• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Mechanizm regulacji genów człowieka odkryty

    11.08.2011. 16:37
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Naukowcy z Francji, Hiszpanii i Niemiec twierdzą, że trzeba transkrybować gen kodujący białka w kwas rybonukleinowy (RNA) i w "procesie splicingu" skrócić do prawidłowej matrycy, aby móc wytwarzać białka. W toku ostatnich badań, których wyniki zaprezentowano w czasopiśmie Nature, naukowcy dostarczają nowych informacji, jak białko U2AF umożliwia ten proces. Prace zostały częściowo dofinansowane z trzech unijnych projektów na łączną kwotę 25,4 mln EUR z budżetu Szóstego Programu Ramowego (6PR).

    Pracujący pod kierunkiem Helmholtz Zentrum München i Politechniki w Monachium (TUM) w Niemczech naukowcy odkryli, jak białko U2AF stwarza odpowiednie warunki pre-matrycowemu RNA (pre-mRNA), które pełni rolę matrycy dla syntezy białek w organizmie. Najpierw musi nastąpić transkrypcja pre-mRNA z kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA).

    Różne białka, które eksperci nazywają czynnikami splicingowymi, muszą pracować razem, aby zapewnić powodzenie splicingu, który odgrywa kluczową rolę w ośrodkowym systemie biologii molekularnej. To oznacza, że dane genetyczne poruszają się w jednym kierunku - od DNA do RNA, a następnie do białek.

    W genach genomu człowieka istnieje specyficzna struktura. Obszary z kluczowymi eksonami rozmieszczone są na przemian z obszarami nazywanymi przez naukowców intronami, zawierającymi nieistotne dane, które nie kodują odpowiadającego im białka.

    Niektórzy członkowie zespołu przeanalizowali U2AF - czynnik splicingowy, który składa się z dwóch modułów strukturalnych i wiąże się z RNA w pobliżu granicy intron-ekson. Następuje splicing kopii pre-mRNA i usunięcie intronów. A zatem mRNA, które pozostało, składa się wyłącznie z eksonów kodujących sekwencję aminokwasów danego białka.

    "Struktura przestrzenna białka U2AF występuje na przemian w konformacji zamkniętej i otwartej" - wyjaśnia profesor Michael Sattler, kierownik Instytutu Biologii Strukturalnej przy Helmholtz Zentrum München i profesor biomolekularnej spektroskopii NMR [nuklearnego rezonansu magnetycznego] na TUM. "Pasująca sekwencja RNA w intronie powoduje, że U2AF przyjmuje konformację otwartą, która aktywuje splicing i ostatecznie prowadzi do usunięcia intronu."

    Zdaniem naukowców sekwencja RNA intronu determinuje, na ile skutecznie ta zmiana konformacyjna może zostać aktywowana. Proces selekcji konformacyjnej pomaga wprowadzić zmianę w równowadze między zamkniętą a otwartą formą białka U2AF. W efekcie RNA wiąże się z niewielką, istniejącą frakcją otwartej konformacji, niezależnie od obecności lub nieobecności RNA. Naukowcy są przekonani, że podobne mechanizmy mogą wnosić znaczący wkład w regulację wielu innych ścieżek sygnałowych w komórce.

    "Nasze wyniki wskazują, że tandem domen RRM U2AF65 nie działa po prostu jak rusztowanie wiążące, tylko pełni aktywną rolę w ilościowym wiązaniu stężenia reszty Py z rozpoznaniem miejsca splicingowego i składaniem spliceosomu" - czytamy w artykule. "Wielodomenowa selekcja konformacyjna otwartych stanów umożliwia tandemowi domen RRM funkcjonowanie jako molekularny reostat w związku z aktywnością U2AF na początkowych etapach splicingu, pociągając za sobą rywalizację o RRM1 między RRM2 (autoinhibicją w zamkniętej konformacji) a RNA (aktywacją przez otwartą konformację). To zapewnia filtr selektywności przeciw przypadkowemu wiązaniu RNA i składaniu spliceosomu, gdyż ligandy reszt Py o bliższym powinowactwie są sprawniejsze w przeciwdziałaniu cenie energetycznej potrzebnej obydwu domenom RRM do wiązania."

    Badania zostały dofinansowane z następujących, unijnych projektów realizowanych w ramach tematu "Nauki o życiu, genomika i biotechnologia na rzecz zdrowia" 6PR: 3D-REPERTOIRE, FSG-V-RNA i EURASNET.

    Projekt 3D-REPERTOIRE (Interdyscyplinarne podejście do określania budowy kompleksów białkowych w organizmie modelowym) otrzymał dofinansowanie na kwotę 13 mln EUR. Projekt FSG-V-RNA (Funkcjonalna i strukturalna genomika wirusowego RNA) uzyskał wsparcie w wysokości 2,4 mln EUR, a projekt EURASNET (Europejska sieć alternatywnego splicingu) został dofinansowany na kwotę 10 mln EUR.

