגניזם לחלל המצומצם של הגרעין, ה-DNA נארז ומאורגן תחילה על ידי חלבון למבנה הנקרא כרומטין. אריזה זו של החומר הגרעיני מפחיתה את הגישה לחלקים ספציפיים של הכרומטין. אכן, חלק מהאלמנטים של ה-DNA ארוזים כל כך היטב עד שמנגנון התעתיק אינו יכול לגשת לאתרים רגולטוריים כמו מקדמים. המשמעות היא שאחד האתרים הראשונים של ויסות התעתיק באיקריוטים חייב להיות גישת הבקרה ל- DNA עצמו. חלבוני כרומטין יכולים להיות נתונים לשינוי אנזימטי שיכול להשפיע אם הם נקשרים בחוזקה (גישה מוגבלת לתעתיק) או בצורה רופפת יותר (גישה תעתיק גדולה יותר) לקטע של DNA. תהליך השינוי הזה - בכל כיוון שנחשב ראשון - הוא הפיך. לכן ניתן לסגור את ה-DNA באופן דינמי ולהפוך לזמין כאשר "הזמן מתאים".

הוויסות של ביטוי גנים באאוקריוטים כרוך גם בחלק מאותם מנגנונים בסיסיים נוספים שנדונו במודול על ויסות חיידקים (כלומר שימוש במקדמים חזקים או חלשים, גורמי שעתוק, מסיימים וכו') אך המספר האמיתי של החלבונים המעורבים הוא בדרך כלל הרבה גדול יותר באאוקריוטים מאשר חיידקים או ארכאים.

העיבוד האנזימטי הפוסט-תעתיק של RNA המתרחש בגרעין ויצוא ה-mRNA הבוגר לציטוזול הם שני הבדלים נוספים בין ויסות גנים חיידקיים לאאוקריוטיים. נשקול את רמת הרגולציה הזו ביתר פירוט להלן.

תיאור של כמה הבדלים מרכזיים בין התהליכים של ביטוי גנים חיידקיים ואוקריוטיים. שימו לב במקרה זה לנוכחותם של חומרי היסטון והיסטונים, השחבור של קדם-mRNA וייצוא ה-RNA הבוגר מהגרעין כמבדילים מרכזיים בין המערכות החיידקיות והאיקריוטיות.
ייחוס: Marc T. Facciotti (יצירה משלו)

אריזת DNA וסמנים אפיגנטיים

ה-DNA בתאים איקריוטיים פצוע במדויק, מקופל ונדחס לכרומוזומים כך שיתאים לגרעין. זה גם מאורגן כך שניתן לגשת בקלות למקטעים ספציפיים של הכרומוזומים לפי הצורך על ידי התא. אזורים של הכרומוזומים דחוסים יותר יהיו קשים יותר לחלבונים להיקשר ולכן יובילו להפחתת ביטוי הגנים של הגנים המקודדים באותם אזורים. אזורים של הגנום דחוסים באופן רופף יהיה קל יותר עבור חלבונים לגשת, ובכך להגדיל את הסבירות כי הגן ישומלל. דנו כאן על הדרכים שבהן תאים מווסתים את צפיפות הדחיסה של ה-DNA.

אריזת DNA

הרמה הראשונה של הארגון, או האריזה, היא סלילה של גדילי DNA מסביב היסטון חלבונים. היסטונים אורזים ומזמינים DNA ליחידות מבניות הנקראות נוקלאוזומים, שיכול לשלוט בנגישות החלבונים לאזורי DNA ספציפיים. תחת מיקרוסקופ אלקטרונים, פיתול זה של DNA סביב חלבוני היסטון ליצירת נוקלאוזומים נראה כמו חרוזים קטנים על חוט. חרוזים אלה (מתחמי נוקלאוזום) יכולים לנוע לאורך המיתר (DNA) כדי לשנות אילו אזורים של ה- DNA נגישים למכונות תעתיק. בעוד שנוקלאוזומים יכולים לנוע כדי לפתוח את מבנה הכרומוזומים כדי לחשוף קטע של DNA, הם עושים זאת בצורה מבוקרת מאוד.

DNA מקופל סביב חלבוני היסטון כדי ליצור (א) קומפלקסים של נוקלאוזומים. נוקלאוזומים אלה שולטים בנגישות החלבונים לדנ"א הבסיסי. במבט דרך מיקרוסקופ אלקטרונים (ב), הנוקלאוזומים נראים כמו חרוזים על חוט. (קרדיט "מיקרוגרף": שינוי עבודתו של כריס וודקוק)

שינוי היסטון

האופן שבו חלבוני ההיסטון נעים תלוי באותות כימיים שנמצאים גם בחלבוני ההיסטון וגם ב-DNA. האותות הכימיים הללו הם תגים כימיים שנוספו לחלבוני היסטון ול-DNA שאומרים להיסטונים אם אזור כרומוזומלי צריך להיות "פתוח" או "סגור". האיור שלהלן מתאר שינויים בחלבוני היסטון וב-DNA. תגים אלה אינם קבועים, אך ניתן להוסיף או להסיר לפי הצורך. הם שינויים כימיים (קבוצות פוספט, מתיל או אצטיל) המחוברות לחומצות אמינו ספציפיות בחלבוני ההיסטון או לנוקלאוטידים של ה-DNA. התגים אינם משנים את רצף בסיס ה-DNA, אבל הם כן משנים את מידת הפצע הדוק של ה-DNA סביב חלבוני ההיסטון. DNA הוא מולקולה בעלת מטען שלילי; לכן, שינויים במטען של ההיסטון ישנו את מידת הפצעים הדוקים של מולקולת ה-DNA. כאשר הם לא משתנים, לחלבוני ההיסטון יש מטען חיובי גדול; על ידי הוספת שינויים כימיים כמו קבוצות אצטיל, המטען הופך פחות חיובי.

נוקלאוזומים יכולים להחליק לאורך ה-DNA. כאשר נוקלאוזומים מרווחים זה בזה באופן הדוק (למעלה), גורמי שעתוק אינם יכולים להיקשר וביטוי גנים מושבת. כאשר הנוקלאוזומים מרוחקים זה מזה (בתחתית), ה-DNA נחשף. גורמי שעתוק יכולים להיקשר, ולאפשר ביטוי גנים להתרחש. שינויים בהיסטונים וב- DNA משפיעים על מרווח הנוקלאוזומים.

דיון מוצע

מדוע לחלבוני היסטון יש בדרך כלל כמות גדולה של מטענים חיוביים (היסטונים מכילים מספר גבוה של חומצות אמינו ליזין). האם הסרת המטענים החיוביים תגרום להידוק של התרופפות האינטראקציה ההיסטון-DNA?

דיון מוצע

חזה את מצב ההיסטונים באזורים של הגנום המתועתקים באופן קבוע. במה אלה שונים מאזורים שאינם חווים רמות גבוהות של תמלול?

שינוי DNA

ניתן לשנות גם את מולקולת ה-DNA עצמה. זה קורה באזורים מאוד ספציפיים הנקראים איי CpG. אלה הם מתיחות עם תדירות גבוהה של ציטוסין וגואנין דינוקלוטיד DNA זוגות (CG) הנמצאים לעתים קרובות באזורי האמרגן של הגנים. כאשר תצורה זו קיימת, ניתן לבצע מתילציה של חבר הציטוזין בזוג (מוסיפה קבוצת מתיל). שינוי זה משנה את האופן שבו ה- DNA מתקיים עם חלבונים, כולל חלבוני ההיסטון השולטים בגישה לאזור. אזורי DNA בעלי מתיל (היפר-מתיל) עם היסטונים דה-אצטילציה מפותלים היטב ולא פעילים מבחינה תעתיק.

שינויים אפיגנטיים אינם גורמים לשינויים קבועים ברצף ה- DNA. שינויים אפיגנטיים משנים את מבנה הכרומטין (קומפלקס חלבון- DNA) כדי לאפשר או למנוע גישה לתעתיק גנים. שינוי DNA כגון מתילציה על נוקלאוטידים של ציטוזין יכול לגייס חלבונים מדכאים שחוסמים את הגישה של RNA פולימראז לתעתוק גן או שהם יכולים לסייע בדחיסת ה-DNA כדי לחסום את כל הגישה לחלבונים לאזור זה של הגנום. שינויים אלה הם הפיכים בעוד שמוטציות אינן, עם זאת, שינויים אפיגנטיים בכרומוזום יכולים גם לעבור בתורשה.
מקור: שונה מ-https://researcherblogski.wordpress....r/dudiwarsito/

ויסות ביטוי גנים באמצעות שיפוץ כרומטין נקרא ויסות אפיגנטי. אפיגנטי פירושו "סביב גנטיקה". השינויים המתרחשים בחלבוני ההיסטון וב-DNA אינם משנים את רצף הנוקלאוטידים ואינם קבועים. במקום זאת, שינויים אלה הם זמניים (אם כי לעתים קרובות הם נמשכים באמצעות סבבים מרובים של חלוקת תאים ויכולים לעבור בתורשה) ומשנים את המבנה הכרומוזומלי (פתוח או סגור) לפי הצורך.

קישור חיצוני

צפה בסרטון זה המתאר כיצד ויסות אפיגנטי שולט בביטוי גנים.

מבנה גנים אוקריוטים ועיבוד RNA

מבנה גן אוקריוטי

גנים אוקריוטיים רבים, במיוחד אלה המקודדים למוצרי חלבון, מקודדים על הגנום באופן לא רציף. כלומר, האזור המקודד נשבר לחתיכות על ידי אלמנטים גנים שאינם מקודדים מתערבים. אזורי הקידוד נקראים אקסונים בעוד האלמנטים המתערבים שאינם מקודדים נקראים אינטרונים. האיור שלהלן מתאר גן אוקריוטי כללי.

החלקים של גן איקריוטי טיפוסי לא רציף. ייחוס: Marc T. Facciotti (יצירה משלו)

חלקים של גן איקריוטי גנרי כוללים אלמנטים מוכרים כמו מקדם ומסגר. בין שני האלמנטים הללו, האזור המקודד לכל מרכיבי הגן שיש להם פוטנציאל לתרגום (אין להם קודוני עצירה), כמו במערכות חיידקיות, נקרא מסגרת הקריאה הפתוחה (ORF). אלמנטים משפרים ו/או משתיקים הם אזורים ב-DNA המשמשים לגיוס חלבונים מווסתים. אלה יכולים להיות קרובים יחסית לאמרגן, כמו במערכות חיידקים, או במרחק אלפי נוקלאוטידים. כמו כן קיים בתמלילי חיידקים רבים, קיימים גם אזורים לא מתורגמים של 5 'ו -3' (UTR). אזורים אלו של הגן מקודדים למקטעים של התעתיק, שכפי שמרמזים שמם אינם מתורגמים ויושבים 5' ו-3', בהתאמה, ל-ORF. ה-UTRs מקודדים בדרך כלל כמה אלמנטים רגולטוריים קריטיים לוויסות שעתוק או שלבים של ביטוי גנים המתרחשים לאחר שעתוק.

גם מיני ה-RNA הנובעים מתעתוק הגנים הללו הם בלתי רציפים ולכן יש לעבד אותם לפני היציאה מהגרעין לתרגום או שימוש בציטוזול כ-RNA בוגר. במערכות אוקריוטיות זה כולל שחבור RNA, מכסה 5 ', מחשוף קצה 3' ופוליאדנילציה. סדרת צעדים זו היא תהליך מולקולרי מורכב שחייב להתרחש בגבולות הגרעין הסגורים. כל אחד מהשלבים הללו מספק הזדמנות להסדיר את שפע התמלילים המיוצאים ואת הצורות הפונקציונליות של תמלולים אלה. למרות שאלו יהיו נושאים לקורסים מתקדמים יותר, חשבו כיצד למסגר חלק מהנושאים הבאים כתתי-בעיות של אתגר העיצוב של ויסות גנטי. אם שום דבר אחר, התחל להעריך את הריקוד המולקולרי המתוזמר מאוד שחייב להתרחש כדי לבטא גן וכיצד מדובר בקטע מדהים של הנדסה אבולוציונית.

5 'מכסה

כמו במערכות חיידקיות, מערכות אוקריוטיות חייבות להרכיב קומפלקס טרום-ייזום ברצף הפרומטור ובסביבתו כדי ליזום שעתוק. הקומפלקסים הנאספים באאוקריוטים ממלאים רבים מאותם תפקידים כמו אלה שבמערכות חיידקיות, אך הם מורכבים משמעותית יותר, וכוללים הרבה יותר חלבונים מווסתים. מורכבות נוספת זו מאפשרת מידה רבה יותר של ויסות והרכבה של חלבונים בעלי פונקציות המתרחשות בעיקר במערכות איקריוטיות. אחת הפונקציות הנוספות הללו היא "מכסת" תמלילי ההתהוות.

בגנים מקודדי חלבון אוקריוטיים, ה-RNA המיוצר לראשונה נקרא קדם-mRNA. הקידומת "קדם" מסמלת שזה לא ה-mRNA הבוגר המלא שיתורגם ושהוא דורש תחילה עיבוד מסוים. השינוי המכונה 5'-capping מתרחש לאחר שהקדם-mRNA באורך של כ-20-30 נוקלאוטידים. בשלב זה ה- RNA טרום בדרך כלל מקבל את השינוי הראשון לאחר תעתיק, מכסה של 5'. ה"כובע" הוא מודיפיקציה כימית - 7-מתילגואנוזין - שהוספתו לקצה ה-5' של התמליל מזורזת אנזימטית על ידי אנזימים מרובים הנקראים קומפלקס אנזים מכסה (CEC) קבוצה של אנזימים מרובים המבצעים שלבים עוקבים המעורבים ב הוספת מכסה 5'. ה-CEC נקשר לפולימראז RNA מוקדם מאוד בתעתוק ומבצע שינוי של הטריפוספט 5', העברה לאחר מכן של ב-GTP למטרה זו (מחבר את שני הנוקלאוטידים באמצעות קישור 5'-ל-5' ייחודי), מתילציה של הגואנין החדש שהועבר, ובחלק מהתמלילים השינויים הנוספים לנוקלאוטידים הראשונים. נראה כי כובע 5' זה מתפקד על ידי הגנה על התמליל המתהווה מפני פירוק והוא נקשר במהירות על ידי חלבונים קושרים ל-RNA הידועים כקומפלקס ה-cap-binder (CBC). ישנן עדויות לכך ששינוי זה והחלבונים הקשורים אליו ממלאים תפקיד במיקוד התמליל לייצוא מהגרעין. הגנה על ה-RNA המתהווה מפני השפלה חשובה לא רק לשימור האנרגיה המושקעת ביצירת התמליל, אלא היא מעורבת בבירור בוויסות שפע התמלול הפונקציונלי המלא שנוצר. יתרה מכך, תפקידו של כובע ה-5' בהנחיית התמלול לייצוא יסייע ישירות לווסת לא רק את כמות התמלול שנוצרת אלא, אולי חשוב מכך, את כמות התמלול המיוצאת לציטופלזמה בעלת הפוטנציאל. לתרגום.

