Informacija

DNR ir RNR sintezės pirmtakų koncentracijos reguliavimas

DNR ir RNR sintezės pirmtakų koncentracijos reguliavimas


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.

Koks yra specifinis ląstelių procesas, reguliuojantis keturių DNR bazių (adenino, timino, citozino ir guanino), esančių ląstelės citoplazmoje, kiekį?

Iš esmės, kaip ląstelės mechaniniai procesai „žino“, kad citoplazmoje jų yra pakankamai, kad DNR/RNR procesai veiktų efektyviai?

Kiek suprantu, DNR/RNR sekų kūrimas apima tiesiog jų paėmimą iš citoplazmos, kai jie atsitiktinai praeina šalia sekos surinkimo baltymo.

Kaip šalutinė tema, bet ir čia svarbi, citoplazma, matyt, yra tik atsitiktinis skystis, kuriame yra įvairiausių molekulių, tekančių ir išsisklaidžiusių atsitiktinėmis kryptimis per Brauno judėjimą. Nežinau, ar yra specifinė citoplazmos srautų kryptis aplink ląstelės vidų, ir jei taip, kaip ląstelė sugebėtų tai koordinuoti.

Atrodo, kad ląstelių procesams nėra būdo „perskaityti“ proporcingą citoplazmos molekulinį turinį, kad sužinotų, ar jų yra pakankamai, kad ląstelės veiktų tinkamai.

Jei trūksta kurios nors iš šių keturių bazinių molekulių, DNR/RNR procesai sulėtės arba nustos funkcionuoti, o tai sukels sisteminį nepakankamumą ir potencialiai ląstelių mirtį.

Jei kurios nors iš jų yra per daug, ląstelė gali būti taip supakuota, kad niekas negali judėti ir sutrinka ląstelės funkcija. Galbūt ląstelės sienelė gali plyšti, jei jų yra per daug.


RNR sintezė

RNR sintezę atlieka fermentai, vadinami RNR polimerazėmis. Aukštesniuose organizmuose yra trys pagrindinės RNR polimerazės, žymimos I, II ir III (arba kartais A, B ir C). Kiekvienas iš jų yra sudėtingas baltymas, susidedantis iš daugelio subvienetų. RNR polimerazė I sintetina tris iš keturių rRNR tipų (vadinamų 18S, 28S ir 5,8S RNR), todėl ji yra aktyvi branduolyje, kur yra šias rRNR molekules koduojantys genai. RNR polimerazė II sintetina mRNR, nors jos pradiniai produktai yra ne subrendusi RNR, o didesni pirmtakai, vadinami heterogenine branduoline RNR, kurie užbaigiami vėliau (žr. žemiau mRNR apdorojimas). RNR polimerazės III produktai apima tRNR ir ketvirtąjį ribosomos RNR komponentą, vadinamą 5S RNR.

Visos trys polimerazės pradeda RNR sintezę tam tikrose DNR vietose ir tęsiasi palei molekulę, paeiliui sujungdamos pasirinktus nukleotidus, kol jie pasiekia geno galą ir baigia augančią RNR grandinę. Energija RNR sintezei gaunama iš didelės energijos fosfatų jungčių, esančių RNR nukleotidų pirmtakuose. Kiekvienas galutinio RNR produkto vienetas iš esmės yra cukrus, bazė ir vienas fosfatas, tačiau statybinę medžiagą sudaro cukrus, bazė ir trys fosfatai. Sintezės metu du fosfatai yra suskaidomi ir išmetami kiekvienam nukleotidui, kuris yra įtrauktas į RNR. Iš fosfatinių jungčių išsiskirianti energija naudojama nukleotidams susieti. Esminis RNR sintezės bruožas yra tas, kad nukleotidų, susijungusių į augančią RNR grandinę, seką nurodo DNR šablone esančių nukleotidų seka: kiekvienas DNR adeninas nurodo uracilą RNR, kiekvienas citozinas – guaniną, kiekvienas guaninas – citoziną ir kiekvienas timinas DNR nurodo adeniną. Tokiu būdu informacija, užkoduota kiekviename gene, yra transkribuojama į RNR, kad ją būtų galima perkelti citoplazmos baltymų sintezės mechanizmu.

Be to, kad nurodoma aminorūgščių, kurios turi būti polimerizuojamos į baltymus, seka, DNR nukleotidų sekoje yra papildomos informacijos. Pavyzdžiui, trumpos nukleotidų sekos nustato kiekvienos RNR polimerazės iniciacijos vietą, nurodydamos, kur ir kada turėtų vykti RNR sintezė. I ir II RNR polimerazių atveju sekos, nurodančios iniciacijos vietas, yra prieš pat genus. Priešingai, lygiavertė informacija apie RNR polimerazę III yra gene, ty DNR srityje, kuri turi būti nukopijuota į RNR. Iniciacijos vieta DNR segmente vadinama promotoriumi. Skirtingų genų promotoriai turi kai kurias bendras nukleotidų sekas, tačiau skiriasi kitomis. Sekos skirtumus atpažįsta specifiniai baltymai, vadinami transkripcijos faktoriais, kurie yra būtini tam tikrų tipų genų ekspresijai. Transkripcijos faktorių specifiškumas prisideda prie skirtingų tipų ląstelių genų ekspresijos skirtumų.


Gyvybės Žemėje kilmė

Gyvybės kilmė yra paslaptis, didžiausia vištienos ir kiaušinio mįslė (R Service, 2015). Kai jūs ir kolegos studentai kartu aptarėte esmines gyvenimo ypatybes, tikriausiai įtraukėte reprodukciją ir paveldimą informaciją, energijos transformaciją, augimą ir reakciją į aplinką. Galbūt taip pat sakėte, kad bent jau Žemėje visa gyvybė susideda iš ląstelių su membranomis, kurios sudaro ribas tarp ląstelės ir jos aplinkos, ir kad ląstelės buvo sudarytos iš organinių molekulių (sudarytų iš anglies, vandenilio, azoto, deguonies, fosfatas ir siera – CHNOPS). Mįslė ta, kad šiandien Žemėje visa gyvybė kyla iš jau egzistuojančios gyvybės. Pasteur'o eksperimentai paneigė spontanišką mikrobų gyvybės susidarymą iš virinto maistinių medžiagų sultinio. Dar nė vienam mokslininkui nepavyko sukurti gyvos ląstelės iš organinių molekulių. Taigi, kaip gyvybė galėjo atsirasti Žemėje maždaug prieš 3,8 milijardo metų? (Atminkite laiko skalę, apie kurią čia kalbame – Žemei yra 4,6 milijardo metų, todėl prireikė beveik milijardo metų, kad cheminė evoliucija atsirastų biologinė gyvybė.) Kaip galima išspręsti šį klausimą naudojant mokslinio tyrimo procesas?

Gyvenimo studijų kilmė

Nors mokslininkai negali tiesiogiai spręsti, kaip atsirado gyvybė Žemėje, jie gali suformuluoti ir patikrinti hipotezes apie natūralius procesus, kurie galėtų būti susiję su įvairiais tarpiniais žingsniais, atitinkančiais geologinius įrodymus. 1920-aisiais Aleksandras Oparinas ir J. B. S. Haldane'as nepriklausomai pasiūlė beveik identiškas hipotezes, kaip Žemėje atsirado gyvybė. Jų hipotezė dabar vadinama Oparino-Haldane hipoteze, o pagrindiniai žingsniai yra šie:

  1. organinių molekulių, ląstelių statybinių blokų (pvz., aminorūgščių, nukleotidų, paprastų cukrų) susidarymas
  2. formuojasi organinių molekulių polimerai (ilgesnės grandinės), kurie gali veikti kaip fermentai, vykdantys metabolines reakcijas, koduojantys paveldimą informaciją ir galbūt dauginantis (pvz., baltymai, RNR grandinės),
  3. protoląstelių susidarymas organinių molekulių ir polimerų, kurie vykdo metabolines reakcijas uždaroje sistemoje, atskirtoje nuo aplinkos pusiau pralaidžia membrana, tokia kaip lipidų dvisluoksnė membrana, koncentracijos.

Oparino-Haldane'o hipotezė buvo nuolat tikrinama ir peržiūrima, o bet kokia hipotezė apie tai, kaip prasidėjo gyvybė, turi atitikti 3 pagrindinius visuotinius gyvybės reikalavimus: gebėjimą atgaminti ir atkartoti paveldimą informaciją, gaubtą membranose, kad susidarytų ląstelės, energijos naudojimas užtikrinti augimą ir dauginimąsi.

1. Kaip ikibiotinėje Žemėje susiformavo organinės molekulės?

Miller-Urey eksperimentas
Stanley Miller ir Harold Urey išbandė pirmąjį Oparino-Haldane hipotezės žingsnį, tirdami organinių molekulių susidarymą iš neorganinių junginių. Jų šeštojo dešimtmečio eksperimentas sukūrė daugybę organinių molekulių, įskaitant aminorūgštis, kurias gamina ir naudoja gyvos ląstelės augti ir daugintis.

Miller-Urey eksperimentas, Wikimedia Commons iliustracija, kurią sukūrė Adrianas Hunteris

Milleris ir Urey naudojo eksperimentinę sąranką, kad atkurtų, kokios aplinkos sąlygos buvo manoma ankstyvojoje Žemėje. Dujinė kamera imitavo atmosferą redukuojančiais junginiais (elektronų donorais), tokiais kaip metanas, amoniakas ir vandenilis. Elektros kibirkštys imitavo žaibą, kad suteiktų energijos. Tik maždaug per savaitę šis paprastas aparatas sukėlė chemines reakcijas, kurių metu susidaro įvairios organinės molekulės, kai kurios iš jų yra pagrindiniai gyvybės elementai, pavyzdžiui, aminorūgštys. Nors mokslininkai nebetiki, kad prebiotinė Žemė turėjo tokią redukuojančią atmosferą, tokią redukuojančią aplinką galima rasti giliavandenėse hidroterminėse angose, kurios taip pat turi energijos šaltinį šilumos iš angų pavidalu. Be to, naujesni eksperimentai, kuriuose buvo naudojamos sąlygos, kurios, kaip manoma, geriau atspindi ankstyvosios Žemės sąlygas, taip pat sukūrė įvairias organines molekules, įskaitant aminorūgštis ir nukleotidus (RNR ir DNR statybinius blokus) (McCollom). , 2013).