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Ekson (egzon, sekwencja kodująca) − w komórkach eukariotycznych odcinek genu (zazwyczaj krótszy od intronu), kodujący sekwencję aminokwasów w cząsteczce białka. Eksony bywają w genomie jądrowym oddzielone intronami. Pierwotny transkrypt zawiera wówczas na przemian ułożone odcinki intronowe i eksonowe. Po zsyntetyzowaniu czapeczki i poliadenylacji cząsteczki RNA, ale jeszcze przed jej eksportem z jądra do cytoplazmy następuje wycięcie wszystkich intronów oraz połączenie eksonów w jedną całość (splicing). Po zakończeniu tych procesów transkrypt staje się funkcjonalną cząsteczką informacyjnego RNA (mRNA), który w tej postaci może opuścić jądro komórkowe i zostać użytym w procesie translacji. Splicing alternatywny – w procesie splicingu łączenie ze sobą różnych egzonów z pre-mRNA na różne sposoby, niekoniecznie po kolei (według genu), czasem z pominięciem niektórych egzonów lub z zachowaniem niektórych intronów. W ten sposób z jednego genu może powstać więcej niż jedna cząsteczka mRNA, co jest źródłem zmienności białek. Jeśli warianty splicingowe mRNA dotyczą sekwencji kodującej, powstałe na matrycy takich mRNA białka różnią się sekwencją aminokwasową, co może powodować np. zróżnicowanie ich funkcji lub lokalizacji w komórce. Splicing alternatywny obszarów niekodujących może wpływać na obecność elementów regulatorowych w mRNA, np. sekwencji wzmacniających translację (enhancerów) czy sekwencji wpływających na stabilność mRNA, a zatem wpływać na ilość produkowanego przez komórkę białka. Splicing, składanie genu, wycinanie intronów – usunięcie intronów (sekwencji niekodujących) i połączenie eksonów (sekwencji kodujących) z prekursorowego mRNA organizmów eukariotycznych. Proces ten zachodzi podczas obróbki posttranskrypcyjnej po to, by dojrzały mRNA, przygotowany do translacji, kodował ciągły łańcuch polipeptydowy (od kodonu start do stop). Splicing katalizowany jest przez kompleks białek i RNA zwany spliceosomem. W niektórych przypadkach następuje samowycinanie się intronów, bez udziału spliceosomu, funkcję katalityczną pełni wówczas RNA (rybozym).

    NMD (ang. Nonsense-Mediated Decay) - zachodzące w komórkach organizmów eukariotycznych zjawisko polegające na rozpoznawaniu i niszczeniu mRNA zawierających przedwczesny kodon STOP (PTC, ang. premature termination codon). Taki "proces kontroli jakości" mRNA zapobiega powstawaniu skróconych białek, które mogą być szkodliwe dla komórki. Proces NMD jest też wykorzystywany w komórce do regulacji ekspresji niektórych potrzebnych białek. Rozpoznawanie przedwczesnych kodonów STOP jest powiązane z procesami splicingu i translacji. Translacja (łac. translatio - tłumaczenie) – w biologii molekularnej, proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA. W jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

    Kinazy białkowe – grupa kinaz, których substratami są białka. Enzymy te przeprowadzają reakcję fosforylacji cząsteczki specyficznego dla danej kinazy białka. Fosforylacja zwykle prowadzi do zmiany konformacji cząsteczki białka i, w konsekwencji, zmiany jego aktywności, zdolności do wiązania się z innymi białkami albo przemieszczenia cząsteczki w obrębie komórki. Do 30% białek podlega regulacji na tej drodze; większość szlaków metabolicznych komórki, zwłaszcza sygnalizacyjnych, angażuje enzymy z grupy kinaz białkowych. W ludzkim genomie zidentyfikowano kilkaset genów kodujących sekwencje aminokwasowe kinaz białkowych (około 2% wszystkich genow). Funkcja kinaz białkowych podlega wielostopniowej regulacji, również angażującej kinazy i fosfatazy białkowe; fosforylacja białka kinazy może zwiększać albo zmniejszać jej aktywność. Białka aktywatorowe lub inhibitorowe przez przyłączanie się do domen regulatorowych kinaz również wpływają na ich aktywność. Niektóre kinazy posiadają domenę regulatorową, którą same mogą fosforylować (autofosforylacja albo cis-fosforylacja). Kontrola translacji białek – jeden z mechanizmów regulacji ekspresji genów, który odbywa się na poziomie syntezy białek po zakończeniu transkrypcji i obróbki post-transkrypcyjnej matrycowego RNA, przed obróbką post-translacyjną białek. Poziom białka w komórce zwykle nie koreluje z ilością odpowiadającego mu matrycowego transkryptu, co zwykle objawia się zwiększeniem (kontrola pozytywna) lub zmniejszeniem (kontrola negatywna) liczby kopii białka przypadających na jedną kopię mRNA. Przyczyną obserwowanego efektu zmiany wydajności syntezy białek jest wymieniona powyżej kontrola translacji, która obok innych mechanizmów regulacji ekspresji genów takich jak:
    a) metylacja wysp CpG promotorów genów,
    b) kondensacja chromatyny (zależna od acetylacji, metylacji, fosforylacji, rybozylacji i ubikwitynacji histonów),
    c) kontrola transkrypcji,
    d) kontrola dojrzewania RNA (składania transkryptu pierwotnego),
    e) modyfikacje post-transkrypcyjne sekwencji mRNA,
    f) kontrola transportu RNA z jądra do cytoplazmy,
    g) kontrola stabilności i aktywności białka (modyfikacje post-translacyjne tj. glikozylacja, fosforylacja, ubikwitynacja), decyduje o końcowej ilości białka w komórce.