המבנה של מכסה טיפוסי 7-methylguanylate. Facciotti (עבודה עצמית)

שחבור תמלול

יש לעבד את התמלילים המתהווים ל-RNA בוגר על ידי חיבור אקסונים והסרת האינטרונים המתערבים. זה מושג על ידי קומפלקס מרובה רכיבים של RNA וחלבונים הנקרא spliceosome. קומפלקס הספליאוזום מתאסף על התמליל המתהווה ובמקרים רבים ההחלטות לגבי אילו אינטרונים לשלב לתעתיק בוגר מתקבלות בשלב זה. כיצד מתקבלות החלטות אלו עדיין לא מובן לחלוטין, אך כרוך בהכרה של רצפי DNA ספציפיים באתרי השבר על ידי מיני RNA וחלבונים ומספר אירועים קטליטיים. מעניין לציין שהחלק הקטליטי של הספליזוזום עשוי מ-RNA ולא מחלבון. נזכיר שהריבוזום הוא דוגמה נוספת לקומפלקס RNA-חלבון שבו ה-RNA משמש כמרכיב קטליטי ראשוני. הבחירה באיזו וריאנט שחבור לעשות היא צורה של ויסות ביטוי גנים. במקרה זה במקום להשפיע על שפע של תמלול, שחבור חלופי מאפשר לתא לקבל החלטות לגבי איזו צורת תמלול מבוצעת.

צורות השבר החלופיות של גנים המביאות למוצרי חלבון בעלי מבנה קשור אך בעלי תפקוד משתנה ידועות בשם איזופורמים. יצירת איזופורמים שכיחה במערכות איקריוטיות וידועה כחשובה בשלבי התפתחות שונים באורגניזמים רב-תאיים ובהגדרת התפקודים של סוגי תאים שונים. על ידי קידוד של תוצרי גנים אפשריים מרובים מגן בודד שהתחלת התעתוק שלו מקודד מאתר ויסות שעתוק אחד (על ידי קבלת ההחלטה איזה תוצר סופי לייצר לאחר שעתוק) מייתרת את הצורך ליצור ולתחזק עותקים עצמאיים של כל גן ב חלקים שונים של הגנום ואתרי רגולציה עצמאיים מתפתחים. לכן, היכולת ליצור איזופורמים מרובים מאזור קידוד בודד היא אמנם מועילה מבחינה אבולוציונית מכיוון שהיא מאפשרת יעילות מסוימת בקידוד ה-DNA, ממזערת את המורכבות הרגולטורית של התעתיק, ועשויה להוריד את נטל האנרגיה של שמירה על יותר DNA והגנה עליו מפני מוטציה. כמה דוגמאות לתוצאות אפשריות של שחבור חלופי יכולות לכלול: יצירת גרסאות אנזים עם זיקה דיפרנציאלית של מצע או קצבים קטליטיים; ניתן לשנות רצפי אותות המכוונים חלבונים לתאים תת-תאיים שונים; ניתן ליצור פונקציות חדשות לגמרי, באמצעות החלפת תחומי חלבון. אלו הן רק כמה דוגמאות.

תוצאה אפשרית מעניינת נוספת של שחבור אלטרנטיבי היא הכנסת קודוני עצירה שיכולים, באמצעות מנגנון שנראה כי דורש תרגום, להוביל לדעיכה ממוקדת של התמליל. משמעות הדבר היא שבנוסף לבקרה של התחלת התעתיק ו-5'-capping, שחבור חלופי יכול להיחשב גם כאחד מהמנגנונים הרגולטוריים שעשויים להשפיע על שפע התמלילים. ההשפעות של שחבור אלטרנטיבי הן אפוא פוטנציאליות רחבות - מאובדן תפקוד מוחלט לתפקוד חדש ומגוון ועד להשפעות רגולטוריות.

איור המתאר כמה מהאופנים השונים של שחבור חלופי הממחיש כיצד גרסאות שחבור שונות יכולות להוביל לצורות חלבון שונות.
ייחוס: Marc T. Facciotti (יצירה משלו)

מחשוף קצה 3' ופוליאדנילציה

שינוי אחרון אחד נעשה ל-Pre-mRNA בהתהוות לפני שהם עוזבים את הגרעין - ביקוע קצה 3' והפוליאדנילציה שלו. תהליך דו-שלבי זה מזורז על ידי שני אנזימים שונים (כמתואר להלן) ועשוי לקשט את קצה 3' של התמלילים עם עד כמעט 200 נוקלאוטידים. שינוי זה משפר את יציבות התמליל. ככלל, ככל שיש יותר כמו בתג polyA כך יש לתמלול אורך חיים ארוך יותר. נראה כי התג polyA ממלא תפקיד גם בייצוא התמליל מהגרעין. לכן, תג 3' polyA ממלא תפקיד בביטוי גנים על ידי ויסות שפע התעתיק הפונקציונלי וכמה מיוצא מהגרעין לתרגום.

תהליך דו-שלבי מעורב בשינוי קצוות 3' של התמלילים לפני ייצוא גרעיני. אלה כוללים חיתוך תמלילים ממש במורד הזרם של רצף משומר (AAUAAA) והעברת קבוצות אדנילט. שני התהליכים מזרזים אנזימטית.
ייחוס: Marc T. Facciotti (יצירה משלו)

MicroRNAs

יציבות RNA ו- microRNAs

בנוסף לשינויים של הפרה-RNA שתוארו לעיל והחלבונים הקשורים לקשר המתהווה ולתמלילים, ישנם גורמים נוספים שיכולים להשפיע על יציבות ה-RNA בתא. דוגמה אחת הן אלמנטים הנקראים microRNAs. המיקרו-RNA, או ה-miRNA, הם מולקולות RNA קצרות שאורכן רק 21-24 נוקלאוטידים.ה-miRNAs מתועתקים בגרעין כ-pre-miRNAs ארוכים יותר. פרה-מיRNAs אלה נקצצים לאחר מכן ל-miRNA בוגרים על ידי חלבון הנקרא dicer. אלה miRNAs בוגרת לזהות רצף ספציפי של RNA מטרה באמצעות זיווג בסיס משלים. עם זאת, miRNAs קשורים גם לקומפלקס של ריבונוקלאופרוטאין הנקרא תסביך ההשתקה המושרה על ידי RNA (RISC). RISC קושר mRNA מטרה, יחד עם miRNA, כדי לפגוע ב- mRNA היעד. יחד, miRNAs ומתחם RISC הורסים במהירות את מולקולת ה- RNA. כפי שניתן לצפות, התעתוק של pre-miRNAs ועיבודם לאחר מכן מוסדר גם הוא באופן הדוק.

ייצוא גרעיני

ייצוא גרעיני

יש לייצא תמלילים בוגרים מעובדים במלואם דרך הגרעין. באופן לא מפתיע תהליך זה כולל תיאום של זן RNA בוגר שאליו קשורים חלבונים נלווים רבים - שחלקם היו מעורבים באופן אינטימי בשינויים שנדונו לעיל - וקומפלקס חלבונים הנקרא מתחם הנקבוביות הגרעיניות (NPC). הובלה דרך ה-NPC מאפשרת זרימת חלבונים ומינים של RNA לנוע בשני הכיוונים ומתווכת על ידי מספר חלבונים. תהליך זה יכול לשמש כדי לווסת באופן סלקטיבי את ההובלה של תמלילים שונים בהתאם לאלו חלבונים מתקשרים לתמלול המדובר. המשמעות היא שלא כל התמלילים מטופלים באופן שווה על ידי ה-NPC - בהתאם למצב השינוי והחלבונים שקשורים למין ספציפי של RNA ניתן להעביר אותו בצורה יעילה יותר או פחות על פני הממברנה הגרעינית. מכיוון שקצב התנועה על פני הנקבובית ישפיע על שפע התעתיק הבוגר המיוצא לציטוזול לבקרת ייצוא תרגום הוא דוגמה נוספת לשלב בתהליך של ויסות גנים שניתן לווסת. בנוסף, מחקרים עדכניים השפיעו על אינטראקציות בין ה-NPC לבין גורמי שעתוק בוויסות התחלת השעתוק, ככל הנראה באמצעות מנגנון כלשהו לפיו גורמי השעתוק קושרים את עצמם לנקבוביות הגרעיניות. דוגמה אחרונה זו מדגימה עד כמה הקשר בין הרגולציה של ביטוי גנים לאורך השלבים המרובים של תהליך מורכב זה.

פרטים רבים נוספים של התהליכים שתוארו לעיל ידועים ברמת פירוט מסוימת, אך נותרו עוד שאלות רבות לענות עליהן. למען Bis2a מספיק להתחיל ליצור מודל של השלבים המתרחשים בייצור של תמליל בוגר באורגניזמים אוקריוטיים. ציירנו תמונה עם קווים רחבים מאוד, בניסיון להציג סצנה שמשקפת את מה שקורה בדרך כלל בכל האיקריוטים. בנוסף ללימוד המאפיינים המבדילים העיקריים של ויסות גנים אוקריוטיים, נרצה גם שתלמידי Bis2a יתחילו לחשוב על כל אחד מהשלבים הללו כהזדמנות לטבע לווסת את ביטוי הגנים בדרך כלשהי ולהיות מסוגל להגדיר את האופן שבו חוסרים או שינויים. במסלולים אלה - שעלולים להופיע באמצעות מוטציה - עשויים להשפיע על ביטוי גנים.

למרות שלא הבאנו כאן במפורש את אתגר העיצוב או סיפור האנרגיה, הפורמליזם הזה מיומן באותה מידה לעזור לך להבין קצת את מה שמתואר. אנו ממליצים לכם לנסות ליצור סיפור אנרגיה לתהליכים שונים. אנו מעודדים אותך גם להשתמש בכותרת Design Challenge כדי לבחון מחדש את הסיפורים למעלה: לזהות בעיות הדורשות פתרון; מניחים פתרונות פוטנציאליים וקריטריונים להצלחה. השתמש שם בפורמליזמות כדי לחפור לעומק ולשאול שאלות חדשות/לזהות בעיות חדשות או דברים שאתה לא יודע על התהליכים הוא מה שמומחים עושים. רוב הסיכויים שביצוע התרגיל המוצע הזה יוביל אותך לזהות כיוון מחקר שמישהו כבר המשיך בו (אתה תרגיש די חכם לגבי זה!). לחלופין, אתה יכול להעלות שאלה חדשה לגמרי שאף אחד לא חשב עליה עדיין.

שליטה בשפע החלבונים

לאחר ש-mRNA הועבר לציטופלזמה, הוא מתורגם לחלבון. השליטה בתהליך זה תלויה במידה רבה במולקולת ה- RNA. כפי שנדון בעבר, ליציבות ה- RNA תהיה השפעה רבה על התרגום שלו לחלבון. ככל שהיציבות משתנה, גם משך הזמן שהוא זמין לתרגום משתנה.

מתחם החניכה וקצב התרגום

בדומה לתעתוק, התרגום נשלט על ידי קומפלקסים של חלבונים וחומצות גרעין שחייבים להתחבר כדי להתחיל את התהליך. בתרגום, אחד המתחמים הראשונים שצריכים להרכיב כדי להתחיל את התהליך מכונה קומפלקס החניכה. החלבון הראשון שנקשר ל-mRNA שעוזר ליזום תרגום נקרא eukaryotic initiation factor-2 (eIF-2). פעילותו של חלבון eIF-2 נשלטת על ידי מספר גורמים. הראשון הוא האם הוא קשור או לא קשור למולקולה של GTP. כאשר ה-eIF-2 קשור ל-GTP הוא נחשב בצורה פעילה. החלבון eIF-2 הקשור ל-GTP יכול להיקשר לתת-היחידה הריבוזומלית הקטנה 40S. כשהוא קשור, קומפלקס הריבוזום eIF-2/40S, המביא איתו את ה-mRNA לתרגום, מגייס גם את שותפי ה-tRNA של מתיונין יוזם. בשלב זה, כאשר מורכב הקומפלקס היוזם, ה-GTP עובר הידרוליזה ל-GDP ויוצר "צורה לא פעילה של eIF-2 המשתחררת, יחד עם הפוספט האנאורגני, מהמתחם. שלב זה, בתורו, מאפשר ל-60S הגדול תת-יחידה ריבוזומלית להיקשר ולהתחיל לתרגם את ה-RNA. הקישור של eIF-2 ל-RNA נשלט עוד יותר על-ידי זרחון חלבון. כאשר eIF-2 מזורחן, הוא עובר שינוי קונפורמציה ואינו יכול להיקשר ל-GTP ובכך מעכב את היווצרות קומפלקס ההתחלה - לכן תרגום מעוכב (ראה את האיור למטה). במצב דה-פוספורילציה eIF-2 יכול לקשור GTP ולאפשר הרכבה של קומפלקס ייזום התרגום כמתואר לעיל. היכולת של התא לפיכך לכוון את ההרכבה של קומפלקס הזמנת התרגום באמצעות שינוי כימי הפיך (זרחון) לחלבון רגולטורי הוא דוגמה נוספת לאופן שבו הטבע ניצל אפילו את הצעד הפשוט לכאורה הזה לביטוי גנים מכוון.

