Základy moderní biologie – Přednáška 7.
Tomáš Doležal
7. Regulace genové exprese, diferenciace buněk a epigenetika Aby mohl mnohobuněčný organismus efektivně fungovat, je třeba, aby se jednotlivé buňky specializovaly na určité funkce. Nový jedinec přitom vzniká z jedné, nespecializované buňky, ze které dělením a rozrůzňováním buněk vzniká mnohobuněčný organismus, tvořený navzájem spolupracujícími, specializovanými buňkami. Tudíž embryonální vývoj je především procesem růstu a rozrůzňování buněk a tkání pro určité specializace, které budou vykonávat v dospělém organismu. Zatímco u jednobuněčných organismů spíše hovoříme o přizpůsobování se aktuálním podmínkám, o skutečné diferenciaci - rozrůzňování buněk hovoříme až u mnohobuněčných organismů. Je třeba si uvědomit, že všechny buňky mnohobuněčného organismu mají stejný genom (platí ve většině případů, ale existují určité speciální výjimky), jejich DNA je totožná. To, že svalová buňka vypadá a chová se jinak, než buňka nervová, tedy není dáno přestavbou genetické informace, ale pouze změnou v aktivitě jednotlivých genů. Je spousta genů, které svalová buňka, narozdíl od buňky nervové, pro své fungování nepotřebuje a proto je vypíná, zatímco jiné si udržuje aktivní. Existuje pochopitelně sada genů, které jsou aktivní ve všech buňkách, protože jsou naprosto esenciální pro fungování jakékoliv buňky - to jsou tzv. housekeeping geny, které udržují funkce esenciální pro život buňky. Aktivita ostatní genetické informace je regulována podle potřeby, podle specializace buňky.
Regulace genové exprese Regulace aktivity jednotlivých genů se děje na různých úrovních centrálního dogmatu - při přepisu DNA do RNA (regulace na úrovni transkripce) a z RNA do proteinu (regulace na úrovni RNA, na úrovni translace i na úrovni samotného proteinu). Nejdůležitější je úroveň transkrice, protože ta rozhoduje o tom, jestli vůbec bude daný gen přepsán do mRNA a tudíž může postoupit do dalších úrovní. Zatímco pro samotný protein je důležitá především kódující sekvence genu (ve které je zakódována sekvence proteinu), o tom, zda protein bude vznikat nebo ne, rozhoduje regulační sekvence genu:
Na regulační sekvenci se vážou tzv. transkripční faktory (jsou to též proteiny), které rozeznávají určitou konkrétní sekvenci (neváží se tedy k regulační sekvenci jakéhokoliv genu) a po navázání mohou aktivovat nebo naopak bránit přepisu kódující sekvence do RNA (mohou fungovat jako aktivátory nebo represory transkripce).
Základy moderní biologie – Přednáška 7.
Tomáš Doležal
Regulační sekvence mohou být někdy velmi rozsáhlé (stovky i tisíce nukleotidů) a mohou vázat mnoho různých transkripčních faktorů, jejichž kombinace nakonec rozhoduje o tom, jestli k přepisu do RNA bude nebo nebude docházet a také jak moc (více RNA zpravidla znamená, že gen je aktivnější a vznikne ve finále více proteinu). Vzdálené regulační sekvence jednoho genu se dostanou blízko k sobě a blízko ke startu přepisu do RNA tím, že se DNA ohne do jakýchsi smyček, ve kterých se jednotlivé transkripční faktory k sobě váží a vytváří dohromady komplex, který rozhoduje o přepisu do RNA.
I když se gen přepíše do RNA, může stále ještě dojít k dalším regulacím, které mohou rozhodovat, jestli a případně jaký protein ve finále vznikne. Víme, že kódující sekvence genů (hlavně u komplexnějších organismů) je většinou přerušena introny, které jsou procesem sestřihu RNA vyštěpeny a vzniká mRNA. Zde je možnost ovlivnit podobu výsledného proteinu, protože některé geny mají možnost poskládat různé kombinace exonů, kdy záleží na tom, které exony jsou při tzv. alternativním sestřihu zachovány v mRNA. Je tak možné se zbavit nebo naopak začlenit celé domény do výsledného proteinu a ovlivnit tak jeho výslednou podobu a fungování. Například je možné začlenit nebo naopak přeskočit (tím, že bude vystřižen jako intron) zelený exon na obrázku:
Zejména tímto procesem je dosaženo mnohem většího počtu proteinů u člověka oproti octomilce, ač rozdíl v počtu genových lokusů takovou bohatost zdaleka nenaznačuje (velké překvapení po přečtení genetické informace člověka). I po správném sestříhání RNA je ještě možné zabránit translaci této mRNA do proteinu. Sestříhaná mRNA není totiž pouze kódující sekvenci, ale je o něco delší, má ještě před a za kódující sekvencí tzv. netranslatované oblasti (5'UTR a 3'UTR - UnTranslated Region). K oblasti 3'UTR se může na základě komplementarity vázat krátká RNA (21 nukleotidů), která vzniká z tzv. microRNA (miRNA). Pokud existuje v buňce ve stejný čas mRNA a k ní komplementární miRNA, dojde k degradaci této mRNA a tím zabránění v přepisu do proteinu. Exprese určité miRNA tak představuje další možnost regulace aktivity genů, která se v posledních letech ukazuje být velmi důležitou. Pokud dojde k translaci a vytvoření proteinu, je možné nakonec regulovat i samotnou aktivitu proteinu - ne všechny proteiny jsou aktivní okamžitě po svém vytvoření, nebo ne neustále, je mnoho procesů, které mohou protein aktivovat, inaktivovat nebo nechat degradovat. Jedná se například o vazbu kofaktorů, nebo přidání fosfátové skupiny (tzv. fosforylace proteinu pomocí kináz) a mnoho dalších mechanismů.