    Niekodujące RNA: Termin ten w szerokim znaczeniu odnosi się do wszystkich transkryptów lub ich elementów, które nie mają potencjału kodowania białek (brak otwartych ramek odczytu). Tym samym, obejmować może on wszystkie transkrypty z wyjątkiem matrycowych RNA (mRNA), jak również sekwencje intronów, usuwane w procesie dojrzewania pre-mRNA, czy też regiony nieulegające translacji przy końcach 5’ i 3’ mRNA. Ze względu na funkcje pełnione w komórce, niekodujące RNA podzielić można dalej na konstytutywne i regulatorowe. Białka wiążące DNA – szeroka klasa białek posiadających motywy strukturalne pozwalające im na wiązanie się do dwu- lub jednoniciowego DNA. Przykładem takich białek mogą być czynniki transkrypcyjne, których funkcją jest regulacja ekspresji genów oraz niektóre polimerazy zależne od kwasów nukleinowych, zaangażowane w replikację DNA i transkrypcję na mRNA.

    Wyciszenie genów w skrócie PTGS. Zwane jest również interferencją RNA.Ważną rolę odgrywa w nim dwuniciowy RNA (dsRNA), który pocięty jest na krótkie odcinki, zwane siRNA (small interfering RNA).Odcinki te mają długość 20 – 25 nukleotydów oraz te są komplementarne do określonych fragmentów mRNA. Dwuniciowy fragment RNA musi być dłuższy niż 200 nukleotydów. Następnie fragmenty RNA – siRNA, które w komórce zostały pocięte przez enzym Dicer łączą się w kompleksy z komponentami białkowymi i tworzą kompleks wyciszający RISC. Kolejnym etapem jest połączenie nici siRNA z fragmentem mRNA, dzieje się to dzięki reakcjom między między nukleotydami siRNA a mRNA. Dochodzi do degradacji mRNA i jego rozpadu, a tym samym wyciszenia genu. Zjawisko interferencji zostało odkryte niedawno, jednak jest powszechnie wykorzystywane.

    Chordyna – białko, antagonista białek morfogenetycznych kości, złożone z czterech niewielkich domen bogatych w cystynę. Jego funkcja pozostaje niejasna. Po raz pierwszy znaleziono ją u platany szponiastej jako białko kluczowe dla rozwoju, odpowiedzialne za dorsalizację wczesnych tkanek zarodkowych u kręgowców. Polipeptyd liczy sobie 941 reszt aminoacylowych, osiągając masę 120 kDa. Wprowadza dorsalizację w rozwijającym się zarodku poprzez wiązanie czynników wentralizujących z nadrodziny TGF-β, jak białka morfogenetyczne kości. Wiąże bezpośrednie choćby białko BMP-4. Przypuszczalnie, może również pełnić pewną rolę w organogenezie. Wyróżniono 5 izoform tego białka, które powstają na drodze alternatywnego splicingu.

    siRNA (small interfering RNA) – dwuniciowe cząsteczki RNA o długości ok. 20-25 par zasad, które powodują wyciszanie ekspresji genów o homologicznej sekwencji (interferencja RNA - RNAi). Powstają przez pocięcie dwuniciowego RNA (np. wirusowego) w komórce przez enzym Dicer na fragmenty odpowiedniej długości. Krótkie siRNA wiążą się z kompleksem białkowym o aktywności rybonukleazy zwanym RISC. Kompleks ten wiąże się z komplementarną do siRNA cząsteczką mRNA i tnie ją na kawałki, uniemożliwiając w ten sposób powstanie kodowanego przez nią białka. Zazwyczaj - w przeciwieństwie do miRNA - sekwencja siRNA jest w 100% komplementarna z sekwencją docelowego mRNA. Rośliny (i inne organizmy eukariotyczne) wykorzystują mechanizm interferencji RNA powodowany przez siRNA do obrony przed wirusami. Ponadto sztuczne siRNA wykorzystywane są w biologii molekularnej, prowadzone są też badania nad zastosowaniem ich w medycynie.

    Dodano: 11.08.2011. 16:37  


    Najnowsze