עלייה ברמות הזרחון של eIF-2 נצפתה בחולים עם מחלות ניווניות כמו אלצהיימר, פרקינסון והנטינגטון. איזו השפעה לדעתך עשויה להיות לכך על סינתזת החלבונים?

שינויים כימיים, פעילות חלבון ואריכות ימים

חומצות גרעין לא יתעלמו מהן, חלבונים ניתנים גם לשינוי כימי עם תוספת של קבוצות כולל מתיל, פוספט, אצטיל ואוביקוויטין. הוספה או הסרה של קבוצות אלו מחלבונים יכולה לווסת את פעילותן או את משך הזמן שהן קיימות בתא. לפעמים שינויים אלה יכולים לווסת היכן נמצא חלבון בתא - למשל, בגרעין, בציטופלזמה או מחובר לממברנת הפלזמה.

שינויים כימיים יכולים להתרחש בתגובה לגירויים חיצוניים כגון מתח, חוסר בחומרים מזינים, חום או חשיפה לאור אולטרה סגול. בנוסף לוויסות תפקוד החלבונים עצמם, אם שינויים אלה מתרחשים בחלבונים ספציפיים הם יכולים לשנות את הנגישות האפיגנטית (במקרה של שינוי היסטון), שעתוק (גורמי שעתוק), יציבות mRNA (חלבונים קושרים ל-RNA), או תרגום (eIF -2) ובכך להזין ולהסדיר חלקים שונים בתהליך של ביטוי גנים. במקרה של שינוי לחלבונים מווסתים, זו יכולה להיות דרך יעילה עבור התא לשנות במהירות את רמות החלבונים הספציפיים בתגובה לסביבה על ידי ויסות שלבים שונים בתהליך.

לתוספת של קבוצת יוביקוויטין יש תפקיד נוסף - היא מסמנת את החלבון הזה לפירוק. Ubiquitin היא מולקולה קטנה הפועלת כמו דגל המציין שהחלבונים המתויגים צריכים להיות ממוקדים לאברון הנקרא פרוטאזום. אברון זה הוא קומפלקס רב-חלבונים גדול שמתפקד לפיתוח חלבונים לחתיכות קטנות יותר שניתן למחזר. Ubiquitination (תוספת של תג ubiquitin), עוזרת אפוא לשלוט בביטוי הגנים על ידי שינוי אורך החיים התפקודי של מוצר החלבון.

חלבונים עם תגי יוביקוויטין מסומנים להשפלה בתוך הפרוטאזום.

לסיכום, אנו רואים שוויסות גנים הוא מורכב ושניתן לווסת אותו בכל שלב בתהליך הביטוי של תוצר גן פונקציונלי. יתר על כן, האלמנטים הרגולטוריים המתרחשים בכל שלב יכולים לפעול להשפיע על שלבים רגולטוריים אחרים הן מוקדם יותר והן מאוחר יותר בתהליך של ביטוי גנים (כלומר, תהליך השינוי הכימי של גורם שעתוק יכול להשפיע על הוויסות של השעתוק שלו שלבים רבים מוקדם יותר ב- תהליך). קבוצות מורכבות אלה של אינטראקציות יוצרות את מה שמכונה רשתות ויסות גנים. הבנת המבנה והדינמיקה של רשתות אלו היא קריטית להבנת אופן פעולתם של תאים שונים, הבסיס למחלות רבות, תהליכי התפתחות, וכיצד התאים מקבלים החלטות כיצד להגיב לגורמים הרבים שנמצאים בתנופה מתמדת הן בפנים והן בחוץ.


82 תקנת גן שעתוק איקריוטי

בסוף פרק זה תוכל לבצע את הפעולות הבאות:

  • דון בתפקידם של גורמי שעתוק בוויסות גנים
  • הסבר כיצד משפרים ומדכאים מווסתים את ביטוי הגנים

בדומה לתאים פרוקריוטיים, שעתוק הגנים באוקריוטים מצריך את פעולתו של פולימראז של RNA להיקשר לרצף DNA במעלה הזרם של גן על מנת ליזום שעתוק. עם זאת, בניגוד לתאים פרוקריוטיים, פולימראז ה-RNA האוקריוטי דורש חלבונים אחרים, או גורמי שעתוק, כדי להקל על התחלת התעתוק. RNA פולימראז כשלעצמו אינו יכול ליזום שעתוק בתאים איקריוטים. ישנם שני סוגים של גורמי שעתוק המווסתים את השעתוק האוקריוטי: גורמי שעתוק כלליים (או בסיסיים). נקשרים לאזור מקדם הליבה כדי לסייע בקשירה של RNA פולימראז. גורמי תמלול ספציפיים נקשרים לאזורים שונים מחוץ לאזור מקדם הליבה ומקיימים אינטראקציה עם החלבונים במקדם הליבה כדי לשפר או לדכא את הפעילות של הפולימראז.

הצג את תהליך השעתוק - יצירת RNA מתבנית DNA.

האמרגן ומכונות התמלול

גנים מאורגנים כדי להקל על השליטה בביטוי הגנים. אזור האמרגן נמצא במעלה הזרם של רצף הקידוד. אזור זה יכול להיות קצר (רק כמה נוקלאוטידים באורך) או ארוך למדי (באורך של מאות נוקלאוטידים). ככל שהאמרגן ארוך יותר, כך החלל הזמין יותר לחלבון נקשר. זה גם מוסיף שליטה רבה יותר על תהליך התעתיק. אורכו של האמרגן הוא ספציפי לגן ויכול להיות שונה באופן דרמטי בין הגנים. כתוצאה מכך, רמת השליטה בביטוי הגנים יכולה להיות שונה באופן דרמטי למדי בין הגנים. מטרתו של האמרגן היא לאגד גורמי שעתוק השולטים בתחילת התעתיק.

בתוך אזור מקדם הליבה, 25 עד 35 בסיסים במעלה הזרם של אתר ההתחלה התעתיק, שוכנת תיבת TATA. לקופסת TATA יש את רצף הקונצנזוס של 5'-TATAAA-3'. קופסת TATA היא אתר הקישור לקומפלקס חלבון הנקרא TFIID, המכיל חלבון קושר TATA. קישור של TFIID מגייס גורמי שעתוק אחרים, כולל TFIIB, TFIIE, TFIIF ו-TFIIH. חלק מגורמי השעתוק הללו עוזרים לקשור את ה-RNA פולימראז לקדם, ואחרים עוזרים להפעיל את קומפלקס תחילת השעתוק.

בנוסף לקופסת ה-TATA, נמצאים אתרי קישור נוספים בחלק מהמקדמים. חלק מהביולוגים מעדיפים להגביל את טווח הפרומוטור האיקריוטי למקדם הליבה, או לאתר הקישור לפולימראז, ולהתייחס לאתרים הנוספים הללו כאלמנטים פרוקסימליים של פרומוטור, מכיוון שהם נמצאים בדרך כלל בתוך כמה מאות זוגות בסיסים במעלה הזרם של אתר ההתחלה של התעתיק. . דוגמאות לאלמנטים אלו הן תיבת CAAT, עם רצף הקונצנזוס 5'-CCAAT-3' ותיבת GC, עם רצף הקונצנזוס 5'-GGGCGG-3'. גורמי שעתוק ספציפיים יכולים להיקשר לאלמנטים הפרוקסימליים של פרומוטור כדי לווסת את שעתוק הגנים. לגן נתון עשוי להיות שילוב משלו של אתרי הקישור הספציפיים הללו של גורמי שעתוק. ישנם מאות גורמי שעתוק בתא, שכל אחד מהם נקשר באופן ספציפי למוטיב רצף DNA מסוים. כאשר גורמי שעתוק נקשרים לפרומוטור ממש במעלה הזרם של הגן המקודד, הוא מכונה אלמנט הפועל ב-cis, מכיוון שהוא נמצא על אותו כרומוזום ממש ליד הגן. גורמי שעתוק מגיבים לגירויים סביבתיים הגורמים לחלבונים למצוא את אתרי הקישור שלהם ולהתחיל שעתוק של הגן הדרוש.

משפרים ותעתיק

בגנים אוקריוטיים מסוימים, ישנם אזורים נוספים שעוזרים להגביר או לשפר את השעתוק. אזורים אלה, הנקראים משפרים, אינם בהכרח קרובים לגנים שהם משפרים. הם יכולים להיות ממוקמים במעלה הזרם של גן, בתוך האזור המקודד של הגן, במורד הזרם של גן, או עשויים להיות במרחק אלפי נוקלאוטידים.

אזורי Enhancer הם רצפים מחייבים, או אתרים, עבור גורמי שעתוק ספציפיים. כאשר גורם שעתוק חלבון נקשר לרצף המשפרים שלו, צורת החלבון משתנה, ומאפשרת לו ליצור אינטראקציה עם חלבונים באתר המקדם. עם זאת, מכיוון שהאזור המשפר עשוי להיות מרוחק מהפרומוטור, ה-DNA חייב להתכופף כדי לאפשר לחלבונים בשני האתרים לבוא במגע. חלבוני כיפוף DNA עוזרים לכופף את ה-DNA ולקרב את אזורי המשפר והמקדם ((איור)). שינוי צורה זה מאפשר את האינטראקציה של חלבוני המפעיל הספציפיים הקשורים למשפרים עם גורמי השעתוק הכלליים הקשורים לאזור הפרומוטור ולפולימראז ה-RNA.


כיבוי הגנים: מדכאי תעתיק

בדומה לתאים פרוקריוטים, גם לתאים אוקריוטיים יש מנגנונים למניעת שעתוק. מדכאי שעתוק יכולים להיקשר לאזורי פרומטור או משפר ולחסום שעתוק. בדומה למפעלי התעתיק, מדכאים מגיבים לגירויים חיצוניים כדי למנוע קשירה של גורמי שעתוק המפעילים.

סיכום מדור

כדי להתחיל בתעתוק, גורמי שעתוק כלליים, כגון TFIID, TFIIB ואחרים, חייבים תחילה להיקשר לקופסת TATA ולגייס RNA פולימראז למקום זה. גורמי שעתוק נוספים עשויים להיקשר גם לאלמנטים רגולטוריים אחרים במקדם כדי להגביר או למנוע שעתוק. בנוסף לרצפי האמרגן, אזורים משפרים עוזרים להגדיל את התעתיק. משפרים יכולים להיות במעלה הזרם, במורד הזרם, בתוך הגן עצמו, או על כרומוזומים אחרים. גורמי שעתוק ספציפיים הקשורים לאזורים משפרים עשויים להגביר או למנוע שעתוק.

סקור שאלות

הכריכה של ________ נדרשת להתחלת התעתיק.

מה ייגרם מהקשר של גורם שעתוק לאזור משפר?

  1. ירידה בתעתוק של גן סמוך
  2. שעתוק מוגבר של גן רחוק
  3. שינוי התרגום של גן סמוך
  4. התחלת הגיוס של RNA פולימראז

מדען משווה את אזורי המקדם של שני גנים. מקדם הליבה של Gene A בתוספת אלמנטים פרוקסימליים של מקדם מקיף 70bp. מקדם הליבה של Gene B בתוספת אלמנטים פרוקסימליים של מקדם מקיף 250bp. איזו מהשערותיו של המדען היא הנכונה ביותר?

  1. תמלילים נוספים ייעשו מג'ין ב.
  2. שעתוק של גן A כרוך בפחות גורמי שעתוק.
  3. משפרים שולטים בתעתיק של גן B.
  4. שעתוק גן A נשלט יותר מתעתוק גן B.

שאלות חשיבה ביקורתית

מוטציה בתוך אזור הפרומוטור יכולה לשנות שעתוק של גן. תאר כיצד זה יכול לקרות.

מוטציה באזור הפרומוטור יכולה לשנות את אתר הקישור לגורם שעתוק שבדרך כלל נקשר כדי להגביר את השעתוק. המוטציה יכולה להפחית את יכולתו של גורם השעתוק להיקשר, ובכך להפחית את התעתוק, או שהיא יכולה להגביר את יכולתו של גורם התעתוק להיקשר, ובכך להגביר את השעתוק.

מה יכול לקרות אם לתא יש יותר מדי גורם שעתוק מפעיל?

אם היה קיים יותר מדי של גורם שעתוק מפעיל, אז השעתוק היה מוגבר בתא. זה עלול להוביל לשינויים דרמטיים בתפקוד התא.

מדען מזהה אתר פוטנציאלי לוויסות שעתוק 300bp במורד גן ומשער שהוא מדכא. איזה ניסוי (עם תוצאות) הוא יכול לבצע כדי לתמוך בהשערה זו?

הדרך הקלה ביותר לבחון את ההשערה שלו תהיה לבצע מוטציה של האתר בתא, ולנטר רמות של תמליל ה-mRNA שנוצר מהגן. אם רמות התעתיק עולות בתא שעבר מוטציה, אז האתר דיכא את התמלול.

מילון מונחים


23.2: ויסות גנים: איקריוט - ביולוגיה

הגנום האנושי מקודד למעלה מ-20,000 גנים. כל אחד מ-23 זוגות הכרומוזומים האנושיים מקודד לאלפי גנים. ה-DNA בגרעין נפצע בדיוק, מקופל ונדחס לכרומוזומים כך שיתאים לגרעין. זה גם מאורגן כך שניתן לגשת למקטעים ספציפיים לפי הצורך על ידי סוג תא ספציפי.

הרמה הראשונה של הארגון, או האריזה, היא סלילה של גדילי DNA סביב חלבוני היסטון. היסטונים אורזים ומזמינים DNA ליחידות מבניות הנקראות קומפלקסים נוקלאוזומים, שיכולות לשלוט בגישה של חלבונים לאזורי ה-DNA (איור 1א). תחת מיקרוסקופ אלקטרונים, פיתול זה של DNA סביב חלבוני היסטון ליצירת נוקלאוזומים נראה כמו חרוזים קטנים על חוט (איור 1ב). חרוזים אלו (חלבוני היסטון) יכולים לנוע לאורך המיתר (DNA) ולשנות את מבנה המולקולה.