Toliau pateiktame vaizdo įraše pateikiama puiki Miller-Urey eksperimento loginio pagrindo, sąrankos ir išvadų apžvalga (nors jame neteisingai pervertinama, kad Darvinas parodė kad iš gana paprastų būtybių palaipsniui gali atsirasti sudėtingesnių būtybių).

Organinės molekulės iš meteorų

Kiekvieną dieną Žemė bombarduojama meteoritais ir kometų dulkėmis. Žemėje nusileidusių kosminių dulkių ir meteorų analizė atskleidė, kad juose yra daug organinių molekulių. Kai Žemė buvo jauna (prieš 4 mlrd. metų), kometų dulkių ir meteoritų kritimas buvo daug didesnis. Daugelis mokslininkų mano, kad tokios nežemiškos organinės medžiagos labai prisidėjo prie organinių molekulių, turimų tuo metu, kai Žemėje prasidėjo gyvybė. Žemiau pateiktame Bernsteino 2006 m. paveiksle parodyti 3 pagrindiniai organinių molekulių šaltiniai žemėje prieš gyvybę: atmosferinė sintezė pagal Miller-Urey chemiją, sintezė giliavandenėse hidroterminėse angose ​​ir kosminėje erdvėje susintetintų organinių molekulių kritimas.

2. Organinių polimerų susidarymas

Atsižvelgiant į pakankamai didelę šių pagrindinių organinių molekulių koncentraciją, tam tikromis sąlygomis jos susijungs ir sudarys polimerus (kovalentiškai sujungtų molekulių grandines). Pavyzdžiui, aminorūgštys susijungia ir sudaro polipeptidines grandines, kurios susilanksto ir virsta baltymų molekulėmis. Ribozė, 5 anglies cukrus, gali jungtis su azoto baze ir fosfatu prie nukleotido. Nukleotidai susijungia ir sudaro nukleorūgštis, tokias kaip DNR ir RNR. Nors tai dabar atlieka gyvų ląstelių fermentai, organinių molekulių polimerizaciją taip pat gali katalizuoti tam tikros molio rūšys ar kitų tipų mineraliniai paviršiai. Šio modelio bandymų metu buvo pagamintos iki 50 vienetų ilgio RNR molekulės tik per 1–2 savaites (Ferris, 2006).

Fermentinis aktyvumas ir paveldima informacija viename polimere: RNR pasaulio hipotezė

Thomaso Cecho atradimas, kad kai kurios RNR molekulės gali katalizuoti jų pačių specifinį skilimą, paskatino Nobelio premiją (Cechui ir Altmanui), terminą “.ribozimai”, žymintis katalizines RNR molekules, ir hipotezės, kad RNR molekulės buvo pirminės paveldimos molekulės, atsiradusios anksčiau nei DNR, atgimimas. Gyvybės kilmės tyrinėtojams buvo galimybė, kad RNR molekulės gali koduoti paveldimą informaciją ir katalizuoti savo replikaciją. DNR, kaip pirmoji paveldima molekulė, sukėlė tikrų problemų gyvybės kilmės tyrinėtojams, nes DNR replikacijai reikalingi baltymų fermentai (DNR polimerazės) ir RNR pradmenys (žr. DNR replikacijos puslapį), todėl sunku įsivaizduoti, kaip tokia sudėtinga paveldima sistema. galėjo išsivystyti nuo nulio. Naudojant katalizines RNR molekules, viena molekulė arba panašių molekulių šeima gali saugoti genetinę informaciją ir daugintis, iš pradžių nereikalaujant baltymų.

Tokių katalizinių RNR molekulių populiacijose vyktų molekulinė evoliucija, konceptualiai identiška biologinei evoliucijai natūralios atrankos būdu. RNR molekulės darytų viena kitos kopijas, darydamos klaidas ir generuodamos variantus. Variantai, kurie sėkmingiausiai replikavosi (atpažįsta identiškas arba labai panašias RNR molekules ir efektyviausiai jas replikuoja), padidėtų katalizinių RNR molekulių populiacijoje. RNR pasaulio hipotezė numato gyvybės atsiradimo etapą, kai savaime besidauginančios RNR molekulės galiausiai paskatino paveldimos sistemos evoliuciją pirmosiose ląstelėse arba proto ląstelėse. RNR molekulių sistema, koduojanti kodonus, nurodančius aminorūgštis, ir į tRNR panašias molekules, perteikiančias atitinkančias aminorūgštis, ir katalizinių RNR, kuriančių peptidinius ryšius, sudarytų paveldimą sistemą, panašią į šiandienines ląsteles, be DNR.

Tam tikru linijos, vedančio į paskutinį visuotinį bendrą protėvį, taške DNR tapo pageidaujama ilgalaikės genetinės informacijos saugojimo molekule. DNR molekulės yra chemiškai stabilesnės nei RNR (dezoksiribozė yra chemiškai inertiškesnė nei ribozė). Dviejų vienas kitą papildančių grandžių turėjimas reiškia, kad kiekviena DNR grandinė gali būti kaip šablonas savo partnerio grandinės replikacijai, suteikdama tam tikrą įgimtą perteklių. Šie ir galbūt kiti bruožai suteikė ląstelėms, turinčioms DNR paveldimą sistemą, selektyvų pranašumą, todėl visa ląstelinė gyvybė Žemėje naudoja DNR genetinei informacijai saugoti ir perduoti.

Vis dėlto net ir šiandien ribozimai atlieka universalų ir pagrindinį vaidmenį ląstelių informacijos apdorojime. Ribosoma yra didelis RNR ir baltymų kompleksas, kuris nuskaito genetinę informaciją RNR grandinėje, kad sintetintų baltymus. Pagrindinį katalizinį aktyvumą – peptidinių jungčių susidarymą, susiejančią dvi aminorūgštis – katalizuoja ribosomų RNR molekulė. Ribosoma yra milžiniškas ribozimas. Kadangi ribosomos yra universalios visoms ląstelėms, tokios katalizinės RNR turėjo būti paskutiniame visuotiniame bendrame visos dabartinės gyvybės Žemėje protėvyje.

Apsilankykite http://exploringorigins.org/ribozymes.html puslapyje, kad pamatytumėte pirmąjį ribozimą iš Tetrahymena, kurį atrado Tomas Cechas, ir ribosomų RNR struktūrą.

Puslapyje http://exploringorigins.org/nucleicacids.html yra vaizdo įrašai apie RNR polimerizaciją iš nukleotidų, pagal šabloną nukreiptą RNR sintezę ir RNR savaiminio replikacijos modelį.

Toliau pateiktame vaizdo įraše paaiškinamas RNR pasaulio hipotezės pagrindas ir trumpai aprašomos kai kurios išvados iš skirtingų RNR pasaulio eksperimentų.

3. Protocells: savaime besidauginantys ir medžiagų apykaitos fermentai maišelyje

Visa gyvybė Žemėje susideda iš ląstelių. Ląstelės turi lipidines membranas, kurios atskiria jų vidinį turinį – citoplazmą – nuo ​​aplinkos. Lipidų membranos leidžia ląstelėms išlaikyti didelę molekulių, pavyzdžiui, nukleotidų, koncentraciją, reikalingą savaime besidauginančioms RNR, kad jos veiktų efektyviau. Ląstelės taip pat išlaiko didelius jonų koncentracijos (koncentracijos gradientų) skirtumus per membraną, kad paskatintų transportavimo procesus ir ląstelių energijos apykaitą.

Lipidai yra hidrofobiniai ir spontaniškai susirenka vandenyje, sudarydami miceles arba lipidų dvisluoksnes pūsleles. Pūslelės, kurios apgaubia savaime besidauginančias RNR ir kitus fermentus, per membraną perima reagentus, eksportuoja produktus, auga lipidų micelių kaupimosi būdu ir dalijasi pūslelei dalijantis, vadinamos protoląstelėmis arba protobiontais ir galėjo būti jų pirmtakai. ląstelių gyvybė.

Toliau pateiktame vaizdo įraše nagrinėjami skirtumai tarp cheminės ir biologinės evoliucijos, o pirminės ląstelės pabrėžiamos kaip cheminės evoliucijos pavyzdys.

Kuriuo momentu evoliuciniai procesai, tokie kaip natūrali atranka, pradėtų lemti pirmųjų ląstelių kilmę?

Biologinė evoliucija apsiriboja gyvais organizmais. Taigi, kai susiformuos pirmosios ląstelės, turinčios paveldimą sistemą, jos būtų pavaldžios evoliuciniams procesams, o natūrali atranka paskatins prisitaikymą prie vietinės aplinkos, o skirtingose ​​aplinkose esančios populiacijos susiformuotų, nes genų srautas tarp izoliuotų populiacijų taptų ribotas. .

Tačiau RNR pasaulio hipotezė numato evoliucinius procesus, skatinančius savarankiškai replikuojančių RNR molekulių populiacijas arba proto-ląsteles, kuriose yra tokių RNR molekulių. RNR molekulės, kurios replikuojasi netobulai, sukurtų dukterines molekules su šiek tiek skirtingomis sekomis. Tie, kurie dauginasi geriau arba pagerina savo pirminių ląstelių šeimininkų augimo replikaciją, turėtų daugiau palikuonių. Vadinasi, molekulinės savaime besidauginančių RNR molekulių arba proto-ląstelių populiacijų, kuriose yra savaime besidauginančių RNR molekulių, evoliucija paskatintų pirmųjų ląstelių susidarymą.

Nuorodos ir ištekliai

Bernstein M 2006. Prebiotinės medžiagos iš ankstyvosios Žemės ir už jos ribų. Philos Trans
R Soc Lond B Biol Sci. 361:1689-700 diskusija 1700-2. PubMed
PMID: 17008210 PubMed Central PMCID: PMC1664678.


Baltymų importo ir surinkimo mitochondrijų mašinos

Nilsas Wiedemannas ir Nikolausas Pfanneris
t. 86, 2017 m

Abstraktus

Mitochondrijos yra būtinos organelės, turinčios daugybę funkcijų ląstelių metabolizme ir homeostazėje. Dauguma >1000 skirtingų mitochondrijų baltymų yra sintetinami kaip pirmtakai citozolyje ir yra importuojami į mitochondrijas penkių transportavimo būdu. Skaityti daugiau

1 pav. Penkių pagrindinių mitochondrijų baltymų importo būdų apžvalga. Presekvenciją pernešančius prebaltymus importuoja išorinės mitochondrijų membranos (TOM) translokazė ir presekv.

