Geeniregulatsioon: sissejuhatus

Geeniregulatsioon

• Geen on DNA lõik, mis määrab ühe RNA molekuli sünteesi.
• Bakteritel on genoomis kuni 6000 geeni, eukarüootidel kuni 50 000 geeni.
• Geeni avaldumine on RNA süntees geeni pealt ehk geeniekspressioon.
• Ligikaudu 10% geenidest on korraga aktiivsed, ülejäänud 90% on inaktiivsed.
• DNA on pärilikkuse kandja; RNA abil avalduvad tunnused.

Geenide avaldumise tüübid

• On neli geenide gruppi vastavalt avaldumisele:
  • Geenid, mis avalduvad kõikides organismi rakkudes üheaegselt.
  • Geenid, mis avalduvad ainult kindla koe rakkudes.
  • Geenid, mis avalduvad vaid rakkude elutegevuse kindlas etapis.
  • Geenid, mis ei avaldu kunagi.

Geeniregulatsiooni mehhanismid eukarüootidel

• Regulatsioon toimub neljal tasemel:
  • Transkriptsiooni tasemel.
  • Transkriptsioonijärgne regulatsioon.
  • Regulatsioon kromosoomide kaudu.
  • Geenide koopiaarvude kaudu.

Regulatsioon transkriptsiooni tasemel

• Geeniregulatsioon on peamiselt kontrollitud valk-DNA interaktsioonidega.
• Geeniregulatsiooni mõjutavad nii positiivsed kui ka negatiivsed regulaatorvalgud.

Steroidhormoonid

• Steroidhormoonide hulka kuuluvad östrogeen, testosteroon ja glükokortikoidid.
• Steroidhormoonid läbivad rakumembraani kergesti.
• Rakku sisenedes seostuvad hormoonid hormoonretseptor valkudega, moodustades kompleksi.
• Hormoon-retseptori kompleks transporditakse tuuma, kus see seostub DNA-ga.
• Kompleks käitub transkriptsioonifaktorina ning selle olemasolu võimaldab transkriptsiooni alguse.

Transkriptsioonijärgne geeniregulatsioon

• Toimub kolmel viisil:
  • RNA alternatiivne splaissing.
  • RNA posttranskriptsiooniline modifikatsioon.
  • Väikeste mittekodeerivate RNA-de abil.

RNA alternatiivne splaissing

• Intronite väljalõikamine.
• Kui geenis on mitu intronit, saab neid eemaldada erinevatel viisidel (eraldi, koos või koos eksonitega).
• Selle tulemusel tekivad erinevad mRNA-d, millest kodeeritakse erinevad polüpeptiidid (aktiivsed või mitteaktiivsed).
• Need polüpeptiidid võivad reguleerida järgmiste geenide avaldumist.

RNA alternatiivne splaissing näide

• Äädikakärbse sugu määravad geenid.
• Suguletaalne geen (Sxl) splaissitakse emastel nii, et tekib aktiivne vorm, mis aktiveerib järgmiste geenide avaldumise.
• Isastel sisaldab transkript stoppkoodonit, mille tulemusena tekib mittefunktsionaalne valk ja geenid ei avaldu.
• Geenide avaldumine määrab emassoo avaldumise, nende puudumine isassoo avaldumise.

RNA posttranskriptsiooniline modifikatsioon

• Mõjutab peamiselt RNA molekuli eluiga.
• Lühiealised mRNA-d võivad tekkida ainult organismi arengu teatud etapis.
• Pikaealised mRNA-d toimivad polüpeptiidi sünteesil korduvalt.
• mRNA eluiga mõjutavad 5' ja 3' otsade kaitsmine ja ebastabiilsust soodustavad järjestused.

Interferents-RNA-d

• RNA interferentsiprotsessi üldnimetus on RNAi
• Siia kuuluvad siRNA ja miRNA.
• siRNA ja miRNA on 21-28 nukleotiidi pikkused kaheahelalised RNA jupid.
• Need leiavad mRNA-s komplementaarse piirkonna, hülgavad teise ahela ja seostuvad mRNA-ga, vaigistades geene.
• Vastavat RNA partiklit nimetatakse RNA-indutseeritud vaigistavaks kompleksiks (RISC).
• Sarnaselt saavad geene vaigistada ka teatud valgud.

Kromosoomide organiseeritus ja geeniekspressioon

• DNA seondumine histoonide ja teiste valkudega võib pärssida geenide aktiivsust kromosoomides.
• Kromosoomide kondensatsiooniaste mõjutab geeni avaldumist sõltuvalt rakutsükli staadiumist ja kromosoomi piirkonnast.
• Geenide transkriptsiooniks on vajalik avatud kromatiin, mida reguleeritakse histoonide muundamisega.

DNA metüleerimine

• Epigeneetilised muutused ei muuda DNA-d, kuid muudavad raku funktsioneerimist.
• Imetaja genoomis on ligikaudu 3 miljardit aluspaari, millest 40–65% on G:C-aluspaarid, millest 2–7% on modifitseeritud.
• Metüleerimisel lisatakse tsütosiinile metüülgrupp (–CH3), moodustades 5-metüültsütosiini.
• Metüülitud DNA pidurdab geeniekspressiooni.

Kromosoomide vaigistamine

• DNA metüleerimise näide on terve X-kromosoomi vaigistamine.
• XX kromosoomistiku puhul inaktiveeritakse peaaegu terve üks X-kromosoom (Barri kehake).
• Naistel ja meestel peab olema võrdne geenidoos, kuna meestel on ainult üks X-kromosoom.

Geenimälu

• Geenide avaldumist kontrollitakse geeni "mälu" abil, mis määrab, kas geen on pärit emalt või isalt ja milline oli selle eelnev seisund.
• Geenid kannavad epigeneetilisi markereid (spermides on ühesugused markerid, munarakkudes teised).
• Info pärandub järglastele.
• Imetajatel on kirjeldatud üle 20 emas- või isasspetsiifilise mälugeeni.

Geenide koopiaarvud

• DNA-s võib olla sama geeni mitu koopiat, et tagada geeni avaldumine.
• Elutähtsate valke kodeerivate geenide puhul on koopiaarvud kõrged, sest neid on vaja palju ja pidevalt.
• Kannuskonna genoomis on 24 000 5S rRNA-geeni.