איור 1. DNA מקופל סביב חלבוני היסטון ליצירת (א) קומפלקסים של נוקלאוזומים. נוקלאוזומים אלה שולטים בנגישות החלבונים לדנ"א הבסיסי. במבט דרך מיקרוסקופ אלקטרונים (ב), הנוקלאוזומים נראים כמו חרוזים על חוט. (קרדיט "מיקרוגרף": שינוי עבודתו של כריס וודקוק)

אם יש לשעתוק DNA המקודד לגן ספציפי ל-RNA, הנוקלאוזומים המקיפים את האזור הזה של ה-DNA יכולים להחליק במורד ה-DNA כדי לפתוח את האזור הכרומוזומלי הספציפי הזה ולאפשר למנגנון התעתיק (RNA פולימראז) להתחיל את השעתוק (איור 2). נוקלאוזומים יכולים לנוע כדי לפתוח את מבנה הכרומוזומים כדי לחשוף קטע של DNA, אבל לעשות זאת בצורה מאוד מבוקרת.

שאלת תרגול

איור 2. נוקלאוזומים יכולים להחליק לאורך ה-DNA. כאשר נוקלאוזומים מרווחים זה בזה באופן הדוק (למעלה), גורמי שעתוק אינם יכולים להיקשר וביטוי גנים מושבת. כאשר הנוקלאוזומים מרוחקים זה מזה (בתחתית), ה-DNA נחשף. גורמי שעתוק יכולים להיקשר, ולאפשר ביטוי גנים להתרחש. שינויים בהיסטונים וב- DNA משפיעים על מרווח הנוקלאוזומים.

אצל נקבות, אחד משני כרומוזומי ה-X מושבת במהלך ההתפתחות העוברית בגלל שינויים אפיגנטיים בכרומטין. איזו השפעה לדעתך תהיה לשינויים הללו על אריזת הנוקלאוזומים?

מידת הקשר בין חלבוני ההיסטון ל-DNA מווסתת על ידי אותות שנמצאים הן על חלבוני ההיסטון והן על ה-DNA. אותות אלו הם קבוצות פונקציונליות שנוספו לחלבוני היסטון או ל-DNA וקובעות אם אזור כרומוזומלי צריך להיות פתוח או סגור (איור 3 מתאר שינויים בחלבוני היסטון וב-DNA). תגים אלה אינם קבועים, אך ניתן להוסיף או להסיר לפי הצורך.כמה קבוצות כימיות (פוספט, מתיל או אצטיל) מחוברות לחומצות אמינו ספציפיות בהיסטון “tails” בקצה ה-N של החלבון. קבוצות אלה אינן משנות את רצף בסיס ה-DNA, אך הן משנות את מידת הפצע הדוק של ה-DNA סביב חלבוני ההיסטון. DNA הוא מולקולה בעלת מטען שלילי והיסטונים ללא שינוי טעונים חיובית לכן, שינויים במטען של ההיסטון ישנו את מידת הפצעים הדוקים של מולקולת ה-DNA. על ידי הוספת שינויים כימיים כמו קבוצות אצטיל, המטען הופך לפחות חיובי, והקישור של ה-DNA להיסטונים נרגע. שינוי המיקום של נוקלאוזומים והאטימות של קישור ההיסטון פותח אזורים מסוימים של הכרומטין לתעתוק וסוגר אחרים.

ניתן לשנות את מולקולת ה-DNA עצמה גם על ידי מתילציה. מתילציה של DNA מתרחשת באזורים מאוד ספציפיים הנקראים איי CpG. אלו הן מתיחות בתדירות גבוהה של צמדי DNA של ציטוזין וגואנין דינוקלאוטיד (CG) שנמצאים באזורי הפרומוטור של הגנים. איבר הציטוזין של צמד ה-CG יכול להיות מתיל (מוסיפה קבוצת מתיל). גנים מתילטים בדרך כלל מושתקים, אם כי למתילציה עשויה להיות השפעות רגולטוריות אחרות. במקרים מסוימים, גנים המושתקים במהלך התפתחות הגמטות של אחד ההורים מועברים במצבם המושתק לצאצאים. אומרים שגנים כאלה מוטבעים. תזונת הורים או תנאים סביבתיים אחרים עשויים גם הם להשפיע על דפוסי המתילציה של גנים, אשר בתורו משנה את ביטוי הגנים. שינויים בארגון הכרומטין מתקשרים עם מתילציה של DNA. נראה כי מתיל-טרנספראזות DNA נמשכות לאזורי כרומטין עם שינויים היסטונים ספציפיים. מתילציה גבוהה (hypermethylated) אזורי DNA עם היסטונים דה-אצטיליים מפותלים בחוזקה ולא פעילים מבחינה תעתיק.

איור 3. חלבוני היסטון ונוקלאוטידים של DNA ניתנים לשינוי כימי. שינויים משפיעים על מרווח נוקלאוזום וביטוי גנים. (אשראי: שינוי העבודה על ידי NIH)

שינויים אפיגנטיים אינם קבועים, למרות שלעיתים קרובות הם נמשכים דרך סבבים מרובים של חלוקת תאים ואף עשויים לחצות קווי דורות. שיפוץ כרומטין משנה את המבנה הכרומוזומלי (פתוח או סגור) לפי הצורך. אם יש לתמלל גן, חלבוני ההיסטון וה-DNA באזור הכרומוזומלי המקודד לאותו גן משתנים באופן שפותח את אזור הפרומוטור כדי לאפשר ל-RNA פולימראז ולחלבונים אחרים, הנקראים גורמי שעתוק, להיקשר ולהתחיל שעתוק. אם גן יישאר כבוי, או מושתק, לחלבוני ההיסטון ול-DNA יש שינויים שונים המאותתים על תצורה כרומוזומלית סגורה. בתצורה סגורה זו, לגורמי ה-RNA פולימראז ולגורמי שעתוק אין גישה ל-DNA ולא יכול להתרחש שעתוק (איור 3).

צפה בסרטון זה המתאר כיצד ויסות אפיגנטי שולט בביטוי גנים.

לסיכום: ויסות גנים אפיגנטי אקריוטי

בתאים איקריוטים, השלב הראשון של בקרת ביטוי הגנים מתרחש ברמה האפיגנטית. מנגנונים אפיגנטיים שולטים בגישה לאזור הכרומוזומלי כדי לאפשר הפעלה או כיבוי של גנים. מנגנונים אלה שולטים כיצד הדנ"א נארז לתוך הגרעין על ידי ויסות עד כמה ה-DNA כרוך בחוזקה סביב חלבוני היסטון. הוספה או הסרה של שינויים כימיים (או דגלים) לחלבוני היסטון או אותות DNA לתא כדי לפתוח או לסגור אזור כרומוזומלי. לכן, תאים איקריוטיים יכולים לשלוט אם גן מבוטא על ידי שליטה בנגישות לגורמי שעתוק וקשירה של RNA פולימראז כדי להתחיל את השעתוק.


חיבור לאמנות

נוקלאוזומים יכולים להחליק לאורך ה-DNA. כאשר נוקלאוזומים מרווחים זה בזה באופן הדוק (למעלה), גורמי שעתוק אינם יכולים להיקשר וביטוי גנים מושבת. כאשר הנוקלאוזומים מרוחקים זה מזה (בתחתית), ה-DNA נחשף. גורמי שעתוק יכולים להיקשר, ולאפשר ביטוי גנים להתרחש. שינויים בהיסטונים וב- DNA משפיעים על מרווח הנוקלאוזומים.

אצל נקבות, אחד משני כרומוזומי ה-X מושבת במהלך ההתפתחות העוברית בגלל שינויים אפיגנטיים בכרומטין. איזו השפעה לדעתך תהיה לשינויים הללו על אריזת הנוקלאוזומים?

מידת הקשר בין חלבוני ההיסטון ל-DNA מווסתת על ידי אותות שנמצאים הן על חלבוני ההיסטון והן על ה-DNA. אותות אלו הם קבוצות פונקציונליות שנוספו לחלבוני היסטון או ל-DNA וקובעות אם אזור כרומוזומלי צריך להיות פתוח או סגור (איור מתאר שינויים בחלבוני היסטון וב-DNA). תגים אלה אינם קבועים, אך ניתן להוסיף או להסיר לפי הצורך. כמה קבוצות כימיות (קבוצות פוספט, מתיל או אצטיל) מחוברות לחומצות אמינו ספציפיות ב"זנבות" היסטונים בקצה ה-N של החלבון. קבוצות אלה אינן משנות את רצף בסיס ה-DNA, אך הן משנות את מידת הפצע הדוק של ה-DNA סביב חלבוני ההיסטון. DNA הוא מולקולה בעלת מטען שלילי והיסטונים ללא שינוי טעונים חיובית לכן, שינויים במטען של ההיסטון ישנו את מידת הפצעים הדוקים של מולקולת ה-DNA. על ידי הוספת שינויים כימיים כמו קבוצות אצטיל, המטען הופך לפחות חיובי, והקישור של ה-DNA להיסטונים נרגע. שינוי מיקום הנוקלאוזומים והאטימות של קשירת ההיסטון פותחת אזורים מסוימים של הכרומטין לתעתוק וסוגרת אחרים.

ניתן לשנות את מולקולת ה-DNA עצמה גם על ידי מתילציה. מתילציה של DNA מתרחשת באזורים מאוד ספציפיים הנקראים איי CpG. אלו הן מתיחות בתדירות גבוהה של צמדי DNA של ציטוזין וגואנין דינוקלאוטיד (CG) שנמצאים באזורי הפרומוטור של הגנים. איבר הציטוזין של צמד ה-CG יכול להיות מתילציה (מוסיפה קבוצת מתיל). גנים מתילטים בדרך כלל מושתקים, אם כי למתילציה עשויה להיות השפעות רגולטוריות אחרות. במקרים מסוימים, גנים המושתקים במהלך התפתחות הגמטות של אחד ההורים מועברים במצבם המושתק לצאצאים. אומרים שגנים כאלה מוטבעים. תזונת הורים או תנאים סביבתיים אחרים עשויים גם הם להשפיע על דפוסי המתילציה של גנים, אשר בתורו משנה את ביטוי הגנים. שינויים בארגון הכרומטין מתקשרים עם מתילציה של DNA. נראה כי מתיל-טרנספראזות DNA נמשכות לאזורי כרומטין עם שינויים היסטונים ספציפיים. מתילציה גבוהה (hypermethylated) אזורי DNA עם היסטונים דה-אצטיליים מפותלים בחוזקה ולא פעילים מבחינה תעתיק.

חלבוני היסטון ונוקלאוטידים של DNA ניתנים לשינוי כימי. שינויים משפיעים על מרווח נוקלאוזום וביטוי גנים. (אשראי: שינוי העבודה על ידי NIH)

שינויים אפיגנטיים אינם קבועים, למרות שלעיתים קרובות הם נמשכים דרך סבבים מרובים של חלוקת תאים ואף עשויים לחצות קווי דורות. שיפוץ כרומטין משנה את המבנה הכרומוזומלי (פתוח או סגור) לפי הצורך. אם יש לתמלל גן, חלבוני ההיסטון וה-DNA באזור הכרומוזומלי המקודד לאותו גן משתנים באופן שפותח את אזור הפרומטור כדי לאפשר RNA פולימראז וחלבונים אחרים, הנקראים גורמי תמלול, לאגד וליזום תמלול. אם גן יישאר כבוי, או מושתק, לחלבוני ההיסטון ול-DNA יש שינויים שונים המאותתים על תצורה כרומוזומלית סגורה. בתצורה סגורה זו, לגורמי ה-RNA פולימראז ולגורמי שעתוק אין גישה ל-DNA ולא יכול להתרחש שעתוק (איור).


23.2: ויסות גנים: איקריוט - ביולוגיה

בסוף פרק זה תוכל לבצע את הפעולות הבאות:

  • הסבר כיצד שיפוץ כרומטין שולט בגישה לתמלול
  • תאר כיצד הגישה ל-DNA נשלטת על ידי שינוי היסטון
  • תאר כיצד מתילציה של DNA קשורה לשינויים בגנים אפיגנטיים

ביטוי גנים אוקריוטי מורכב יותר מביטוי גנים פרוקריוטי מכיוון שתהליכי השעתוק והתרגום מופרדים פיזית. שלא כמו תאים פרוקריוטים, תאים אוקריוטים יכולים לווסת את ביטוי הגנים ברמות רבות ושונות. שינויים אפיגנטיים הם שינויים תורשתיים בביטוי הגנים שאינם נובעים משינויים ברצף ה-DNA. ביטוי גנים אוקריוטי מתחיל בשליטה על הגישה ל-DNA. ניתן לשלוט בגישה תעתיק ל-DNA בשתי דרכים כלליות: שיפוץ כרומטין ומתילציה של DNA. שיפוץ כרומטין משנה את האופן שבו DNA קשור להיסטונים כרומוזומליים. מתילציה של DNA קשורה לשינויים התפתחותיים ולהשתקת גנים.

בקרה אפיגנטית: ויסות גישה לגנים בתוך הכרומוזום

הגנום האנושי מקודד למעלה מ-20,000 גנים, עם מאות עד אלפי גנים בכל אחד מ-23 הכרומוזומים האנושיים. ה-DNA בגרעין נפצע בדיוק, מקופל ונדחס לכרומוזומים כך שיתאים לגרעין. זה גם מאורגן כך שניתן לגשת למקטעים ספציפיים לפי הצורך על ידי סוג תא ספציפי.

הרמה הראשונה של הארגון, או האריזה, היא סלילה של גדילי DNA סביב חלבוני היסטון. היסטונים אורזים ומזמינים DNA ליחידות מבניות הנקראות קומפלקסים נוקלאוזומים, שיכולות לשלוט בגישה של חלבונים לאזורי ה-DNA ((איור)א). תחת מיקרוסקופ אלקטרונים, פיתול זה של DNA סביב חלבוני היסטון ליצירת נוקלאוזומים נראה כמו חרוזים קטנים על חוט ((איור)ב).