2 pav. Išankstinės sekos kelias į mitochondrijų vidinę membraną (IM) ir matricą. Išorinės membranos translokazę (TOM) sudaro trys receptorių baltymai, kanalą formuojantis baltymas To.

3 pav. Oksidazės agregato (OXA) translokazės vaidmuo rūšiuojant baltymus. Baltymai, kuriuos sintetina mitochondrijų ribosomos, yra eksportuojami į vidinę membraną (IM) OXA translokazės ribose.

4 pav. Nešiklio kelias į vidinę membraną. Hidrofobinių metabolitų nešėjų pirmtakai sintetinami be skaidomos sekos. Pirmtakai yra susieti su citozoliniu chaperonu.

5 pav. Mitochondrijų tarpmembraninės erdvės importo ir surinkimo (MIA) mechanizmai. Daugelyje tarpmembraninės erdvės (IMS) baltymų yra būdingų cisteino motyvų. Pirmtakai laikomi sumažintame an.

6 pav. Išorinės mitochondrijų membranos β statinės baltymų biogenezė. β-barelio baltymų pirmtakai iš pradžių importuojami išorinės membranos (TOM) translokazės būdu, jungiasi prie mažų .

7 pav. Dvigubas mitochondrijų pasiskirstymo ir morfologijos baltymo 10 (Mdm10) vaidmuo baltymų surinkime ir organelių kontakto vietose. Mdm10 asocijuojasi su rūšiavimo ir surinkimo mašinomis (SAM).

8 pav. Keli integruotų α-spiralinių mitochondrijų išorinės membranos baltymų importo būdai. Paprastai įterpiami baltymų pirmtakai su N-galo signalo inkaro seka.

9 paveikslas: Mitochondrijų kontakto vieta ir kristų organizavimo sistema (MICOS) sąveikauja su baltymų translokazėmis. MICOS susideda iš dviejų pagrindinių subvienetų – Mic10 ir Mic60. Mic10 sudaro didelius oligomerus th.


Transkripcijos apžvalga

Transkripcija yra pirmasis genų ekspresijos į baltymus etapas. Transkripcijos metu iš vienos iš DNR molekulės grandžių transkribuojamas mRNR (RNR pasiuntinys) tarpinis produktas. RNR vadinama pasiuntinio RNR, nes ji neša „pranešimą“ arba genetinę informaciją iš DNR į ribosomas, kur ši informacija naudojama baltymams gaminti. RNR ir DNR naudoja komplementarų kodavimą, kai bazių poros sutampa, panašiai kaip DNR grandinės jungiasi ir sudaro dvigubą spiralę.

Vienas skirtumas tarp DNR ir RNR yra tas, kad RNR vietoj DNR naudojamo timino naudoja uracilą. RNR polimerazė tarpininkauja gaminant RNR grandinę, kuri papildo DNR grandinę. RNR sintetinama 5' -> 3' kryptimi (kaip matyti iš augančio RNR nuorašo). Yra keletas transkripcijos korektūros mechanizmų, bet ne tiek daug, kiek DNR replikacijai. Kartais pasitaiko kodavimo klaidų.


Antrojo leidimo įžanga

1 VIENAS. Pagrindiniai cheminiai ir biologiniai principai

1 skyrius. Ląstelės ir organizmai

2 gyvos būtybės yra sudarytos iš ląstelių

3 Eubakterijos ir archejos yra genetiškai skirtingos

4 eukariotinės ląstelės yra suskirstytos į skyrius

5 Eukariotų įvairovė

6 Haploidija, diplomidija ir eukariotų ląstelių ciklas

7 organizmai klasifikuojami

8 Kai kurie plačiai ištirti organizmai yra modeliai

9 Pagrindinės modelio organizmo charakteristikos

10 DNR išvalymas iš pavyzdinių organizmų

11 virusų nėra gyvos ląstelės

12 bakterijų virusų užkrečia bakterijas

13 žmonių virusinių ligų yra dažnos

14 Yra įvairių subląstelinių genetinių subjektų

1 Gregoras Mendelis, klasikinės genetikos tėvas

2 genai nustato kiekvieną biocheminio kelio žingsnį

3 mutantai atsiranda dėl genų pakitimų

4 Fenotipai ir genotipai

5 chromosomos yra ilgos, plonos molekulės, pernešančios genus

6 dominuojantys ir recesyviniai aleliai

7 genai iš abiejų tėvų yra susimaišę dėl lytinio dauginimosi

8 gretimi genai yra susieti paveldėjimo metu, nebent DNR rekombinuotų

9 Genų, sukeliančių žmonių ligas, nustatymas

3 skyrius. DNR, RNR ir baltymai

1 DNR kaip genetinės medžiagos istorija

2 nukleorūgščių molekulės turi genetinę informaciją

3 Cheminė nukleorūgščių struktūra

4 Dvigubos grandinės DNR sudaro dvigubą spiralę

5 chromosomų sudedamosios dalys

6 Centrinė dogma apibūdina genetinės informacijos srautą

7 ribosomos perskaito genetinį kodą

8 įvairios RNR klasės turi skirtingas funkcijas

9 baltymai atlieka daugybę ląstelių funkcijų

4 skyrius. Genomai ir DNR

2 pasikartojančios sekos yra eukariotų DNR bruožas

3 palindromai, atvirkštiniai pasikartojimai ir stiebo bei kilpos struktūros

4 Dėl kelių A-takų DNR sulinksta

5 Supercoiling yra būtinas norint pakuoti bakterijų DNR

6 DNR fragmentų atskyrimas elektroforezės būdu

7 Atsiranda alternatyvių spiralinių DNR struktūrų

8 DNR pakavimas eukariotų branduoliuose

5 skyrius. Manipuliavimas nukleino rūgštimis

2 Cheminė DNR sintezė

3 DNR ir RNR koncentracijos matavimas ultravioletine šviesa

4 Nukleino rūgščių radioaktyvusis ženklinimas

5 DNR ir RNR aptikimo fluorescencija

6 Elektroninis mikroskopas

7 DNR ir RNR hibridizacija

6 skyrius. Polimerazės grandininė reakcija

1 Polimerazės grandininės reakcijos pagrindai

3 Atsitiktinai amplifikuota polimorfinė DNR (RAPD)

4 Atvirkštinės transkriptazės PGR

5 Diferencialinis ekrano PGR

6 greitas cDNR galų amplifikavimas (RACE)