Základy moderní biologie – Přednáška 7.
Tomáš Doležal
Shrnutí možností, kde je možné v centrálním dogmatu regulovat expresi genu:
Modifikace DNA a chromatinu, epigenetické mechanismy Rozhodnutí o tom, jestli se podle nějakého genu v DNA bude tvořit RNA (tedy jestli dojde k transkripci) je nejdůležitějším krokem v regulaci exprese genů. Tato regulace přímo závisí na okamžitém stavu jádra, na přítomnosti transkripčních faktorů, které regulují iniciaci transkripce. Ovšem i samotná DNA může být modifikována tak, že ovlivní transkripci. Například metylace (přidání -CH3 skupiny) cytosinů v regulační sekvenci potlačuje transkripci. Geny, jejichž regulační sekvence jsou metylovány, jsou umlčeny:
Řetězce DNA nejsou v jádře uloženy jen tak volně, ale jsou pečlivě poskládány za pomoci proteinů histonů do chromatinové struktury, která může být více rozvolněná a tak snáze přístupná transkripčním faktorům, nebo naopak více sbalená v místech, kde jsou geny neaktivní. Stav chromatinu tak představuje další způsob regulace aktivity genů.
Základy moderní biologie – Přednáška 7.
Tomáš Doležal
Modifikace histonových proteinů pomocí metylace a acetylace ovlivňují rozvolněnost chromatinu a tak aktivitu genů v daném místě. Přidání metylové skupiny a odebrání acetylové charakterizuje více sbalený chromatin s potlačenou aktivitou genů, zatímco acetylace chromatin rozvolňuje a umožní tak geny aktivovat. Modifikace regulačních oblastí DNA a chromatinu jsou součástí tzv. epigenetických mechanismů. Ty ovlivňují realizaci genetické informace nad rámec samotné sekvence DNA. Sekvence regulačních oblastí rozhodují o tom, kdy a kde se budou dané geny aktivovat. Jsou to sekvence DNA, které se dědí a které mohou být mutacemi modifikovány a tak se mohou vyvíjet. Všechny buňky mnohobuněčného organismu mají stejnou DNA, takže mají od začátku předurčenu aktivitu svých genů. Nicméně epigenetické mechanismy mohou toto předurčení sekvencemi DNA ovlivnit, může dojít k metylaci regulační sekvence a tak i když je v jádře přítomný transkripční faktor, který by normálně aktivoval daný gen, tak k aktivaci nedochází, nebo může být daný gen uzamknut ve sbaleném chromatinu (který je metylován a zbaven acetylace), takže se k němu transkripční faktory nedostanou. Metylace DNA a stav chromatinu jsou úzce provázány. Modifikace DNA metylací a stav chromatinu je navíc děditelný. Například po replikaci DNA se nový řetězec v místě, kde je starý nametylován, nově nametyluje (k metylaci cytosinu dochází ve dvojici nukleotidů CG, tudíž je zajištěno, že naproti nametylovanému cytosinu bude v novém řetězci také cytosin - posunut o jednu bázi - a tudíž enzym snadno rozezná, kde má dojít k metylaci).
Základy moderní biologie – Přednáška 7.
Tomáš Doležal
Z toho vyplývá, že dceřinné buňky si dokážou zapamatovat, které geny byly aktivní a které neaktivní v buňce mateřské. Epigenetické mechanismy jsou tak důležité pro tzv. buněčnou paměť.
SHRNUTÍ - "take home message" Diferenciace buněk – stejný genom, změna v aktivitě genů Změna aktivity genů je regulována na různých úrovních centrálního dogmatu, z nichž nejdůležitější je úroveň přepisu z DNA do RNA (transkripce) Existují mechanismy dlouhodobějšího zapamatování si dané regulace: - buňka si pamatuje, který gen má být aktivní a tuto informaci může předat svým potomkům = buněčná paměť, buněčný osud - jedná se o tzv. epigenetické mechanismy, kterými se zabývá epigenetika Epigenetika studuje změny v genové expresi (a tedy obvykle i ve fenotypu), které nejsou způsobeny změnou nukleotidové sekvence DNA a tudíž nejsou trvalé (mohou být „vyresetovány“), ale jsou děditelné