איור 1. DNA מקופל סביב חלבוני היסטון כדי ליצור (א) קומפלקסים של נוקלאוזומים. נוקלאוזומים אלה שולטים בנגישות החלבונים לדנ"א הבסיסי. במבט דרך מיקרוסקופ אלקטרונים (ב), הנוקלאוזומים נראים כמו חרוזים על חוט. (קרדיט "מיקרוגרף": שינוי עבודתו של כריס וודקוק)

חרוזים אלה (חלבוני היסטון) יכולים לנוע לאורך המיתר (DNA) כדי לחשוף חלקים שונים של המולקולה. אם יש לשעתוק DNA המקודד לגן מסוים ל-RNA, הנוקלאוזומים המקיפים את האזור הזה של ה-DNA יכולים להחליק במורד ה-DNA כדי לפתוח את האזור הכרומוזומלי הספציפי הזה ולאפשר למנגנון התעתיק (RNA פולימראז) ליזום שעתוק ((איור)).

חיבור לאמנות

איור 2. נוקלאוזומים יכולים להחליק לאורך ה-DNA. כאשר נוקלאוזומים מרווחים זה בזה באופן הדוק (למעלה), גורמי שעתוק אינם יכולים להיקשר וביטוי גנים מושבת. כאשר הנוקלאוזומים מרוחקים זה מזה (בתחתית), ה-DNA נחשף. גורמי שעתוק יכולים להיקשר, ולאפשר ביטוי גנים להתרחש. שינויים בהיסטונים וב- DNA משפיעים על מרווח הנוקלאוזומים.

אצל נקבות, אחד משני כרומוזומי ה-X מושבת במהלך ההתפתחות העוברית בגלל שינויים אפיגנטיים בכרומטין. איזו השפעה לדעתך תהיה לשינויים הללו על אריזת הנוקלאוזומים?

הנוקלאוזומים יתארכו בצורה הדוקה יותר יחד.

מידת הקשר בין חלבוני ההיסטון ל-DNA מווסתת על ידי אותות שנמצאים הן על חלבוני ההיסטון והן על ה-DNA. אותות אלו הם קבוצות פונקציונליות שנוספו לחלבוני היסטון או ל-DNA וקובעות אם אזור כרומוזומלי צריך להיות פתוח או סגור ((איור) מתאר שינויים בחלבוני היסטון וב-DNA). תגים אלה אינם קבועים, אך ניתן להוסיף או להסיר לפי הצורך. כמה קבוצות כימיות (פוספט, מתיל או אצטיל) מחוברות לחומצות אמינו ספציפיות בהיסטון “tails” בקצה ה-N של החלבון. קבוצות אלו אינן משנות את רצף בסיס ה-DNA, אך הן משנות את מידת הפצע הדוק של ה-DNA סביב חלבוני ההיסטון. DNA הוא מולקולה בעלת מטען שלילי והיסטונים ללא שינוי טעונים חיובית לכן, שינויים במטען של ההיסטון ישנו את מידת הפצעים הדוקים של מולקולת ה-DNA. על ידי הוספת שינויים כימיים כמו קבוצות אצטיל, המטען הופך לפחות חיובי, והקישור של ה-DNA להיסטונים נרגע. שינוי המיקום של נוקלאוזומים והאטימות של קישור ההיסטון פותח אזורים מסוימים של הכרומטין לתעתוק וסוגר אחרים.

ניתן לשנות את מולקולת ה-DNA עצמה גם על ידי מתילציה. מתילציה של DNA מתרחשת באזורים מאוד ספציפיים הנקראים איי CpG. אלו הן מתיחות בתדירות גבוהה של צמדי DNA של ציטוזין וגואנין דינוקלאוטיד (CG) שנמצאים באזורי הפרומוטור של הגנים. איבר הציטוזין של צמד ה-CG יכול להיות מתיל (מוסיפה קבוצת מתיל). גנים מתילטים בדרך כלל מושתקים, אם כי למתילציה עשויה להיות השפעות רגולטוריות אחרות. במקרים מסוימים, גנים המושתקים במהלך התפתחות הגמטות של אחד ההורים מועברים במצבם המושתק לצאצאים. אומרים שגנים כאלה מוטבעים. תזונת הורים או תנאים סביבתיים אחרים עשויים גם הם להשפיע על דפוסי המתילציה של גנים, אשר בתורו משנה את ביטוי הגנים. שינויים בארגון הכרומטין מתקשרים עם מתילציה של DNA. נראה כי מתיל-טרנספראזות DNA נמשכות לאזורי כרומטין עם שינויים היסטונים ספציפיים. מתילציה גבוהה (hypermethylated) אזורי DNA עם היסטונים דה-אצטיליים מפותלים בחוזקה ולא פעילים מבחינה תעתיק.

איור 3. חלבוני היסטון ונוקלאוטידים של DNA ניתנים לשינוי כימי. שינויים משפיעים על מרווח נוקלאוזום וביטוי גנים. (אשראי: שינוי העבודה על ידי NIH)

שינויים אפיגנטיים אינם קבועים, למרות שלעיתים קרובות הם נמשכים דרך סבבים מרובים של חלוקת תאים ואף עשויים לחצות קווי דורות. שיפוץ כרומטין משנה את המבנה הכרומוזומלי (פתוח או סגור) לפי הצורך. אם יש לתמלל גן, חלבוני ההיסטון וה-DNA באזור הכרומוזומלי המקודד לאותו גן משתנים באופן שפותח את אזור הפרומוטור כדי לאפשר ל-RNA פולימראז ולחלבונים אחרים, הנקראים גורמי שעתוק, להיקשר ולהתחיל שיעתוק. אם גן יישאר כבוי, או מושתק, לחלבוני ההיסטון ול-DNA יש שינויים שונים המאותתים על תצורה כרומוזומלית סגורה. בתצורה סגורה זו, לגורמי ה-RNA פולימראז ולגורמי שעתוק אין גישה ל-DNA ולא יכול להתרחש שעתוק ((איור)).

קישור ללמידה

צפה בסרטון זה המתאר כיצד ויסות אפיגנטי שולט בביטוי גנים.

סיכום מדור

בתאים איקריוטים, השלב הראשון של בקרת ביטוי הגנים מתרחש ברמה האפיגנטית. מנגנונים אפיגנטיים שולטים בגישה לאזור הכרומוזומלי כדי לאפשר הפעלה או כיבוי של גנים. שיפוץ כרומטין שולט כיצד הדנ"א נארז לתוך הגרעין על ידי ויסות עד כמה ה-DNA כרוך בחוזקה סביב חלבוני היסטון. ה-DNA עצמו עשוי לעבור מתילציה כדי להשתיק באופן סלקטיבי גנים. הוספה או הסרה של שינויים כימיים (או דגלים) לחלבוני היסטון או ל-DNA מאותתת לתא לפתוח או לסגור אזור כרומוזומלי. לכן, תאים איקריוטיים יכולים לשלוט אם גן מבוטא על ידי שליטה בנגישות לקשירה של RNA פולימראז וגורמי התעתוק שלו.

חיבורי אמנות

(איור) אצל נקבות, אחד משני כרומוזומי ה-X מושבת במהלך ההתפתחות העוברית בגלל שינויים אפיגנטיים בכרומטין. איזו השפעה לדעתך תהיה לשינויים הללו על אריזת הנוקלאוזומים?


חיבור אבולוציה

תאים פרוקריוטים יכולים לווסת את ביטוי הגנים רק על ידי שליטה בכמות השעתוק. ככל שהתפתחו תאים איקריוטיים, המורכבות של השליטה בביטוי הגנים גדלה. לדוגמה, עם האבולוציה של תאים אוקריוטים הגיעה מידור של רכיבים תאיים ותהליכים תאיים חשובים. נוצר אזור גרעיני המכיל את ה-DNA. תעתיק ותרגום הופרדו פיזית לשני תאים סלולריים שונים. לכן ניתן היה לשלוט בביטוי הגנים על ידי ויסות שעתוק בגרעין, וגם על ידי שליטה ברמות ה-RNA ותרגום החלבון הנמצאים מחוץ לגרעין.

רוב ויסות הגנים נעשה כדי לשמור על משאבי התא. עם זאת, תהליכים רגולטוריים אחרים עשויים להיות הגנתיים. תהליכים תאיים כגון שפותחו כדי להגן על התא מפני זיהומים ויראליים או טפילים. אם התא היה יכול לכבות במהירות את ביטוי הגנים לפרק זמן קצר, הוא יוכל לשרוד זיהום כאשר אורגניזמים אחרים לא יוכלו. לכן, האורגניזם פיתח תהליך חדש שעזר לו לשרוד, והוא הצליח להעביר את ההתפתחות החדשה הזו לצאצאים.


ויסות גנטי בפרוקריוטים ואיקריוטים

במאמר זה נדון ב:- 1. המערכות הניתנות להשראת ולדיכוי 2. בקרת תעתיק ותרגולת 3. ויסות של E.coli טריפטופן אופרון 4. ויסות של תעתיק באוקריוטים 5. מקדמים ומשפרים 6. מפעילי תעתיק 7. ויסות על ידי שחבור אלטרנטיבי של תעתיק RNA 8. ויסות ברמת התרגום 9. בקרה אפיגנטית של ויסות גנטי.

המערכות הניתנות להשראה והדחיקה:

במערכת הניתנת להשראה כאשר אינו מעורר, המדכא נקשר למפעיל וחוסם אותו. RNA פולימראז אינו יכול לנוע לאורך ה-DNA כך שכמויות קטנות מאוד של mRNA, אם בכלל, מסונתזות על ידי הגנים המבניים.

אבל כאשר הלקטוז קיים במדיום כגורם גורם לשררה, האופרון מושרה לסנתז כמויות גדולות של האנזימים הנדרשים בהובלה ובקטבוליזם של הלקטוז. במקרה זה האופרון מתפקד מכיוון שהמדכא נקשר למולקולת המשרה, המפעיל הופך חופשי, וגנים מבניים מסנתזים mRNA.

ה-lac operon מספק דוגמה אחת למערכת הניתנת לשרירה שבה קיומו של החומר התזונתי במדיום גורם לסינתזה של כמויות גדולות של אנזימים הדרושים לקטבוליזם של אותו חומר תזונתי. מערכות כאלה פועלות לפיכך בפירוק של מצעים אקסוגניים בתהליכים קטבוליים.

במערכות ניתנות לדיכוי האופרון שולט בסינתזה של חלבונים או אנזימים הדרושים לתגובות אנבוליות. אופרון כזה ממשיך לתפקד כרגיל עד שיש עודף של המוצרים.

כאשר התוצר הסופי נמצא בעודף הוא מתפקד כמטבוליט מדכא הנקרא Co-repressor. במערכת זו המדכא אינו פעיל בפני עצמו. אבל כאשר ה-co-repressor נקשר ל-co-repressor כדי ליצור קומפלקס מדכא-co-repressor אשר נצמד למפעיל, הגנים המבניים אינם יכולים לתמלל mRNA (איור 16.3).

במערכת הניתנת לדיכוי האופרון נשלט לרעה. בנוסף לאופרון ההיסטידין שתואר כבר, האופרון הטריפטופן ב-E. coli מתפקד גם כאופרון שניתן להדחיק. כאשר יש ריכוזים תקינים של טריפטופן בתא, האופרון מתפקד או מדוכא. אבל כאשר טריפטופן נמצא בעודף, הוא פועל כמדכא שותף ונקשר למדכא הלא פעיל.

הקומפלקס נצמד למפעיל ומונע סינתזת mRNA על ידי גנים מבניים. ככל שריכוז הטריפטופן יורד, הוא גורם למולקולות המדכאות להישאר חופשיות, המפעיל הופך ללא קשור, והגנים המבניים מתעתקים mRNA. כך האופרון שוב הופך מדוכא.

בקרת תעתיק ותרגום:

אופרון הלקטוז מדגים ששליטה בתעתיק כרוכה באינטראקציה של חלבונים מווסתים עם רצפי DNA ספציפיים, וזה ישים באופן נרחב גם לאאוקריוטים. רצפים רגולטוריים כמו האופרטור נקראים רכיבי בקרה הפועלים ב-cis מכיוון שהם מביאים לביטוי של גנים מקושרים בלבד על אותה מולקולת DNA.

לעומת זאת, חלבונים מדכאים נקראים גורמים טרנס-פועלים מכיוון שהם יכולים להשפיע על הביטוי של גנים הממוקמים על כרומוזומים אחרים בתוך התא. יתר על כן, האופרון lac נחשב כדוגמה לבקרה שלילית של ביטוי גנים מכיוון שהקישור של המדכא מעכב את השעתוק. עם זאת, ישנן דוגמאות אחרות שבהן גורמים הפועלים בטרנס הם מפעילים (שליטה חיובית) של שעתוק.

שליטה חיובית בשעתוק הוכחה ב-E. coli באמצעות מחקרים על השפעת הגלוקוז על ביטוי גנים המקודדים לאנזימים המובילים לפירוק (קטבוליזם) של סוכרים אחרים, כגון לקטוז. לקטוז מספק מקור חלופי לפחמן ואנרגיה.

כל עוד גלוקוז זמין, הוא מנוצל בצורה מועדפת, וכתוצאה מכך אנזימים המעורבים בקטבוליזם של מקורות אנרגיה חלופיים אינם באים לידי ביטוי. כלומר, אם E. coli גדלים על מדיום המספק גם גלוקוז וגם לקטוז, ה-lac operon אינו מושרה, ורק גלוקוז משמש על ידי תאים של E.coli. לפיכך, גלוקוז מדכא את lac-operon אפילו בנוכחות הגורם הנורמלי, לקטוז.