7 PGR genų inžinerijoje

9 Inžineriniai ištrynimai ir įterpimai naudojant PGR

10 Realaus laiko fluorescencinė PGR

11 molekulinių švyturių ir Scorpion pradmenų

12 PGR naudojimas medicininėje diagnostikoje

13 Aplinkos analizė naudojant PGR

14 DNR gelbėjimas nuo išnykusių gyvybės formų naudojant PGR

7 skyrius. Genų klonavimas analizei

1 Klonavimo vektorių savybės

2 Įterpimų aptikimas vektoriuose

3 judantys genai tarp organizmų: šaudyklės vektoriai

4 bakteriofagų lambda vektoriai

6 dirbtinės mielių chromosomos

7 bakterinės ir P1 dirbtinės chromosomos

8 Rekombinavimas padidina genų klonavimo greitį

9 DNR biblioteka yra vieno šaltinio genų kolekcija

10 Papildomos DNR klonavimas leidžia išvengti intronų

12 Klonavimas subtraktyviosios hibridizacijos būdu

1 DNR sekos nustatymas – bendrieji grandinės nutraukimo sekos nustatymo principai

2 Pradeda vaikščiojimas palei DNR giją

5 DNR lustų technologijos atsiradimas

7 Antrosios kartos sekvenavimas

8 Trečiosios kartos sekvenavimas

9 nanoporų detektoriai DNR

9 skyrius. Genomika ir sistemų biologija

1 didelio masto atvaizdavimas su sekos žymomis

2 Mažų genomų surinkimas naudojant šautuvų seką

3 Žmogaus genomo lenktynės

4 Žmogaus genomo tyrimas

5 Farmakogenomika – genetiškai individualus gydymas vaistais

6 Asmeninė genomika ir lyginamoji genomika

7 Bioinformatika ir kompiuterinė analizė

9 Metagenomika ir bendruomenės atranka

10 Epigenetika ir epigenomika

3 VIENAS. Centrinė molekulinės biologijos dogma

10 skyrius. Ląstelių dalijimasis ir DNR replikacija

1 Ląstelių dalijimasis ir dauginimasis ne visada yra identiški

2 DNR replikacija vyksta replikacijos šakutėje

3 DNR polimerazės savybės

4 nukleotidai yra DNR sintezės pirmtakai

5 DNR polimerazė pailgina DNR grandines

6 Visiška replikacijos šakutė yra sudėtinga

7 Nenutrūkstama atsiliekančios krypties sintezė

8 Chromosomų replikacija prasideda oriC

9 Chromosomų replikacija baigiasi ties terC

10 ląstelių dalijimasis bakterijose įvyksta po chromosomų replikacijos

11 Replikono samprata

12 Tiesinės DNR replikacija eukariotuose

13 Ląstelių dalijimasis aukštesniuosiuose organizmuose

11 skyrius. Genų transkripcija

1 genai išreiškiami gaminant RNR

2 Kaip atpažįstama geno pradžia?

3 Pranešimo kūrimas

4 RNR polimerazė žino, kur sustoti

5 Kaip ląstelė žino, kuriuos genus įjungti?

6 Transkripcija eukariotuose yra sudėtingesnė

12 skyrius. RNR apdorojimas

1 RNR apdorojama keliais būdais

2 Koduojanti ir nekoduojanti RNR

3 Ribosominės ir pernešančios RNR apdorojimas

4 Eukariotų pasiuntinio RNR turi dangtelį ir uodegą

5 intronai pašalinami iš RNR sujungimo būdu

6 Alternatyvus sujungimas sukuria kelias RNR formas

7 Inteinai ir baltymų sujungimas

8 Baziniam rRNR modifikavimui reikalinga vadovaujanti RNR

9 RNR redagavimas pakeičia bazinę seką

10 RNR išnešimas iš branduolio

13 skyrius. Baltymų sintezė

1 Baltymų sintezės apžvalga

2 baltymai yra aminorūgščių grandinės

3 Genetinės informacijos iššifravimas

4 Ribosoma: ląstelės dekodavimo mašina

5 Yra trys galimi skaitymo rėmeliai

6 Polipeptido pailgėjimo metu tRNR užima tris vietas

7 Bakterijų mRNR gali koduoti kelis baltymus

8 Kai kurios ribosomos sustoja ir yra išgelbėtos

9 Eukariotų ir prokariotų baltymų sintezės skirtumai

10 Baltymų sintezė sustabdoma, kai trūksta išteklių

11 Signalo seka žymi baltymą, skirtą eksportuoti iš ląstelės

12 Baltymų sintezė vyksta mitochondrijose ir chloroplastuose

13 Klaidingas vertimas dažniausiai sukelia baltymų sintezės klaidų

14 Daugelis antibiotikų veikia slopindami baltymų sintezę

15 potransliacinių baltymų modifikacijų

16 Selenocisteinas ir pirolizinas: retos aminorūgštys

17 Baltymų skaidymas

14 skyrius. Baltymų struktūra ir funkcijos

1 Baltymų struktūra atspindi keturis organizavimo lygius

2 Baltymų struktūrų nustatymas

3 Nukleoproteinai, lipoproteinai ir glikoproteinai yra konjuguoti baltymai

4 baltymai atlieka daugybę ląstelių funkcijų

6 fermentai katalizuoja medžiagų apykaitos reakcijas

7 Baltymų prisijungimas prie DNR vyksta keliais skirtingais būdais

8 Baltymų denatūravimas

2 Antikūnai yra esminiai proteomikos įrankiai

3 Baltymų Western blotingas

4 Baltymų išskyrimas naudojant chromatografiją

5 Masių spektrometrija baltymų identifikavimui

7 Pasirinkimas pagal Phage Display

8 baltymų sąveika: mielių dviejų hibridų sistema

9 Baltymų sąveika koimunoprecipitacijos būdu

4 VIENETAS. Genų ekspresijos reguliavimas

16 skyrius. Prokariotų transkripcijos reguliavimas

1 genų reguliavimas užtikrina fiziologinį atsaką

2 Reguliavimas transkripcijos lygmeniu apima kelis etapus

3 alternatyvūs sigmos faktoriai prokariotuose atpažįsta skirtingus genų rinkinius

4 aktyvatoriai ir represoriai dalyvauja teigiamame ir neigiamame reguliavime

5 Dviejų komponentų reguliavimo sistemos

6 Specifinis ir visuotinis valdymas

7 Papildomi veiksniai ir nukleoidus surišantys baltymai

8 Kovos su nutraukimu kaip kontrolės mechanizmas

17 skyrius. Transkripcijos reguliavimas eukariotuose

1 Transkripcijos reguliavimas eukariotuose yra sudėtingesnis nei prokariotuose

2 specifiniai transkripcijos faktoriai reguliuoja baltymus koduojančius genus

3 Neigiamas transkripcijos reguliavimas vyksta eukariotuose

4 Heterochromatinas blokuoja prieigą prie DNR eukariotuose

5 Eukariotų DNR metilinimas kontroliuoja genų ekspresiją

6 X-chromosomų inaktyvacija įvyksta XX gyvūnų patelėse

18 skyrius. Reguliavimas RNR lygiu

1 Reguliavimas mRNR lygyje

2 pagrindiniai RNR trukdžių (RNAi) principai

3 Ilga nekoduojanti reguliavimo RNR

4 CRISPR: antivirusinė gynyba bakterijose

5 Priešlaikinis nutraukimas sukelia RNR transkripcijos susilpnėjimą

6 Riboswitches – RNR, tiesiogiai veikianti kaip valdymo mechanizmas

19 skyrius. Genų ekspresijos analizė

1 Genų ekspresijos stebėjimas

2 reporterių genai, skirti genų ekspresijai stebėti

3 Aukštupio regiono ištrynimo analizė

4 DNR-baltymų kompleksai gali būti išskirti naudojant chromatino imunoprecipitaciją

5 Transkripcijos pradžios pagal pradmenų plėtinį vieta

7 DNR mikrogardelės genų ekspresijai

8 TaqMan kiekybinė PGR geno ekspresijai nustatyti

9 Serijinė genų ekspresijos analizė (SAGE)

5 VIENETAS. Subląstelinės gyvybės formos

2 Bendrosios plazmidžių savybės

3 plazmidės DNR replikacijos dviem alternatyviais metodais

4 Daugelis plazmidžių padeda jų ląstelėms šeimininkėms

5 plazmidės gali būti agresyvios

6 Ti plazmidės yra pernešamos iš bakterijų į augalus

7 2μ mielių plazmidė

8 Tam tikros DNR molekulės gali veikti kaip virusai arba plazmidės

1 Virusai yra užkrečiami genetinės informacijos paketai

2 Didžioji virusų įvairovė

3 virusai su RNR genomais turi labai mažai genų

4 Retrovirusai naudoja ir RNR, ir DNR

5 Subvirusiniai infekcijų sukėlėjai

1 tarpląsteliniai genetiniai elementai kaip genų būtybės

2 Dauguma mobiliųjų DNR susideda iš perkeliamų elementų

3 Retroelementai Padarykite RNR kopiją

4 Daugybė perkeliamų elementų

5 Šlamštas DNR ir savanaudiška DNR

6 VIENETAS. DNR plano keitimas

23 skyrius. Mutacijos ir taisymas

1 Mutacijos pakeičia DNR seką

2 Pagrindiniai mutacijų tipai

3 Cheminiai mutagenai pažeidžia DNR

5 mutacijos dažniau atsiranda karštuosiuose taškuose

6 reversijos yra genetiniai pakitimai, pakeičiantys fenotipą atgal į laukinį tipą

7 Vietinė mutagenezė

1 Rekombinacijos apžvalga

2 Homologinės rekombinacijos molekulinis pagrindas

3 Vietovės specifinė rekombinacija

4 Rekombinacija aukštesniuosiuose organizmuose

25 skyrius. Bakterijų genetika

1 Reprodukcija ir genų perkėlimas

2 Įeinančios DNR likimas po įsisavinimo

3 Transformacija yra genų perkėlimas naudojant nuogą DNR

4 Genų perkėlimas per virusą – perdavimas

5 Plazmidžių perkėlimas tarp bakterijų

6 Genų perkėlimas tarp gramteigiamų bakterijų

26 skyrius. Molekulinė evoliucija

1 Darbo pradžia – Žemės formavimasis

2 Oparino gyvybės atsiradimo teorija

3 Informacinių makromolekulių kilmė

4 Metabolizmo kilmės autotrofinė teorija

5 DNR, RNR ir baltymų sekų evoliucija

6 skirtingi baltymai vystosi labai skirtingu greičiu

7 Simbiotinė eukariotinių ląstelių kilmė

8 DNR sekos nustatymas ir biologinė klasifikacija

9 Evolving Sideways: Horizontalus genų perkėlimas


Klaidos diferencijuojant

Trys nenormalios ląstelių diferenciacijos klasės yra displazija, metaplazija ir anaplazija. Displazija rodo nenormalų ląstelių išsidėstymą, dažniausiai atsirandantį dėl įprasto jų augimo elgesio sutrikimo. Kai kurios displazijos yra vėžio pirmtakai, o kitos yra nekenksmingos ir spontaniškai regresuoja. Pavyzdžiui, gimdos kaklelio displazija, vadinama gimdos kaklelio intraepiteline neoplazija (CIN), gali išsivystyti į gimdos kaklelio vėžį. Jį galima nustatyti atlikus gimdos kaklelio tepinėlio citologinius tyrimus (Pap tepinėlius).

Metaplazija yra vienos rūšies ląstelių pavertimas kita. Tiesą sakant, dažniausiai keičiasi ne pačios diferencijuotos ląstelės, o kamieninių ląstelių populiacija, iš kurios jos gaunamos. Metaplazija dažniausiai atsiranda tada, kai lėtinis audinių pažeidimas po intensyvaus atsinaujinimo. Pavyzdžiui, plokščioji bronchų metaplazija atsiranda, kai rūkančiųjų žmonių kvėpavimo takų epitelio ląstelės virsta plokščiomis arba plokščiomis ląstelėmis. Esant žarnyno metaplazijai, skrandžio gleivinėje atsiranda dėmių, primenančių žarnyno audinį, dažnai kartu su skrandžio opalige. Abi šios metaplazijos rūšys gali išsivystyti į vėžį.

Anaplazija yra matomos diferenciacijos praradimas, kuris gali atsirasti sergant pažengusiu vėžiu. Paprastai ankstyvieji vėžiai primena savo kilmės audinius ir yra apibūdinami bei klasifikuojami pagal jų diferenciacijos modelį. Tačiau jiems vystantis atsiranda nenormalesnės išvaizdos ir padidėjusio piktybiškumo variantų. Galiausiai gali atsirasti labai anaplastinis augimas, kai vėžinės ląstelės neturi matomo ryšio su pirminiu audiniu.


Genomo reguliavimas ilgomis nekoduojančiomis RNR

Pagrindinė genų ekspresijos dogma yra ta, kad DNR yra transkribuojama į pasiuntinių RNR, kurios savo ruožtu yra baltymų sintezės šablonas. Didelės didelių RNR transkriptų, kurie nekoduoja baltymų, vadinamų ilgomis nekoduojančiomis RNR (lncRNR), transkripcijos atradimas suteikia svarbią naują perspektyvą apie RNR svarbą genų reguliavime. Čia aptariame genomo masto strategijas, skirtas atrasti ir apibūdinti lncRNR. Nauja tema iš kelių modelių sistemų yra ta, kad lncRNR sudaro didelius ribonukleoproteino (RNP) kompleksų tinklus su daugybe chromatino reguliatorių ir tada nukreipia šią fermentinę veiklą į atitinkamas genomo vietas. Atsižvelgiant į šią sąvoką, lncRNR gali veikti kaip moduliniai pastoliai, siekiant nurodyti aukštesnės eilės organizaciją RNP kompleksuose ir chromatino būsenose. Šių reguliavimo būdų svarbą pabrėžia naujai pripažinti ilgų RNR vaidmenys tinkamai genų kontrolei visose gyvybės karalystėse.