דיכוי על ידי גלוקוז, הנקרא גם דיכוי קטבוליטים מתווכת למעשה על ידי מערכת בקרה חיובית אשר נקבעת על ידי רמות של AMP מחזורי. (cAMP) (איור 16.4). בחיידקים cAMP מיוצר מ-ATP על ידי האנזים adenylyl cyclase. ההמרה של ATP ל-cAMP מווסתת בצורה כזו שרמות ה-cAMP עולות כאשר רמות הגלוקוז יורדות. AMP מחזורי נקשר לאחר מכן לחלבון מווסת תעתיק הנקרא חלבון פעיל קטבוליטי (CAP).

הקישור של cAMP ל-CAP מגרה את הקישור של CAP לרצפי ה-DNA הספציפיים שלו. באופרון lac רצף ה-DNA הספציפי הזה ממוקם כ-60 בסיסים במעלה הזרם של אתר תחילת השעתוק. לאחר מכן, CAP מקיים אינטראקציה עם תת-יחידת האלפא של RNA פולימראז, וזה מקל על הקישור של פולימראז למקדם והפעלת שעתוק.

רגולציה של E.coli טריפטופן אופרון:

גנים של חומצת האמינו טריפטופן (גנים trp) נחשבים כגנים ניתנים לדיכוי שבהם נוכחות המטבוליט (trp) בסביבה מכבה את הביטוי של הגנים המבניים שלו. טריפטופן פועל כמדחיק שותף. ויסות האופרון trp מתרחש בשתי דרכים.

בראשון, הביטוי של חמשת הגנים המבניים E, D, C, B ו-A המקודדים לאנזימים המעורבים בסינתזה של טריפטופן, נשלט על ידי גן רגולטורי ספציפי. הגן הרגולטורי מקודד לחלבון ספציפי הנקרא מדכא. המדכא כשלעצמו אינו פעיל, אך כאשר הוא הופך מורכב עם טריפטופן (קו-מדכא) הוא מופעל.

קומפלקס המדכא-שותף-מדכא המופעל מונע לאזור ספציפי של ה-DNA, המפעיל ממוקם בסמוך לגנים המבניים המווסתים. זה חוסם את התנועה של RNA פולימראז לעבר גנים מבניים.

הגנים המבניים, אזורי המפעיל והפרומוטור מהווים יחד את האופרון. לפיכך, כאשר טריפטופן קיים בסביבה, המדכא יוצר קומפלקס עם טריפטופן, ואז נקשר לאופרטור ומונע שעתוק של הגנים המבניים.

להיפך, כאשר טריפטופן חסר בסביבה, המדכא נשאר חופשי ולא פעיל, אינו נקשר לאופרטור, וכתוצאה מכך שעתוק של גנים מבניים וסינתזה של טריפטופן. זה מכונה מערכת בקרה שלילית מכיוון שהמדכא שהוא תוצר של הגן הרגולטורי פועל לביטול שעתוק של גנים מבניים (איור 16.5).

המנגנון השני הנקרא הנחתה, מסדיר את הביטוי של גנים מבניים טריפטופן על ידי שליטה ביכולת של RNA פולימראז להמשיך להתארך על פני רצף נוקלאוטידים ספציפי. מנגנון זה פועל כאשר רמות גבוהות של טריפטופן זמינות. יש הנחתה של ויסות על ידי רצף שמסיים את השעתוק בטרם עת.

הרצף או אזור ההחלשה הזה ממוקם 162 נוקלאוטידים במורד הזרם של אתר תחילת השעתוק, כלומר הגן המבני הראשון. שעתוק מסתיים באזור זה אם טריפטופן זמין, לפני ש-RNA פולימראז מגיע לגן המבני הראשון. במילים אחרות, הנחתה מתרחשת אם ה-tRNA הספציפי עם אמינו-אציל זמין. אם לא, השעתוק ממשיך, ומייצר mRNA trp פונקציונלי.

התמלול מתחיל באזור המקדם ומייצר את מה שמכונה תמליל המנהיג. ה-Lead RNA מכיל אות התחלה ועצירה לסינתזת חלבון. מכיוון שלפרוקריוטים אין קרום גרעיני, שעתוק ותרגום יכולים להתרחש בו זמנית, בניגוד לאאוקריוטים שבהם יש הפרדה מרחבית של שעתוק (בגרעין) ותרגום (בציטופלזמה).

לכן, בזמן שה-Lead RNA מסונתז, הריבוזומים מתחילים בתרגום בקצה 5′. כתוצאה מכך נוצרת שרשרת פפטיד קצרה בזמן שפולימראז ה-RNA מתעתק את אזור המנהיג. אם טריפטופן-tRNA זמין, סינתזה של שרשרת הפפטידים תימשך, עד שהריבוזום יגיע לאות העצירה הקיים ב-leader RNA.

עם זאת, אם אין מספיק טריפטוף an -tRNA, ה-Leader RNA לא יתורגם לפפטיד, והריבוזום ייעצר בקודוני הטריפטופן ב-leader RNA, מבלי להגיע לאות העצירה.

מלבד רצפי העצירה וההתחלה, ה-Leader RNA מכיל 4 אזורים שיש להם רצפים משלימים המאפשרים יצירת מבני גזע ולולאה על ידי זיווג בסיסים.

אזור 1 יכול ליצור זוגות בסיסים עם אזור 2 אזור 2 יכול ליצור זוגות בסיסים משני הצדדים או עם אזור 1 או עם אזור 3 אזור 3 יכול ליצור גם זוגות בסיסים עם אזור 2 או עם אזור 4 אזור 4 יכול להתחבר רק עם אזור 3. לכן, 3 מבני גזע/לולאה אפשריים יכולים להיווצר בתעתיק ה-RNA (איור 16.6).

כאשר אזור 3 בסיס זוגות עם אזור 4, הוא מייצר אות להנחתה, כלומר, סיום מוקדם של שעתוק. עם זאת, יש לציין שאם כבר נוצר גזע/לולאה באזור שלפני אזור 3, אז אזור 3 לא יהיה זמין לזוג בסיסי עם אזור 4.

נקודה חשובה נוספת שיש לשים לב אליה היא שאם הריבוזום מתורגם באזור 2, אז אזור 2 לא יהיה זמין עבור זיווג בסיסים עם אזור 1 או עם אזור 3. במצב זה אזור 3 יהיה חופשי לזוג בסיסי עם אזור 4.

זיווג בסיס רק בין אזורים 3 ו-4 ליצירת אותות גזע/לולאה RNA פולימראז להפסקת שעתוק. זה מרמז שכאשר כמות מספקת של טריפטופן-tRNA זמינה כדי לתרגם את ה-Leader RNA, הוא יפסיק את השעתוק (החלשה) בטרם עת, וגנים מבניים לא יועתקו, לעומת זאת, אם טריפטופן-tRNA חסר או לא מספיק כדי לתרגם את המנהיג. RNA, לא תהיה הנחתה.

במקרה כזה הריבוזום יעצור בשני קודוני trp באזור 1, ובכך ישאיר אזור 2 זמין לזוג בסיסים עם אזור 3. כלומר אזור 3 לא יהיה זמין לזוג בסיסים עם אזור 4, שזו דרישה חיונית לאיתות RNA פולימראז להפסקת שעתוק. בהיעדר הנחתה אז גנים מבניים יועתקו (איור 16.7).

ויסות של תעתיק באוקריוטים:

השליטה בביטוי של גנים אוקריוטים מורכבת יותר מאשר בפרוקריוטים, והיא בעיקר ברמת התחלת השעתוק. באופן כללי, שעתוק בתאים אאוקריוטיים נשלט על ידי חלבונים הנקשרים לרצפים רגולטוריים ספציפיים ומווסתים את הפעילות של RNA פולימראז.

בסוגי התאים הרבים והשונים של אורגניזמים איקריוטיים רב-תאיים, ויסות ביטוי הגנים מתבצע על ידי פעולות משולבות של חלבונים מווסתים מרובים שונים, על ידי מתילציה של DNA ואריזה של DNA לכרומטין.

יזמים ומשפרים:

בחיידקים, השעתוק מווסת על ידי קישור של חלבונים לרצפים הפועלים ב-cis, כמו ב-lac operon, השולטים על שעתוק גנים סמוכים (z, y, a). רצפים דומים הפועלים ב-cis מווסתים את הביטוי של גנים אוקריוטיים. השיטה לזיהוי רצפים אלו מבוססת על שימוש במבחני העברת גנים שבאמצעותם חוקרים את הפעילות של אזורים מווסתים כביכול של גנים משובטים (איור 16.8).

הרצף הרגולטורי מקושר לגן מדווח המקודד לאנזים שניתן לזהות בקלות. גן הכתב מועבר לתאים מתורבתים (טרנספקציה). הביטוי של גן הכתב מצביע על פעילות ביולוגית של הרצף הרגולטורי ומספק בדיקה רגישה ליכולת של רצפי הוויסות המשובטים לכוון שעתוק.

שני מרכיבי המקדם הליבה, תיבת TATA ורצף Inr בגנים המתועתקים על ידי RNA פולימראז II משמשים כאתרי קישור ספציפיים לגורמי שעתוק. Inr הוא רצף היוזם המשתרע על אתר תחילת השעתוק במקדמים של גנים רבים המתועתקים על ידי RNA פולימראז II.

רצפים אחרים הפועלים ב-cis מתפקדים כאתרי קישור למגוון גורמים רגולטוריים השולטים בביטוי של גנים בודדים. רצפים רגולטוריים אלה הפועלים ב-cis ממוקמים בדרך כלל במעלה הזרם של תיבת TATA. מעניין לציין ששני רצפים רגולטוריים שנמצאים בדרך כלל בגן איקריוטי נמצאו בפרוטור של הגן לנגיף הרפס סימפלקס המקודד ל-thymidine kinase.

שני הרצפים הללו ממוקמים כ-100 זוגות בסיסים במעלה הזרם של תיבת ה-TATA, ורצפי הקונצנזוס שלהם הם CCAAT ו-GGCGG (נקרא תיבת GC). הוכח שהקשירה של חלבונים ספציפיים לרצפים אלה מתחילה שעתוק.

בניגוד לקופסאות CCAAT ו-GC במקדם התימידין קינאז של וירוס הרפס סימפלקס, הרצפים הרגולטוריים של מספר גנים של יונקים ממוקמים רחוק יותר, עד 10 קילו-בסיסים, מאתר תחילת השעתוק. רצפים אלו נקראים משפרים ותוארו לראשונה בווירוס SV40. בדומה למקדמים, משפרים מתפקדים על ידי קשירת גורמי שעתוק הפועלים על ידי ויסות RNA פולימראז.

גורמי שעתוק הקשורים למשפרים מרוחקים מתפקדים באותם מנגנונים כמו אלה הקשורים בסמוך לפרומטורים, כלומר, הרצפים הרגולטוריים הפועלים ב-cis. הקישור של חלבוני וויסות שעתוק ספציפיים למשפרים אחראית לבקרת ביטוי גנים במהלך התפתחות, התמיינות ובתגובה של תאים להורמונים וגורמי גדילה.

מפעילי תמלול:

בין גורמי השעתוק הנחקרים ביותר הם מפעילי התעתוק, הנקשרים לרצפי DNA מווסתים ומעוררים שעתוק. מפעילי שעתוק מורכבים משני תחומים, אזור אחד נקשר ל-DNA כדי לעגן את הגורם לאתר המתאים ב-DNA והשני מפעיל את השעתוק על ידי אינטראקציה עם מרכיבים אחרים של מערכת התעתיק.

מחקרים מפורטים גילו שתחומים קושרים ל-DNA של רבים מהחלבונים הללו קשורים זה לזה. תחומי אצבע האבץ מכילים חזרות של שיירי ציסטאין והיסטידין הקושרים יוני אבץ ומתקפלים ללולאות דמויות אצבע הקושרות DNA. גורמי שעתוק של קולטני הורמון הסטרואידים מכילים תחומי אצבע אבץ.

הקולטנים להורמון הסטרואידים מווסתים את שעתוק הגנים בתגובה להורמונים אסטרוגן וטסטוסטרון. תחומי ההפעלה של גורמי שעתוק אינם מאופיינים היטב כמו תחומי הקישור ל-DNA שלהם.

ויסות על ידי שחבור אלטרנטיבי של תמליל RNA:

ניתן לחבר את התעתיק הראשי של גנים מסוימים בדרכים חלופיות כדי להניב מוצרים שונים. גם כאשר משתמשים באותו מקדם כדי לתמלל גן, סוגי תאים שונים יכולים לייצר כמויות שונות של חלבון, או אפילו חלבון שונה. זה יכול לנבוע מהבדלים ב-mRNA המיוצר או מעיבוד של mRNA. ניתן להשיג זאת כאשר אותו תמליל מסוג תא אחד מחולק באופן שונה מהתמליל בסוג אחר של תא.

האקסונים המקודדים לחלבון עשויים להיות זהים בסוגי התאים השונים, אך דפוס השחבור של התמליל עשוי להיות שונה. במקרה זה החלבון זהה, אך קצב הסינתזה שונה, מכיוון שמולקולות ה-mRNA אינן מתורגמות באותה יעילות.

במקרים אחרים, לחלק המקודד לחלבונים של התמליל יש דפוס שחבור שונה בכל סוג תא, וכתוצאה מכך מולקולות ה-mRNA ייצרו מקודדות לחלבונים שאינם זהים למרות שהם חולקים אקסונים מסוימים.

תעתיקים של הגנום האנושי מחולקים לעתים קרובות בדרכים חלופיות. בשל כך, כ-30,000 הגנים האנושיים עשויים לקודד 64,000 עד 96,000 חלבונים שונים. עיבוד RNA חלופי נחשב לאחד המקורות העיקריים למורכבות גנטית אנושית. לדוגמה, הגן של קולטן אינסולין אנושי עובר שחבור אלטרנטיבי שגורם להכללה או אי הכללה של אקסון מספר11 ב-mRNA (איור 16.9).

הצורות המתקבלות של שרשרת הפוליפפטיד נבדלות באורכן של 12 חומצות אמינו. בתאי כבד, כל 20 האקסונים נמצאים ב-mRNA עבור הצורה הארוכה של החלבון הקולטן (איור 16.9, חלק א'), ואילו בשרירי השלד אקסון 11 מסולק יחד עם האינטרונים האגפים ומודר מה-mRNA עבור הקצר. טופס (איור 16.9, חלק ב').

הצורה הארוכה של הקולטן מראה זיקה נמוכה לאינסולין ומתבטאת ברקמות כמו הכבד הנחשפות לריכוז גבוה יחסית של אינסולין. הצורה הקצרה של החלבון היא בעלת זיקה גבוהה לאינסולין ומתבטאת בעיקר ברקמות כמו שריר השלד הנחשפות בדרך כלל לרמות נמוכות יותר של אינסולין.

לפיכך, שחבור חלופי מספק מנגנון ליצירת חלבונים בעלי תכונות שונות מאותו גן. הגן Dscam של Drosophila יכול להוליד כ-38016 חלבונים שונים על ידי שחבור חלופי. המספר האמיתי של חלבונים מסונתזים אינו ידוע. הגנום האנושי המכיל 30,000 עד 40,000 גנים מייצר חלבונים שונים שמספרם גדול פי כמה, על ידי שחבור חלופי.

בניגוד לגנים של תסיסנית ותולעים תחתונות, גנים אנושיים מופצים על פני אזור גדול של הגנום, ותעתיקי ה-mRNA העיקריים ארוכים מאוד. שחבור חלופי של רוב הגנים האנושיים מוביל למספר מוצרי חלבון. מאמינים כי כשליש מכל הגנים האנושיים עוברים שחבור חלופי.

בין גנים שחוברים לחלופין, המספר הממוצע של רכיבי mRNA מובחנים המופקים מהתעתיק הראשוני נע בין 2 ל-7. המספר הממוצע של mRNA שונים לכל גן על פני הגנום הוא בטווח של 2 עד 3, הכולל גנים המייצרים א mRNA בודד וכן כאלה שמייצרים מספר רב של mRNA שונים. לפיכך שחבור חלופי מגדיל מאוד את מספר מוצרי החלבון שניתן לקודד ממספר קטן יחסית של גנים.

רגולציה ברמת התרגום:

בתאים איקריוטים, שעתוק ותרגום מתנתקים בתהליך של ביטוי גנים. זה מאפשר ויסות ברמת התרגום ללא תלות בתמלול.

הסוגים העיקריים של בקרה תרגום הם: חוסר יכולת של מולקולת mRNA להיות מתורגמת בתנאים מסוימים ויסות של הקצב הכולל של עיכוב סינתזת חלבון או הפעלה של תרגום על ידי RNAs רגולטורי קטנים שעוברים זיווג בסיסי עם הפעלת mRNA של ציטופלזמה שלא תורגמה בעבר. mRNAs.

במקרה של בקרה תרגום על ידי RNA רגולטורי קטן, בדרך כלל ה-RNA הרגולטורי משלימים ברצף לחלק מה-mRNA שעל התרגום שלו הם שולטים. רצף RNA המשלים ל-mRNA נקרא RNA אנטי-סנס. ה-RNA המסדירים את האנטי-חוש פועלים על ידי זיווג עם ה-mRNA. זה יכול להפעיל או לעכב תרגום. RNA רגולטורי קטן יכול גם לווסת את התרגום.

בקרה אפיגנטית של ויסות גנטי:

תופעות אפיגנטיות הן מצבים אלטרנטיביים של פעילות גנים שהם תורשתיים, אך אינם פועלים לפי כללי תורשה מנדלים, אינם מוסברים על ידי מוטציה, שינויים ברצף הגנים או ויסות התפתחותי תקין. הם שינויים הנגרמים בביטוי הגנים על ידי שינויים כימיים תורשתיים ב-DNA.

הקידומת epi פירושה “חוץ מזה” או “בנוסף ל”. לכן, אפיגנטי מתייחס לשינויים תורשתיים בביטוי גנים שאינם קשורים לשינויים ברצף ה-DNA, אלא עם משהו “בנוסף לרצף ה-DNA, בדרך כלל שינוי כימי של בסיסי ה-DNA או חלבונים הקשורים ל-DNA.

כעת ברור כי תופעות אפיגנטיות רבות מתרחשות בעיקר באמצעות שינויים במבנה הכרומטין. באופן כללי, מתילציה של DNA קשורה לכיבוי ביטוי גנים. עם זאת, לחלק מהאורגניזמים שמפגינים בבירור השפעות אפיגנטיות, למשל תסיסנית, אין מתילציה של DNA. שינויים של היסטונים וחלבונים כרומוזומליים שאינם ביישן היסטונים היו מעורבים גם באפיגנטיקה.


משפרים ותעתיק

בגנים אוקריוטיים מסוימים, ישנם אזורים שעוזרים להגביר או לשפר את השעתוק. אזורים אלה, הנקראים משפרים, אינם בהכרח קרובים לגנים שהם משפרים. הם יכולים להיות ממוקמים במעלה הזרם של גן, בתוך האזור המקודד של הגן, במורד הזרם של גן, או עשויים להיות במרחק אלפי נוקלאוטידים.

אזורי Enhancer הם רצפים מחייבים, או אתרים, עבור גורמי שעתוק. כאשר חלבון מכופף DNA נקשר, צורת ה-DNA משתנה ([קישור]). שינוי צורה זה מאפשר את האינטראקציה של המפעילים הקשורים למשפרים עם גורמי השעתוק הקשורים לאזור הפרומוטור ולפולימראז ה-RNA. בעוד ש-DNA מתואר בדרך כלל כקו ישר בשני מימדים, זהו למעשה עצם תלת מימדי. לכן, רצף נוקלאוטידים במרחק אלפי נוקלאוטידים יכול להתקפל ולקיים אינטראקציה עם מקדם ספציפי.


בקרה על ויסות גנים אוקריוטיים

ויסות גנים אוקריוטיים: בקרה גנומית

גנים המקודדים לשרשראות הכבדות של הנוגדנים האנושיים נוצרים על ידי סידורי DNA המעורבים סוגים מרובים של מקטעי V, D ו-J.
בתחילה, ה-DNA של תאי החיסון מסודר כמערכי טנדם של אזורי V, D ו-J
כריתת DNA מסירה באופן אקראי מספר מקטעי D ו-J כדי למקם רצפי D ו-J בודדים זה לצד זה.
כריתה אקראית שנייה מסירה כמה מקטעי V ו-D כדי לחבר מקטע V לאחרים כדי ליצור מקטע VDJ.
לאחר השעתוק, הרצפים המפרידים בין קטע VDJ לקטע C מוסרים על ידי שחבור RNA.

ויסות גנים אוקריוטיים: בקרת תעתיק

בגן איקריוטי טיפוסי המקודד חלבון, ה-mRNA משועתק על ידי RNA פולימראז II.
מקדם הליבה מאופיין ברצף יוזם המקיף את נקודת ההתחלה של התעתיק ורצף הנקרא TATA box הממוקם כ-25 bp במעלה הזרם (לצד 5 ראשי) של נקודת ההתחלה.
מקדם הליבה הוא המקום שבו גורמי השעתוק הכלליים ופולימראז ה-RNA מתאספים לתחילת השעתוק.
בתוך כ-100 נוקלאוטידים במעלה הזרם ממקדם הליבה נמצאים כמה אלמנטים בקרה פרוקסימליים, הממריצים שעתוק של הגן על ידי אינטראקציה עם גורמי שעתוק רגולטוריים.
המספר, הזהות והמיקום של האלמנטים הפרוקסימליים משתנים מגן לגן.
יחידת השעתוק כוללת אזור 5 פריים לא מתורגם (מנהיג) ואזור 3 ראשים לא מתורגם (טריילר) אשר מתומללים ונכללים ב-mRNA אך אינם תורמים מידע על רצף עבור תוצר החלבון.
אזורים לא מתורגמים אלה עשויים להכיל רצפי בקרת ביטוי.
בתמליל הראשוני, בסוף האקסון האחרון נמצא אתר המכוון את המחשוף של ה-RNA ותוספת poly(A).

מאפיינים של משפרים

מודל לפעולה משפרת
במודל זה, משפר הממוקם במרחק גדול לאורך ה-DNA מהגן המקודד לחלבון שהוא מווסת, מוקרב אל מקדם הליבה על ידי לולאה של ה-DNA.
ההשפעה של משפר על הפרומוטור מתווכת על ידי גורמי שעתוק רגולטוריים הנקראים אקטיבטורים.
1) החלבונים המפעילים נקשרים ליסודות המשפרים, ויוצרים הנגנוזום.
2) כיפוף של ה-DNA מקרב את ה-Enhananceosome אל מקדם הליבה.
גורם התעתיק הכללי TFIID נמצא בקרבת המקדם. לצורך איור זה, שתיים מתת-יחידות החלבון של TFIID, אשר יתפקדו כקו-פעילים בשלב 3, מובדלות משאר הגורם.
3) המפעילים הקשורים ל-DNA מקיימים אינטראקציה עם coactivators ספציפיים שהם חלק מ-TFIID. אינטראקציה זו מקלה על המיקום הנכון של TFIID על המקדם.
4) שאר גורמי השעתוק הכלליים ו-RNA פולימראז מצטרפים לקומפלקס, והשעתוק מתחיל.

הגן של החלבון אלבומין, כמו גנים אחרים, קשור למערך של רכיבי DNA רגולטוריים כאן אנו מציגים רק שני אלמנטים בקרה, כמו גם את מקדם הליבה.
תאים מכל הרקמות מכילים RNA פולימראז ואת גורמי השעתוק הכלליים, אך קבוצת גורמי התעתוק הרגולטוריים הזמינים משתנה בהתאם לסוג התא.
תאי כבד מכילים קבוצה של גורמי שעתוק רגולטוריים הכוללים את הגורמים לזיהוי כל מרכיבי הבקרה של גן האלבומין.
כאשר גורמים אלו נקשרים ל-DNA, הם מקלים על שעתוק גן האלבומין ברמה גבוהה.
לתאי מוח, לעומת זאת, יש קבוצה שונה של גורמי שעתוק רגולטוריים, שאינה כוללת את כל אלה של גן האלבומין. כתוצאה מכך, בתאי מוח, קומפלקס השעתוק יכול להרכיב בפרוטור, אך לא ביעילות רבה.
התוצאה היא שתאי מוח מתעתקים את גן האלבומין רק ברמה נמוכה.

מספר מוטיבים מבניים נמצאים בדרך כלל בתחומים מחייבי DNA של גורמי שעתוק רגולטוריים.
החלקים של תחומים אלה המקיימים אינטראקציה ישירה עם רצפי DNA ספציפיים הם בדרך כלל סלילי אלפא (או סלילי זיהוי) אשר מתאימים לחריץ הראשי של ה-DNA.
מוטיב הסליל-סיבוב-סליל מכיל שני סלילי אלפא המחוברים בסיבוב גמיש קצר.
מוטיב אצבע האבץ מורכב מסליל אלפא ומשני מקטעים, גיליון ביתא אנטי מקביל, כולם מוחזקים יחד על ידי אינטראקציה של ארבעה שיירי ציסטאין (או שני שיירי ציסטאין ושני שיירי היסטידין) עם אטום אבץ.
חלבוני אצבע אבץ מכילים בדרך כלל מספר אצבעות אבץ.
מוטיב רוכסן לאוצין מכיל סליל אלפא בעל סידור קבוע של שאריות לאוצין המקיים אינטראקציה עם אזור דומה בפוליפפטיד שני כדי להתפתל זה סביב זה.
מוטיב ה-helix-loop-helix מכיל סליל קצר המחובר לסליל ארוך יותר באמצעות לולאת פוליפפטיד אינטראקציה עם אזור דומה בפוליפפטיד אחר כדי ליצור דימר.
ההומיאודומיין הוא תחום קושר DNA המכיל הליקס-סיבוב-סליל המכיל שלושה סלילי אלפא המקודדים על ידי homeobox של 180 זוג בסיסים.
ההומיאודומיין נמצא במקור בגנים הומיאוטים שהם חשובים מאוד בהתפתחות.
הגנים ההומאודומיין Hox שולטים בהתפתחות ראש אל זנב בבעלי חיים מזבובים ועד יונקים.

רצפי תגובת ה-DNA הקושרים גורמי שעתוק מורכבים לרוב מאלמנטים חוזרים הפוכים.
קריאת הרצף של אלמנט התגובה הגלוקוקורטיקואיד בכיוון 5 prime עד 3 prime משני קצוות מניב את אותו רצף DNA (5 prime-AGAACA -3 prime).
אלמנט הורמון בלוטת התריס מכיל את אותם רצפים חוזרים הפוכים כמו אלמנט האסטרוגן אך שלושת הבסיסים המפרידים בין שני העותקים של הרצף ביסוד האסטרוגן נעדרים.

הקולטנים לגלוקוקורטיקואידים מפעילים שעתוק גנים.
קורטיזול, הורמון סטרואידים הידרופובי, יכול להתפזר דרך קרום פלזמה ואז להיקשר לקולטן הגלוקוקורטיקואיד התוך תאי.
קשירת הסטרואידים גורמת לשחרור חלבון מעכב ומפעילה את אתר הקישור של מולקולת ה-DNA של מולקולת הגלוקוקורטיקואידים.
לאחר מכן, מולקולת הקולטן לגלוקוקורטיקואידים נכנסת לגרעין ונקשרת לאלמנט תגובה גלוקוקורטיקואיד ב-DNA שגורם למולקולת קולטן שנייה לגלוקוקורטיקואידים להיקשר לאותו אלמנט תגובה.
דימר קולטן הגלוקוקורטיקואידים שנוצר מפעיל את השעתוק של גן המטרה.

ה-cAMP response element binding protein (CREB) שולט בביטוי הגנים כאשר רמות cAMP עולות.
לגנים המופעלים על ידי AMP מחזורי יש אלמנט תגובה מחזורי AMP במעלה הזרם (CRE) הקושר גורם שעתוק הנקרא חלבון CREB.
בנוכחות AMP מחזורי, חלבון קינאז A ציטופלזמי מופעל ותת-היחידה הקטליטית המופעלת שלו עוברת לגרעין, שם היא מזרזת זרחון של חלבון CREB, ובכך מעוררת את תחום ההפעלה שלו.