Sintetinių miRNR pranašumai

Didesnis miRNR reguliavimas ląstelėse gali būti atliktas transfekuojant ląsteles arba sintetinėmis miRNR [9], arba plazmidėmis, ekspresuojančiomis miRNR [10]. Sintetinių miRNR naudojimas turi keletą privalumų:

  • Įamžintų ląstelių sintetinių miRNR transfekcijos efektyvumas gali priartėti prie 100%. Šis didelis transfekcijos efektyvumas yra ypač naudingas didelio našumo programoms, tokioms kaip miRNR funkcinis patikrinimas.
  • Sintetinės miRNR gali būti lengvai elektroporuojamos į pirmines ląsteles, nesukeliant reikšmingos ląstelių mirties.
  • Sintetinės miRNR gali būti transfekuotos skirtingomis koncentracijomis, palengvinant dozės atsako tyrimus.
  • MiRNR brendimo ir aktyvavimo iš pri-miRNR ir pre-miRNR pirmtakų taisyklės nėra visiškai suprantamos, todėl sunku užtikrinti numatytos miRNR molekulės įsisavinimą ir aktyvavimą iš plazmidėmis pagrįstų ekspresijos sistemų. Priešingai, yra žinomos sintetinių miRNR sekos, kurios keičia vertimą.

2 dalis. Genų reguliavimas: kodėl toks sudėtingas?