ויסות גנים אוקריוטיים: בקרת תרגום

תרגום של פריטין מופעל בנוכחות ברזל.
תרגום מעוכב על ידי קשירה של החלבון הקושר ל-IRE למבנה סיכת ראש של אלמנט תגובה לברזל (IRE) ברצף המנהיגים הבלתי מתורגם 5 ראשיים של mRNA של פריטין.
כאשר ברזל נקשר לחלבון קושר IRE, הוא מתעוות למבנה שאינו מזהה את IRE.
כאשר ברזל זמין, ריבוזומים יכולים להרכיב על ה-mRNA ולהמשיך לתרגם פריטין.
סיכת השיער אינה מפריעה לפעילות הריבוזום.

פירוק ה-mRNA של קולטן הטרנספרין (נדרש לקליטת ברזל) מווסת גם על ידי החלבון האלוסטרי הקושר IRE.
ל-mRNA לקולטן טרנספרין יש IRE באזור ה-3 הבלתי מתורגם הראשי שלו.
כאשר [ברזל] תוך תאי נמוך, החלבון הקושר ל-IRE נשאר קשור ל-IRE אשר 1) מגן על ה-mRNA מפני פירוק ו-2) מאפשר לסנתז יותר חלבון קולטן טרנספרין.
כאשר התוך תאי [ברזל] גבוה, הברזל נקשר לחלבון הקושר IRE, הוא משחרר את ה-IRE וה-mRNA יכול להתפרק.


81 ויסות גנים אפיגנטי אוקריוטי

בסוף פרק זה תוכל לבצע את הפעולות הבאות:

  • הסבר כיצד שיפוץ כרומטין שולט בגישה לתמלול
  • תאר כיצד הגישה ל-DNA נשלטת על ידי שינוי היסטון
  • תאר כיצד מתילציה של DNA קשורה לשינויים בגנים אפיגנטיים

ביטוי גנים אוקריוטי מורכב יותר מביטוי גנים פרוקריוטי מכיוון שתהליכי השעתוק והתרגום מופרדים פיזית. שלא כמו תאים פרוקריוטים, תאים אוקריוטים יכולים לווסת את ביטוי הגנים ברמות רבות ושונות. שינויים אפיגנטיים הם שינויים תורשתיים בביטוי הגנים שאינם נובעים משינויים ברצף ה-DNA. ביטוי גנים אוקריוטי מתחיל בשליטה על הגישה ל-DNA. ניתן לשלוט בגישה תעתיק ל-DNA בשתי דרכים כלליות: שיפוץ כרומטין ומתילציה של DNA. שיפוץ כרומטין משנה את האופן שבו DNA קשור להיסטונים כרומוזומליים. מתילציה של DNA קשורה לשינויים התפתחותיים ולהשתקת גנים.

בקרה אפיגנטית: ויסות גישה לגנים בתוך הכרומוזום

הגנום האנושי מקודד למעלה מ-20,000 גנים, עם מאות עד אלפי גנים בכל אחד מ-23 הכרומוזומים האנושיים. ה-DNA בגרעין נפצע בדיוק, מקופל ונדחס לכרומוזומים כך שיתאים לגרעין. זה גם מאורגן כך שניתן לגשת למקטעים ספציפיים לפי הצורך על ידי סוג תא ספציפי.

הרמה הראשונה של הארגון, או האריזה, היא סלילה של גדילי DNA סביב חלבוני היסטון. היסטונים אורזים ומזמינים DNA ליחידות מבניות הנקראות קומפלקסים נוקלאוזומים, שיכולות לשלוט בגישה של חלבונים לאזורי ה-DNA ((איור)א). תחת מיקרוסקופ אלקטרונים, פיתול זה של DNA סביב חלבוני היסטון ליצירת נוקלאוזומים נראה כמו חרוזים קטנים על חוט ((איור)ב).


חרוזים אלה (חלבוני היסטון) יכולים לנוע לאורך המיתר (DNA) כדי לחשוף חלקים שונים של המולקולה. אם יש לשעתוק DNA המקודד לגן מסוים ל-RNA, הנוקלאוזומים המקיפים את האזור הזה של ה-DNA יכולים להחליק במורד ה-DNA כדי לפתוח את האזור הכרומוזומלי הספציפי הזה ולאפשר למנגנון התעתיק (RNA פולימראז) ליזום שעתוק ((איור)).


אצל נקבות, אחד משני כרומוזומי ה-X מושבת במהלך ההתפתחות העוברית בגלל שינויים אפיגנטיים בכרומטין. איזו השפעה לדעתך תהיה לשינויים הללו על אריזת הנוקלאוזומים?

<!– <link window=”new” target-id=”fig-ch16_03_02″ document=””/> הנוקלאוזומים ייארזו בצורה הדוקה יותר יחד. – & gt

מידת הקשר בין חלבוני ההיסטון ל-DNA מווסתת על ידי אותות שנמצאים הן על חלבוני ההיסטון והן על ה-DNA. אותות אלו הם קבוצות פונקציונליות שנוספו לחלבוני היסטון או ל-DNA וקובעות אם אזור כרומוזומלי צריך להיות פתוח או סגור ((איור) מתאר שינויים בחלבוני היסטון וב-DNA). תגים אלה אינם קבועים, אך ניתן להוסיף או להסיר לפי הצורך. כמה קבוצות כימיות (פוספט, מתיל או אצטיל) מחוברות לחומצות אמינו ספציפיות בהיסטון “tails” בקצה ה-N של החלבון. קבוצות אלו אינן משנות את רצף בסיס ה-DNA, אך הן משנות את מידת הפצע הדוק של ה-DNA סביב חלבוני ההיסטון. DNA הוא מולקולה בעלת מטען שלילי והיסטונים ללא שינוי טעונים חיובית לכן, שינויים במטען של ההיסטון ישנו את מידת הפצעים הדוקים של מולקולת ה-DNA. על ידי הוספת שינויים כימיים כמו קבוצות אצטיל, המטען הופך לפחות חיובי, והקישור של ה-DNA להיסטונים נרגע. שינוי המיקום של נוקלאוזומים והאטימות של קישור ההיסטון פותח אזורים מסוימים של הכרומטין לתעתוק וסוגר אחרים.

ניתן לשנות את מולקולת ה-DNA עצמה גם על ידי מתילציה. מתילציה של DNA מתרחשת באזורים מאוד ספציפיים הנקראים איי CpG. אלו הן מתיחות בתדירות גבוהה של צמדי DNA של ציטוזין וגואנין דינוקלאוטיד (CG) שנמצאים באזורי הפרומוטור של הגנים. איבר הציטוזין של צמד ה-CG יכול להיות מתיל (מוסיפה קבוצת מתיל). גנים מתילטים בדרך כלל מושתקים, אם כי למתילציה עשויה להיות השפעות רגולטוריות אחרות. במקרים מסוימים, גנים המושתקים במהלך התפתחות הגמטות של אחד ההורים מועברים במצבם המושתק לצאצאים. אומרים שגנים כאלה מוטבעים. תזונת הורים או תנאים סביבתיים אחרים עשויים גם הם להשפיע על דפוסי המתילציה של גנים, אשר בתורו משנה את ביטוי הגנים. שינויים בארגון הכרומטין מתקשרים עם מתילציה של DNA. נראה כי מתיל-טרנספראזות DNA נמשכות לאזורי כרומטין עם שינויים היסטונים ספציפיים. מתילציה גבוהה (hypermethylated) אזורי DNA עם היסטונים דה-אצטיליים מפותלים בחוזקה ולא פעילים מבחינה תעתיק.


שינויים אפיגנטיים אינם קבועים, למרות שלעיתים קרובות הם נמשכים דרך סבבים מרובים של חלוקת תאים ואף עשויים לחצות קווי דורות. שיפוץ כרומטין משנה את המבנה הכרומוזומלי (פתוח או סגור) לפי הצורך. אם יש לתמלל גן, חלבוני ההיסטון וה-DNA באזור הכרומוזומלי המקודד לאותו גן משתנים באופן שפותח את אזור הפרומוטור כדי לאפשר ל-RNA פולימראז ולחלבונים אחרים, הנקראים גורמי שעתוק, להיקשר ולהתחיל שעתוק. אם גן יישאר כבוי, או מושתק, לחלבוני ההיסטון ול-DNA יש שינויים שונים המאותתים על תצורה כרומוזומלית סגורה. בתצורה סגורה זו, לגורמי ה-RNA פולימראז ולגורמי שעתוק אין גישה ל-DNA ולא יכול להתרחש שעתוק ((איור)).

צפה בסרטון זה המתאר כיצד ויסות אפיגנטי שולט בביטוי גנים.

סיכום מדור

בתאים איקריוטים, השלב הראשון של בקרת ביטוי הגנים מתרחש ברמה האפיגנטית. מנגנונים אפיגנטיים שולטים בגישה לאזור הכרומוזומלי כדי לאפשר הפעלה או כיבוי של גנים. שיפוץ כרומטין שולט כיצד הדנ"א נארז לתוך הגרעין על ידי ויסות עד כמה ה-DNA כרוך בחוזקה סביב חלבוני היסטון. ה-DNA עצמו עשוי לעבור מתילציה כדי להשתיק באופן סלקטיבי גנים. הוספה או הסרה של שינויים כימיים (או דגלים) לחלבוני היסטון או ל-DNA מאותתת לתא לפתוח או לסגור אזור כרומוזומלי. לכן, תאים איקריוטיים יכולים לשלוט אם גן מבוטא על ידי שליטה בנגישות לקשירה של RNA פולימראז וגורמי התעתוק שלו.

שאלות בנושא חיבור חזותי

(איור) אצל נקבות, אחד משני כרומוזומי ה-X מושבת במהלך ההתפתחות העוברית בגלל שינויים אפיגנטיים בכרומטין. איזו השפעה לדעתך תהיה לשינויים הללו על אריזת הנוקלאוזומים?

(איור) הנוקלאוזומים ייארזו בצורה הדוקה יותר יחד.

סקור שאלות

מהם שינויים אפיגנטיים?

  1. תוספת של שינויים הפיכים לחלבוני היסטון ול-DNA
  2. הסרת נוקלאוזומים מה-DNA
  3. הוספת נוקלאוזומים נוספים ל-DNA
  4. מוטציה של רצף ה-DNA

אילו מהבאים נכונים לגבי שינויים אפיגנטיים?

  1. מאפשרים לתמלל DNA
  2. להזיז היסטונים כדי לפתוח או לסגור אזור כרומוזומלי
  3. הם זמניים
  4. כל מה שרשום לעיל

שאלות חשיבה ביקורתית

בתאים סרטניים, שינוי בשינויים אפיגנטיים מכבה גנים שבאים לידי ביטוי בדרך כלל. באופן היפותטי, איך יכולת להפוך את התהליך הזה כדי להפעיל מחדש את הגנים האלה?

אתה יכול ליצור תרופות שהופכות את התהליכים האפיגנטיים (כדי להוסיף סימני אצטילציה של היסטון או להסרת מתילציה של DNA) וליצור תצורה כרומוזומלית פתוחה.

מחקר מדעי הוכיח שהתנהגות אימהות של חולדות משפיעה על תגובת הלחץ אצל הגורים שלהם. חולדות שנולדו וגדלו עם אמהות קשובות הראו הפעלה נמוכה של גנים בתגובת לחץ בשלב מאוחר יותר בחיים, בעוד שלחולדות עם אמהות לא קשובות הייתה הפעלה גבוהה של גנים לתגובת לחץ באותו מצב. מחקר נוסף שהחליף את הגורים בלידה (כלומר, חולדות שנולדו לאמהות לא קשובות גדלו עם אמהות קשובות ולהיפך) הראה את אותה השפעה חיובית של אימהות קשובה. כיצד גנטיקה ו/או אפיגנטיקה מסבירות את תוצאות המחקר הזה?

החלפת הגורים בלידה מצביעה על כך שהגנים שהועברו מהאמהות הקשובות או הלא קשובות אינם מסבירים את תגובות הלחץ של החולדות בשלב מאוחר יותר בחיים. במקום זאת, חוקרים מצאו כי האימהות הקשובה גרמה למתילציה של גנים השולטים בביטוי של קולטני לחץ במוח. לפיכך, חולדות שקיבלו טיפול אימהי קשוב הראו שינויים אפיגנטיים שהגבילו את הביטוי של גנים לתגובת לחץ, ושההשפעה הייתה עמידה לאורך חייהן.

כמה מחלות אוטואימוניות מראות מתאם חיובי עם ירידה דרמטית בביטוי של היסטון דאצטילאז 9 (HDAC9, אנזים שמסיר קבוצות אצטיל מהיסטונים). מדוע הביטוי המופחת של HDAC9 יגרום לתאי מערכת החיסון לייצר גנים דלקתיים בזמנים לא מתאימים?

אצטילציה של היסטון מפחיתה את המטען החיובי של חלבוני ההיסטון, ומשחררת את ה-DNA העוטף את ההיסטונים. ה-DNA הרופף יותר הזה יכול לקיים אינטראקציה עם גורמי שעתוק כדי לבטא גנים שנמצאים באזור זה. בדרך כלל, ברגע שכבר אין צורך בגן, אנזימי היסטון דאצטילאז מסירים את קבוצות האצטיל מהיסטונים כך שה-DNA הופך להיות פצוע בחוזקה ובלתי נגיש שוב. עם זאת, כאשר יש פגם ב-HDAC9, ייתכן שהדה-אצטילציה לא תתרחש. בתא חיסוני, זה אומר שגנים דלקתיים שהפכו נגישים במהלך זיהום אינם מסובבים היטב סביב ההיסטונים.


צפו בסרטון: בקרה על ביטוי גנים. ביוטכנולוגיה לכיתות יא,יב (אוֹקְטוֹבֶּר 2022).