00:00:01.03 Mano vardas Bobas Tjianas,
00:00:02.19 Aš esu Kalifornijos universiteto Berklyje profesorius,
00:00:06.19 kur daug metų dėsčiau molekulinę biologiją ir biochemiją,
00:00:11.02 ir visai neseniai aš taip pat ėmiausi Howardo Hugheso medicinos instituto prezidento darbo.
00:00:16.26 Ir man malonu šiandien tęsti antrąją šios serijos paskaitą,
00:00:22.29 norėdami apibūdinti keletą įdomių idėjų apie tai, kaip veikia genų reguliavimas,
00:00:30.25 ypač sudėtingesniuose organizmuose.
00:00:34.21 Dabar, paskutiniame savo paskaitų rinkinyje, palikau jums tokį požiūrį į sudėtingumo tipą, kuris turi vystytis.
00:00:48.26 leisti tokio tipo genų ekspresijos modelius, kuriuos matome daugelyje organizmų, apie kuriuos žinome, kad egzistuoja šioje planetoje.
00:01:00.29 Taigi, yra keletas tikrai intriguojančių klausimų, kuriuos aptarsiu šioje antroje paskaitoje.
00:01:09.15 Ir vienas dalykas, kurį jums palikau, buvo daugelio molekulių, kurios turi susijungti, sąveikos vaizdas.
00:01:18.26 ir nusileisti tam tikroje DNR molekulės vietoje, kuri yra organizmo chromosomos dalis.
00:01:24.25 ar organizmo ląstelėje, ir kaip šis procesas gali veikti.
00:01:31.04 Bet, manau, klausimas, kuris mus kamuoja dešimtmečius,
00:01:35.20 dabar, kai geriau supratome, kaip atrodo ši molekulinė mašina, susijusi su DNR informacijos dekodavimu į genų ekspresiją,
00:01:49.07 susimąstėme, kodėl tai taip sudėtinga?
00:01:53.20 Norėdami pradėti spręsti šią problemą, leiskite man tiesiog grįžti prie paprastos koncepcijos.
00:02:01.10 Ir jūs prisimenate, kad skirtingų organizmų genomai yra skirtingo dydžio,
00:02:08.00, tai yra DNR kiekis, reikalingas tam tikram organizmui užkoduoti.
00:02:14.23 Ir štai keletas bakterijų, paprastų vienaląsčių prokariotinių organizmų, pavyzdžių,
00:02:22.18 taip pat vienaląsčių eukariotų organizmų, tokių kaip kepimo mielės, o tada yra mažas, apvalus dirvožemio kirminas C. elegans,
00:02:30.25 ir tada galite eiti iki žinduolių ir stuburinių gyvūnų.
00:02:33.29 Pirmiausia pamatysite, kad DNR kiekis gali labai skirtis nuo kelių milijonų bazinių porų
00:02:40.17 iki 3 milijardų bazinių porų ar daugiau.
00:02:45.00 Kartu su tokiu didėjančiu DNR lygiu ir chromosomų ilgiu jūs taip pat turite skirtingus genų lygius.
00:02:54.13 Dabar pastebėsite, kad genų diapazonas yra daug mažesnis nei DNR ilgio diapazonas,
00:03:00.20 taigi tai iš dalies informuoja apie tai, kodėl mums reikia sudėtingumo, kurį galiausiai atradome
00:03:10.26 formuojant šią molekulinę mašiną, kuri yra atsakinga už genetinės informacijos skaitymą.
00:03:17.22 Taigi tai tik nedidelė lentelė, skirta dar kartą pabrėžti, kad šie sudėtingesni genomai, o tai taip pat reiškia sudėtingesnius organizmus,
00:03:28.15 o tai iš tikrųjų reiškia daugybę skirtingų ląstelių tipų, daugybę skirtingų elgsenų, sudėtingą sąveiką su aplinka ir pan.
00:03:38.24 kaip visa ši informacija iš tikrųjų iššifruojama iš mūsų genomų?
00:03:43.03 Ir vienoje pusėje čia matote prokariotų šerdies genų reguliavimo mechanizmą,
00:03:50.07 arba pagrindinės transkripcijos mašinos ir beveik visose bakterijose,
00:03:54.20 tai tik keli polipeptidai. 5, 6, 7 polipeptidai.
00:04:00.00 Tada, šioje pusėje, pamatysite, kad vadinamieji eukariotiniai organizmai,
00:04:05.00 ir ypač kai kalbate apie daugialąsčius metazoaninius organizmus, dabar matote didžiulę baltymų įvairovę ir skaičių arba
00:04:15.17 kaip mes vadiname, transkripcijos faktoriai, kurie yra būtini norint surinkti į labai didelius, kelių subvienetų ansamblius
00:04:25.18 kurie reikalingi norint transkribuoti 10 000–30 000 genų, kurie apibrėžia šiuos sudėtingesnius organizmus.
00:04:33.21 Taigi, iš karto matote, kad yra toks subvienetų ir mechanizmų gausėjimas ir sudėtingumas.
00:04:43.00 Taigi, šioje paskaitoje aš suteiksiu jums šiek tiek supratimo, kodėl taip yra,
00:04:49.11 ir kuo ypatingas sudėtingesnis daugialąstelis organizmas,
00:04:55.11 ir kodėl ši mašina galėjo būti labiau ištobulinta evoliucijos metu, palyginti su paprastesniais organizmais.
00:05:05.07 Vienas iš pirmųjų dalykų, kurį supranti pažvelgęs į kamerą,
00:05:10.03 arba ypač aukštesnio organizmo branduolys, tarkime, mūsų pačių ląstelės, palyginti su bakterija,
00:05:17.10 yra tai, kad DNR, ta pati molekulė, kuri sudaro genetinę informaciją, yra tarsi supakuota labai skirtingai.
00:05:25.11 Taigi visuose eukariotuose dvigrandė DNR nėra tokia forma, kokią mes vadiname
00:05:33.29 „nuoga“ DNR, kuri čia rodoma viršuje. Bet verčiau,
00:05:38.17 ši DNR yra apvyniota baltymų rinkiniu, labai baziniais baltymais, vadinamais „nukleozomomis“.
00:05:46.00 ir jie savo ruožtu toliau supakuoti iki labai sutankintos formos
00:05:52.09 kuris galiausiai sudaro chromosomas, kurias galėsite matyti pro mikroskopą.
00:05:57.26 O mėlynos figūros čia ir žalios figūros tiesiog suteikia jums vaizdą apie
00:06:02.29 didelės skiriamosios gebos nukleosomos struktūra su DNR apvyniota aplink ją.
00:06:09.00 Taigi, kokios yra visos mūsų DNR pasekmės,
00:06:14.04 visos mūsų chromosomos, kondensuotos ir taip suvyniotos?
00:06:18.09 Galite galvoti apie tai kaip supakuotą.
00:06:20.15 Na, vienas dalykas yra tas, kad galite visa tai sugrūsti į mažą branduolį,
00:06:25.15 taigi, jei ištrauktume savo DNR kiekvienoje kūno ląstelėje, nuo galo iki galo
00:06:31.20 ir ištempė kaip virvelę, ji yra beveik metro ilgio.
00:06:35.12 Ir vis dėlto, jūs turite visa tai sutalpinti į mažą, mažą tomą.
00:06:39.10 Ir dalis to, kas vyksta, yra tai, kad galite sutankinti DNR šiomis struktūromis.
00:06:46.24 Dabar to pasekmė, žinoma, kažkaip turite derėtis
00:06:52.18 per šią labai suspaustą DNR formą, kad gautumėte prieigą prie DNR informacijos ir genų.
00:07:00.12 Taigi, kitaip tariant, jūs turite turėti mašiną,
00:07:04.24 transkripcijos aparatas, kurio darbas yra nuskaityti DNR ir, prisimeni iš pirmosios paskaitos,
00:07:10.27 konvertuoti tą DNR informaciją į RNR, tarpinę molekulę
00:07:14.23 kuris galiausiai virsta baltyminiu produktu.
00:07:18.19 Akivaizdu, kad viena iš priežasčių, kodėl turime šią labai sudėtingą transkripcijos mašiną
00:07:25.02 iš dalies yra susijęs su būtinybe naršyti per chromatino šabloną, o ne apnuogintą DNR šabloną.
00:07:33.24 Taigi yra įvairių baltymų ir baltymų kompleksų, kurie vadinami
00:07:38.29 „chromatino remodeliavimo kompleksai“, „chromatino modifikavimo kompleksai“,
00:07:44.12 ir jie turi derėti su transkripcijos mechanizmais, esančiais geltonai ir oranžine spalva,
00:07:50.01 norėdami naršyti ir iš esmės išreikšti sąveikų seriją
00:07:55.08 tai sandoriai tarp baltymų mechanizmo ir DNR.
00:08:00.29 Taigi tai labai sudėtinga problema.
00:08:04.10 Taigi tai yra dalis problemos arba dalis priežasties, kodėl manome, kad tai toks sudėtingumas.
00:08:09.11 Taigi, kaip mes priėjome prie šios nuotraukos?
00:08:12.05 Kaip mes pagaliau supratome, kad yra daugiau nei 85 baltymai, kurie visi turi būti surinkti ant chromatino šablono?
00:08:21.16 suteikti jums genų ekspresiją ir transkripciją tinkamoje vietoje ir tinkamu laiku?
00:08:26.25 Ir aš noriu tik trumpai pažvelgti į technologiją, kurią galima panaudoti sprendžiant problemą,
00:08:37.03 kaip suskaidyti šią sudėtingą mašiną į suprantamus vienetus?
00:08:42.29 Ir kaip sakiau pirmoje paskaitoje, yra daug įrankių, kuriuos naudoja molekuliniai biologai.
00:08:47.18 ir biochemikai gali bandyti atsikratyti šių sudėtingų molekulinių sandorių.
00:08:53.18 Vienas iš jų, žinoma, yra naudoti genetiką, tai yra naudoti genetinę mutaciją
00:08:58.29 arba pašalinti arba pakeisti vieną konkretų geno produktą ir tada paklausti, kokios pasekmės.
00:09:05.06 Kitas būdas tai padaryti – iš tikrųjų paimti ląstelę su visu jos sudėtingumu
00:09:10.02 ir pažodžiui suskaidykite į sudedamąsias dalis, o tada pabandykite jį vėl sudėti
00:09:14.09 vėl funkcine forma. Ir tai aš jums šiandien parodysiu.
00:09:18.00 Ir tai technologija, kurią aš savotiškai vadinu „biocheminiu papildymo tyrimu“.
00:09:23.03 Ir tai labai paprasta: jūs klausiate, kokie yra minimalūs komponentai,
00:09:27.24 pavyzdžiui, žmogaus geno atveju. kokie yra minimalūs transkripcijos aparato baltymų komponentai
00:09:33.29 kad galite išskirti iš ląstelės branduolio, kurį turite įdėti į mėgintuvėlį
00:09:38.19 kuri leis jums iš esmės rekonstruoti arba, kaip mes sakome,
00:09:42.19 atkurti veiklą, kuri leistų tiksliai perskaityti geną?
00:09:48.19 Ir jūs galite nuolat pridėti arba atimti įvairių baltymų,
00:09:53.13 geltonos, žalios, oranžinės ir t.t.
00:09:56.24 ir paklauskite, ar tai koks nors skirtumas?
00:09:59.11 Ir atliekant šį sudėjimo ir atėmimo, arba „biocheminio papildymo“ testą,
00:10:04.29 galite labai greitai sužinoti, kokių minimalių komponentų reikia norint suaktyvinti geną reguliuojamu būdu,
00:10:11.12 ir kokių kitų dalykų gali prireikti šiai veiklai palaikyti.
00:10:16.15 Taigi, pirmasis klausimas, kuris buvo užduotas, buvo maždaug iš biocheminės analizės.
00:10:24.02 keturios dešimtys skirtingų baltymų: ko tikrai reikia ir ko pakanka?
00:10:30.07 Kitaip tariant, koks yra minimalus komponentų rinkinys, kurio reikia norint užtikrinti reguliuojamą transkripciją?
00:10:36.29 Taigi dabar užduodame sudėtingesnį klausimą.
00:10:39.09 Ne tik tai, kas būtina norint tiesiog atlikti transkripciją, kitaip tariant, DNR pavertimą RNR,
00:10:45.29 bet daryti tai reguliuojamai.
00:10:47.27 Nes juk tai yra tikrai įdomu.
00:10:50.23 štai kodėl viena ląstelė tai daro vienu būdu, o kita ląstelė turi skirtingą programą.
00:10:55.25 Ir šis eksperimentas sako, kad mūsų sekai būdingas klasikinis transkripcijos faktorius
00:11:02.00 suriša DNR jos reguliuojamoje promotoriaus srityje kartu su tuo, ką vadinsime „šerdimi“ arba
00:11:09.07 „bazinis“ transkripcijos mechanizmas yra būtinas, bet nepakankamas.
00:11:14.07 Taigi, plius ar minus aktyvatorius Sp1 neturi jokio skirtumo,
00:11:19.16 nors žinome, kad gyvoje ląstelėje Sp1 labai aktyvina šį geną, į kurį žiūrime.
00:11:26.16 Taigi, tai reiškia, kad šiame atkūrimo eksperimente kažko trūksta.
00:11:31.16 Taigi, kaip rasti tai, ko trūksta?
00:11:35.03 Ir šis biocheminis papildymas iš tikrųjų priklauso nuo mūsų gebėjimo paimti ląsteles, kuriose yra būtinų komponentų.
00:11:43.25 ir pakankamai komponentų, tada pradėkite jį išgauti
00:11:47.28 ir išsiaiškinti, kurių molekulių trūksta, kurių mes dar neįtraukiame į savo reakciją.
00:11:54.05 Ir kad tai padarytume, iš esmės turime paimti ląsteles, šiuo atveju, žmogaus ląsteles,
00:11:58.28 suskaidyti ląsteles, išgauti branduolį, pašalinti iš branduolio visus baltymus,
00:12:04.03 ir pradėti atskirti tūkstančius skirtingų baltymų
00:12:08.05 kurie yra branduolyje į skirtingus telkinius, jei norite.
00:12:12.08 Mes juos atskiriame pagal jų fizines ir chemines savybes,
00:12:17.19 ir kai kurie iš jūsų tikriausiai turėjote patirties dirbant su kolonėlės chromatografais.
00:12:23.16 Tai iš esmės yra baltymų atskyrimo būdas pagal jų teigiamą krūvį, neigiamą krūvį, molekulinį dydį,
00:12:32.16 hydrophobicity (in other words, how greasy they are. how well they interact with water), and so forth.
00:12:38.20 So if you do that iteratively, as is shown here in a series of different anion exchange
00:12:45.23 and cation exchange, as well as gel filtration, chromatographs,
00:12:50.12 you can eventually separate the thousands of different components of a nuclear extract into its individual parts.
00:12:59.00 And then you can test each one to see if they're the missing piece.
00:13:03.15 And when you do that, lo and behold, you find that there are a couple of missing pieces
00:13:07.22 that are necessary for you to add back, in other words, reconstitute, the reaction
00:13:13.12 so that now you have regulated transcription.
00:13:15.27 So unlike the previous data that I showed you,
00:13:19.14 now you can see that the machinery is more complex and, most importantly,
00:13:24.23 you can see also that the machinery is now responsive to the activator.
00:13:29.19 So, the signal with the activator, plus Sp1, is much darker than in the signal without Sp1.
00:13:36.13 That means that there is activated transcription that is Sp1-, a classical transcription factor, dependent.
00:13:43.11 So that allowed us to identify two very important, key components that we didn't know about before we did this experiment:
00:13:51.29 One is a multi-subunit complex called the "Transcription factor II D,"
00:13:57.25 and the other one is called the Mediator complex.
00:14:01.01 And these turn out to actually define an entirely new class of transcription factors, which are the so-called co-factors.
00:14:09.27 So I'm going to tell you a little bit more about one of these co-factors,
00:14:13.15 because they both really perform similar functions,
00:14:16.13 but we happen to know quite a bit more about one of them than the other.
00:14:20.17 So this so-called TFIID complex has roughly 15 subunits, in other words,
00:14:25.28 15 separate proteins that have to mesh together to form a complex.
00:14:31.22 And it's a very large macromolecule, so it's a million daltons.
00:14:36.23 that's a very, very large, floppy molecule, with many pieces to it.
00:14:41.12 One of its functions you already know about,
00:14:43.16 because it contains as one of its subunits the so-called "TATA-binding protein."
00:14:48.12 That's that saddle-shaped molecule that binds to double-stranded DNA,
00:14:55.02 at the AT-rich sequence called a TATA box,
00:14:58.06 which is associated with many genes in animal cells.
00:15:02.09 But what we've come to learn in the last decade or so is that this little complex
00:15:07.22 is doing much more than just simply binding to the TATA box
00:15:11.18 it's doing a whole bunch of other things that we didn't have any idea about.
00:15:15.12 And now that we knew the existence of this activity and that it was critical not only for TATA binding,
00:15:22.08 but also for mediating or potentiating transcription activation, we then could break down
00:15:28.04 more of its functions of individual subunits, because you remember there's 15 different polypeptides here.
00:15:34.09 And this is just a little summary showing you that this complex of proteins
00:15:38.11 is doing a lot of different functions.
00:15:41.18 It's recognizing the nucleosomes, which have a basic protein called a "histone,"
00:15:49.26 and so it recognizes histones only when it's got
00:15:53.09 a certain chemical modification called an acetylation event.
00:15:59.12 This big orange complex also itself has enzymatic activity, including kinase activity,
00:16:06.06 which can put phosphate groups on other proteins and enzymes.
00:16:10.04 It has acetylase activity, and of course, it has to interact directly
00:16:15.05 with activators in order to potentiate their function in turning on transcriptional activation.
00:16:22.07 And I'm probably safe in speculating that
00:16:26.20 there are yet unknown functions of this large complex that we still have to discover,
00:16:32.23 because we've really only understood maybe half of the subunits, and even there,
00:16:37.25 only partially understood the functions of that half of the subunits that are part of this complex.
00:16:44.05 So, there's clearly much more work to be done, but I think what's clear from these experiments
00:16:48.25 is that these proteins are doing a lot more than just binding DNA.
00:16:53.08 They're what I would think of as integrators of information.
00:16:58.01 So, this integrator of information means that this structure and the function is very complex, and so,
00:17:04.27 one of the things that we've had to do.
00:17:08.00 it's been a very challenging problem that remains challenging,
00:17:11.21 because we haven't solved all the technical problems.
00:17:13.18 is that because it's a large, megadalton, floppy molecule, solving the three-dimensional
00:17:19.25 structure of such large assemblies has proven to be rather technically challenging.
00:17:26.08 And we have to use many different techniques to try to address this in:
00:17:31.28 X-ray crystallography, NMR.
00:17:34.07 but one of the techniques that's emerging, that's very, very powerful
00:17:38.09 for solving the structures of these large assemblies is something called "cryo-electron microscopy."
00:17:46.24 It's basically a way of freezing these large assemblies in place,
00:17:52.18 and then solving their structure by microscopy.
00:17:55.29 And this is just about a 25 angstrom, so relatively low-resolution structural determination,
00:18:03.17 of the human TFIID complex and, most importantly,
00:18:08.24 its relationship to two other transcription factors that are part of the assembly
00:18:14.03 that has to align itself up on the promoter to start transcription,
00:18:18.08 and that's the other two transcription factors TFIIA and B, which are shown in green and purple here.
00:18:24.13 So you can slowly start building up the entire complex in pretty accurate three-dimensional space
00:18:33.00 to figure out what its shape will inform us about its function,
00:18:37.15 and that's something that's an ongoing project in many laboratories in molecular biology.
00:18:43.01 So, this cartoon. and again I want to emphasize that
00:18:46.27 all the figures there and the colored blobs are more a part of our imagination at this point,
00:18:53.16 although, as I just showed you, we actually have real structures of some components of this pre-initiation complex.
00:19:02.25 This slide just emphasizes the point that there's a lot of information integration going on,
00:19:09.22 and that there is protein-protein and protein-nucleic acid interactions
00:19:15.06 that are critical for the regulatory functions of these large, macromolecular assemblies.
00:19:21.02 And this also reminds you that there are at least three separate classes of transcription factors
00:19:27.17 that are playing a key role in the regulation of genes:
00:19:30.28 the classical activator and repressor that are sequence-specific DNA-binding proteins,
00:19:35.26 like the Sp1 protein I talked to you about earlier, just shown here in pink
00:19:41.11 there are the components of the core machinery, which are shown in yellow
00:19:45.27 and then you have these things we call co-factors or co-activators,
00:19:49.12 that are integrating information between the activators and the core machinery.
00:19:56.06 So this kind of gives you a slightly better view of why there's this kind of complexity,
00:20:04.06 but it still doesn't really address all of the issues with respect to:
00:20:09.22 Why do you need 85 proteins to do this?
00:20:12.09 So, let me dig a little deeper into this.
00:20:15.00 So, first, let me just pose some of the questions that are really still largely unresolved in the field,
00:20:21.14 even though this is a pretty mature area of study
00:20:24.10 we've been trying to address these issues for a couple of decades,
00:20:28.14 and it goes to show how difficult it is to really tease apart this complex molecular machinery.
00:20:34.23 And I should say that the complexity of this machinery is not unique
00:20:38.19 to the transcriptional apparatus. Many other biological processes are also dependent on
00:20:43.23 macromolecular machines that are very similar in complexity to this one.
00:20:49.04 So I think things that we learn about the transcriptional machinery could be applied in principle to many other machineries.
00:20:56.20 So, couple of interesting questions:
00:21:00.20 What are the transcriptional mechanisms that regulate complex cell types?
00:21:06.29 Because, after all, multicellular organisms evolved to having many, many different
00:21:13.12 cell types, so our bodies are made up of many different cell types,
00:21:18.23 which means that each cell's performing a different function.
00:21:22.02 Our hair follicle cells are producing hair, our red blood cells are
00:21:27.02 producing hemoglobin and doing something else, our skin cells are protecting us.
00:21:31.17 Each cell type is doing a different thing, so how does this happen,
00:21:36.01 how do we generate this diversity of cell types through the gene regulatory networks?
00:21:42.17 And then, knowing what we now know about the first level of complexity of the machinery
00:21:49.04 that's responsible for decoding this information, what more can we learn about the process of regulation now?
00:21:57.03 Particularly, what is the division of labor between the core machinery
00:22:03.24 (which binds to the promoter), the activators, and the co-activators?
00:22:08.22 So, what is their relationship, and what's their respective roles in defining cell type-specific gene expression?
00:22:16.19 That's really the last topic that I want to cover in this lecture.
00:22:21.06 So, let's review a few basic facts about individual cell types.
00:22:26.13 So, let's take two well-recognized cell types: fat cells and muscle cells.
00:22:33.12 Very different cells that perform very different functions,
00:22:36.27 but every cell in a particular organism has the same genetic information.
00:22:43.04 It has the same DNA, it has the same set of chromosomes.
00:22:46.08 That means that these two cells have to be using different parts of the information
00:22:52.09 from the genome to give it their distinct identities.
00:22:56.20 So, each cell must only express some subset of the genes,
00:23:03.21 and that particular subset would define the function of a fat cell versus a muscle cell.
00:23:10.11 And, so then the question becomes:
00:23:12.26 Okay, that makes sense, but how do you get there?
00:23:15.02 How do you get cell type-dependent differential gene expression patterns?
00:23:20.16 How do you turn on the right genes to make fat
00:23:22.27 versus keeping the muscle cell gene functions turned off, and vice versa?
00:23:29.06 So that is a fundamental question of trying to understand the process of cellular differentiation,
00:23:36.19 cell-specific function, and really, developmental biology.
00:23:41.09 Another set of interesting points to make is that, of the 20,000 to 30,000 genes
00:23:46.18 that a typical metazoan organism encodes, a pretty big chunk of it is devoted
00:23:54.03 to the very machinery that I'm talking about, in other words, the transcription factors.
00:23:59.04 So roughly somewhere between 5 and 10% of the entire coding capacity
00:24:04.02 of genes in a genome is devoted to encoding transcription factors.
00:24:10.11 So this is clearly a very important class of molecules.
00:24:13.02 So that means there are several thousand transcription factors.
00:24:16.28 But now if you start thinking about the many, many thousands of cell types and the behavior of different cells,
00:24:23.16 are a few thousand transcription factors, in and of themselves, enough to generate the diversity of function?
00:24:31.14 And this is where we have to start thinking about,
00:24:33.21 how do you create really large numbers of distinct transcriptional networks?
00:24:40.28 And they really are networks, as you'll see in a minute.
00:24:43.15 And one thing that became clear as we defined what genes look like and what a promoter as a transcriptional unit looks like,
00:24:51.22 we come to understand that the only way to create the kind of huge levels of diversity of distinct transcriptional
00:24:58.20 components and patterns, is to do it by combinatorial regulation.
00:25:03.12 And what do I mean by that?
00:25:04.27 So, one way to think about it is that you might only have ten cards,
00:25:09.25 but if you shuffle those ten cards and pick four at a time,
00:25:13.06 you can have many, many combinations.
00:25:15.11 So here's a perfect example of three different cell types, could be in the same organism,
00:25:20.11 and each of those symbols represents binding sites,
00:25:25.22 and then the little boxes and triangles above them represent the binding proteins.
00:25:32.18 And you can see that those three cell types might express these sets of genes in similar ways,
00:25:38.25 but they use different combinations of proteins to do it.
00:25:42.08 And this is really the notion of combinatorial mechanisms for gene regulation,
00:25:46.27 and we now know that that is indeed the way, at least in part,
00:25:51.05 that gives us the ability to create many different specific transcription patterns.
00:26:00.04 I have to now also tell you about another, I would say, defining,
00:26:04.23 unusual property of transcription in animal cells,
00:26:09.06 and this is a hard one sometimes to get your head around.
00:26:12.19 And that is that these different little units of DNA that specify the activity of a gene
00:26:18.20 don't have to be sitting, linearly and spatially, directly next to the gene that it's activating or repressing.
00:26:26.21 They can sit tens of thousands of base pairs away from the site.
00:26:32.04 So these we call long-distance enhancers or silencers, so they can both upregulate a gene.
00:26:39.01 in other words, make more of the gene or less or the gene.
00:26:41.27 And the thing that was so surprising was that the intervening DNA can be very, very long
00:26:48.04 it can be thousands and maybe even millions of base pairs.
00:26:53.00 So how does this work?
00:26:53.28 How can something sit so far away actually influence transcription at a very remote site?
00:27:00.26 And this is one of the big conundrums that we still face in the field.
00:27:05.15 We have some models and we have some ideas that we can test,
00:27:08.09 and I'll end my lecture with a few speculations about that.
00:27:11.24 But clearly, we don't fully understand this so-called long-distance regulation,
00:27:16.27 which clearly is regulated by activators and repressors just like
00:27:21.09 the same players that we've been talking about, like the Sp1 molecule and other activators.
00:27:26.12 But yet, how they can reach across long distances of the chromosome to grab on to the core machinery to actually impart information
00:27:36.06 and to create the kind of specific regulatory events is still somewhat obscure.
00:27:43.28 So, another thing that I should say is that,
00:27:47.07 because of the combinatorial mechanisms of generating diversity was so dependent
00:27:54.18 on the distinct sets of sequence-specific DNA-binding proteins,
00:28:00.12 over the last two decades we've come to kind of a traditional model that the core machinery stays relatively invariant.
00:28:10.04 In fact, we kind of think of it as universal, because if you break open a nucleus of a very
00:28:15.11 simple organism like yeast, or you break open the nucleus of a human cell,
00:28:21.22 that machinery looks remarkably similar to each other.
00:28:24.26 And yet, their gene networks are very, very different, so we thought,
00:28:29.05 well, maybe it's all having to do with the sequence-specific DNA-binding proteins,
00:28:34.07 that will generate the diversity through combinatorial regulation.
00:28:38.25 And that's probably true in fact, there's a lot of evidence to support that.
00:28:42.27 But it was only part of the story.
00:28:45.04 So, a kind of related question would be:
00:28:47.25 Are we really right in thinking that the core machinery is universal and invariant?
00:28:54.03 And that turns out to be an oversimplification.
00:28:57.06 So it turns out evolution didn't work that way.
00:29:02.26 And when we looked very carefully in the last few years, particularly at individual,
00:29:07.02 different, distinct cell types, let's say muscle versus fat, or neuron, or liver cell,
00:29:13.01 we certainly see differences in the activators, as we would expect, and indeed they are working in combinatorial fashion,
00:29:20.02 but they're not only working combinatorially with each other,
00:29:23.06 but they are combining in different combinations with the core machinery, which is itself variable.
00:29:29.23 And that was kind of a revelation that's really become more clear just in the last few years.
00:29:35.29 So, in addition to the sequence-specific binding proteins and their diversity,
00:29:41.10 there turns out to be a much greater degree of diversity in the core machinery,
00:29:46.09 the parts that we thought were invariant, than we ever imagined.
00:29:50.11 Now, once you realize that that's the case,
00:29:54.07 that opens up a whole other level of generating diversity that we didn't anticipate,
00:29:59.13 and that of course really allows multicellular organisms to diversify in unbelievable ways.
00:30:06.18 So, let's drill down finally a little bit at how did we find this out, and where are we going?
00:30:13.08 So now, unlike a few decades ago when we first began to study the process of transcription
00:30:20.02 and discovered all of this initial complexity, in those days we mainly worked on just a few different cell types.
00:30:28.13 But today, we have the ability technically to work with just about any cell type,
00:30:33.18 from the most complex, such as embryonic stem cells,
00:30:37.13 to perhaps the simple cell, like the skeletal muscle, and everything in between.
00:30:41.18 liver cells, neuronal cells, and so forth.
00:30:45.03 And this has really opened up our view of just how diverse, interesting,
00:30:51.17 and variable the transcriptional apparatus is, that is probably really necessary
00:30:56.18 from an evolutionary standpoint to drive the diversity of gene expression and cell types that we see.
00:31:04.10 The first hint that this core machinery that we thought was so invariant may not be so invariant,
00:31:10.14 came from studying the development of the skeletal muscle.
00:31:14.21 So when you go from a precursor cell called a myoblast, which looks like most every other mammalian cell,
00:31:21.13 with its standard, prototypic core machinery, and then when you look at it when that cell type differentiates, in other words,
00:31:29.16 specializes into a myotube (which will ultimately form skeletal muscle, which is the muscle around your large bones
00:31:37.03 that makes you be able to move),
00:31:39.16 it turns out that it not only shifts which transcriptional activators it uses,
00:31:45.05 but it also jettisons the prototypic core machinery and substitutes it with some modified versions of that core machinery,
00:31:53.21 which is shown down here in the purple and the bright blue.
00:31:57.29 So this was really a change in the paradigm of the way we're thinking about regulation,
00:32:03.08 and of course, this was just the first example.
00:32:07.08 One wanted to know if similar things were happening in other different cell types, and very quickly,
00:32:13.04 if you look at hepatocytes or liver cells, if you look at adipocytes or fat cells,
00:32:18.21 if you look at neuronal cells, and you compare what's going on in muscle,
00:32:23.07 in every case, one can find changes in the core machinery, either because a particular component
00:32:28.28 like one of the TBP-associated factors is highly upregulated (that means its concentration went way up,
00:32:35.15 when all the other ones went down), or some other permutation.
00:32:39.09 In other words, clearly, components of the so-called core machinery were variable from cell type to cell type,
00:32:46.20 and that really changed the way we thought about how regulation of multicellular organisms works.
00:32:54.28 At the same time that we were looking at these,
00:32:57.17 what we would call mature, terminally differentiated cell types,
00:33:01.20 we were also looking at perhaps one of the most interesting cell types that we could study,
00:33:06.18 particularly if we're interested in understanding the process of mammalian development,
00:33:11.23 and those are of course the embryonic stem cells.
00:33:14.14 These are those amazing cells that, when tickled with just the right chemicals or physiological signals,
00:33:21.08 can turn themselves into every cell type of an organism, maybe 10,000 different cell types.
00:33:31.06 So, this so-called pluripotency made these human and mouse embryonic stem cells very special for all kinds of reasons,
00:33:41.05 partly because they are amazing models to study this process of development and differentiation,
00:33:46.18 but partly because of biomedical possibilities for cell regeneration and therapeutics.
00:33:57.02 So we've studied this, and these are very, very new studies,
00:34:01.27 and I'll just very quickly touch on it. We really were curious,
00:34:05.23 how can these cells be so pluripotent?
00:34:09.08 That is, their capacity to turn into every other cell type seems so amazing, what is the mechanism,
00:34:15.07 what's the machinery that's going to allow these cells to be able to differentiate into every cell type in the body?
00:34:22.16 And so, we began to probe this.
00:34:24.27 In some cases, we did it by the genetic technology, which is we made
00:34:29.08 mutations in certain candidate regulatory factors and transcription factors,
00:34:34.10 and then asked, does that have a consequence on the development of different cell types?
00:34:41.10 In other cases, we used a standard biochemical complementation technology to figure out what's going on.
00:34:47.21 So, I'll finish with two quick stories.
00:34:51.06 So, using the genetic tools of knocking genes out and asking
00:34:55.02 what effect it has on differentiation and pluripotency, we discovered that
00:35:01.15 a component of the core machinery (or at least we used to think of it as being purely of the core machinery),
00:35:07.07 that is, one of the TBP-associated factors, particularly TAF3,
00:35:11.26 turns out to be extremely important for the regulation and
00:35:15.23 expression of genes that will ultimately define the so-called endoderm.
00:35:23.17 And that's true for both the so-called primitive endoderm and the definitive endoderm,
00:35:28.04 which ultimately will give rise to the placenta, the yolk sac, lungs, liver,
00:35:32.12 pancreas, intestines, and so forth.
00:35:34.17 At the same time, knocking out this TAF3 had the opposite effect on the other two major germ layers,
00:35:42.09 which are the mesoderm and the ectoderm.
00:35:44.13 So here was a really beautiful case of differential function of a transcription factor
00:35:50.28 that was not a standard sequence-specific binding protein.
00:35:55.09 This core machinery factor, which by the way, probably on its own doesn't even bind to DNA directly,
00:36:01.20 when you knock it out, you lose the ability to form endoderm,
00:36:05.22 but you elevate the probabilities of forming mesoderm and ectoderm.
00:36:09.18 In other words, the balance between these different cell types gets messed up,
00:36:13.20 and of course this will cause major difficulties for a developing embryo.
00:36:21.16 Even more interesting and intriguing, and this really goes to show the level of information that we still lack,
00:36:28.15 although TAF3 was originally defined both genetically
00:36:32.04 and biochemically as part of the TFIID core promoter recognition complex,
00:36:37.02 and it is absolutely true that that is the case,
00:36:40.04 it had another life that it led that we didn't know about.
00:36:43.17 So TAF3, it turns out, it doesn't have to strictly function as part of this large multi-subunit core promoter complex,
00:36:52.17 but it can also do other jobs, and in this case, it pairs up, or partners up,
00:36:57.06 with a different transcription factor called CTCF (doesn't really matter what the name is)
00:37:03.02 and now it does its job in a completely different way.
00:37:06.16 And in fact, the most recent experiments suggest that TAF3 and CTCF get together
00:37:12.03 to partly allow that amazing property of long-distance regulation.
00:37:17.25 So, regulators bound at thousands of base pairs away from the site of activity
00:37:24.21 can be brought together in three-dimensional space by what's known as "DNA looping,"
00:37:31.04 and it turns out that TAF3 is involved in this DNA looping, together with a whole bunch of other proteins,
00:37:38.00 whose relationship to TAF3 is still not entirely clear.
00:37:45.02 And we find it particularly intriguing and exciting that this type of long-distance function is being
00:37:50.06 carried by a TAF and in the context of embryonic stem cell differentiation potential to form endoderm.
00:37:57.19 So this is a very, very new type of way of thinking about the core transcription factors.
00:38:06.11 Likewise, when we looked at the embryonic stem cell transcriptional circuitry and asked,
00:38:13.20 what other transcriptional co-regulators, or regulators and co-factors,
00:38:17.18 are necessary to allow this so-called pluripotency program?
00:38:23.01 This amazing ability of these cells to be able to differentiate into every other cell type,
00:38:27.03 how does that happen? What is allowing that to happen
00:38:30.23 in this particular cell type, and not in other cell types?
00:38:33.23 And again, using the biochemical complementation technology,
00:38:38.00 we recently were able to identify a new co-factor complex, again a multi-subunit complex,
00:38:45.15 called the SCC, or "stem cell co-factor."
00:38:49.25 And remarkably, this SCC-B turns out to be a well-known protein that again had a different lifestyle in other cell types.
00:38:59.18 It's a protein complex that had previously been described as XPC,
00:39:03.29 which stands for "Xeroderma pigmentosum, complex C,"
00:39:08.22 which means that it's involved in DNA repair.
00:39:11.07 So up until now, we thought XPC was only functioning as a DNA repair complex,
00:39:16.14 and now we know that it's doing something quite different,
00:39:19.12 but only in the context of ES cells, which is to form a co-factor complex that will potentiate
00:39:25.27 the activity of two critical transcriptional activators, Oct4 and Sox2,
00:39:31.21 which define the pluripotent, self-renewing state of ES cells.
00:39:36.20 Taigi tai tik du pavyzdžiai to, apie ką mes mokomės,
00:39:41.21 besitęsianti saga apie tai, kaip transkripcijos mechanizmai vystėsi ir veikia gyvūnų ląstelėse.
00:39:50.26 Ir baigsiu šia paskutine modelio skaidre,
00:39:54.00 tai tiesiog pakartoja tai, ką ką tik pasakiau:
00:39:57.00 Turime nepamiršti, kad generuodami didelius kombinacinių specifinių genų tinklų rinkinius,
00:40:07.07 turime naudoti ne tik sekai specifinių DNR surišančių baltymų įvairovę,
00:40:11.29 bet vis dažniau matome pavyzdžių, kad anksčiau laikytų kintamų pagrindinių mechanizmų komponentai
00:40:19.14 yra neatsiejama genų ekspresijos kombinatorinio reguliavimo įvairinimo dalis.
00:40:26.18 Ir tai, žinoma, atveria daug naujų galimybių,
00:40:30.08 ir įtariu, kad vis dar yra daug klaustukų apie tai, kas tiksliai yra kiekvienas iš šių komponentų
00:40:36.27 skatina sudėtingą reguliavimą, kuris sukelia sudėtingumą, kaip ir žmonės,
00:40:44.12 žmogaus smegenys, visa fiziologija, kuri tęsiasi.
00:40:48.03 Ir, žinoma, kai mes suprantame šiuos mechanizmus išsamiau,
00:40:51.23 Manau, kad turime daug daugiau galimybių spręsti žmonių ligų ir kitų organizmų ligų problemas.
00:40:59.10 Nes galiausiai turime suprasti ligos molekulinį pagrindą,
00:41:03.21 ir manau, kad didžioji to dalis yra genų reguliavimo mechanizmų supratimas.

  • 1 dalis. Genų reguliavimas: įvadas


Žiūrėti video įrašą: Hematopoiesis. Hematologic System Diseases. NCLEX-RN. Khan Academy (Gruodis 2022).