Informacija

25 ir 26 paskaita: Genų ekspresijos reguliavimas – biologija

25 ir 26 paskaita: Genų ekspresijos reguliavimas – biologija


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.

Įvadas į genų reguliavimą

Reguliavimas susijęs su sprendimų priėmimu. Todėl genų reguliavimas yra susijęs su supratimu, kaip ląstelės priima sprendimus, kuriuos genus įjungti, išjungti, sureguliuoti ar sumažinti. Kitame skyriuje aptariame kai kuriuos pagrindinius mechanizmus ir principus, kuriuos ląstelės naudoja genų ekspresijai reguliuoti reaguojant į ląstelių ar išorinių veiksnių pokyčius. Ši biologija yra svarbi norint suprasti, kaip ląstelės prisitaiko prie besikeičiančios aplinkos, įskaitant tai, kaip kai kurios daugialąsčių organizmų ląstelės nusprendžia specializuotis tam tikroms funkcijoms (pvz., audiniams).

Kadangi reguliavimo tema yra labai gili ir plati biologijos studijų tema, Bis2a nesistengiame aprėpti kiekvienos smulkmenos – jų tiesiog per daug. Atvirkščiai, kaip darėme su visomis kitomis temomis, mes stengiamės sutelkti dėmesį į (a) kai kurių pagrindinių loginių konstrukcijų ir klausimų, kuriuos turite turėti, kai žiūrite į BET KOKĮ scenarijų, apimantį reguliavimą, apibūdinimą, (b) išmokti kai kurių bendrų žodynų ir visur paplitusių mechanizmų. ir (c) nagrinėjant keletą konkrečių pavyzdžių, iliustruojančių a ir b punktuose nurodytus dalykus.

Genų ekspresija

Įvadas

Visos ląstelės kontroliuoja, kada ir kiek kiekvienas iš jos genų yra išreikštas. Šis paprastas teiginys – toks, kuris gali būti gautas tiesiog stebint ląstelių elgseną – iškelia daug klausimų, kuriuos galime pradėti dėlioti naudodami rubriką „Design Challenge“.

Bandymas apibrėžti "geno ekspresiją"

Tačiau pirmas dalykas, kurį turime padaryti, yra apibrėžti, ką reiškia, kai sakome, kad genas yra „išreikštas“. Jei genas koduoja baltymą, galima pagrįstai manyti, kad geno "raiška" reiškia, kiek funkcinio baltymo pagaminama. Bet ką daryti, jei genas koduoja ne baltymą, o tam tikrą funkcinę RNR. Tada šiuo atveju "išreikšta gali reikšti, kiek funkcinės RNR yra pagaminta. Tačiau kitas asmuo gali pagrįstai manyti, kad "išraiška" reiškia tik pradinį žingsnį kuriant genominės informacijos kopiją. Pagal šį apibrėžimą norisi suskaičiuoti, kiek viso ilgio nuorašų daroma.Ar tai galutinių produktų, užkoduotų genominės informacijos, ar informacijos skaitymų skaičius yra svarbus norint tinkamai apibūdinti „raišką“.Deja, praktiškai mes dažnai pastebime, kad apibrėžimas priklauso nuo diskusijos konteksto. Turėkite tai omenyje. Siekdami įsitikinti, kad kalbame apie tą patį dalyką, Bis2A pabandysime naudoti terminą „išraiška“ pirmiausia apibūdinti galutinio funkcinio produkto (produktų) sukūrimas.. Priklausomai nuo konkretaus atvejo galutinis produktas gali būti baltymas arba RNR rūšis.

Genų ekspresijos reguliavimo dizaino iššūkis

Norėdami paskatinti šią diskusiją iš dizaino iššūkio perspektyvos, galime oficialiai nustatyti, kad „didelė problema“, kurią norime suprasti, yra baltymų gausos reguliavimas ląstelėje. Problema: kiekvieno funkcinio baltymo gausa turi būti reguliuojama. Tada galime pradėti keldami subproblemas:

Vis dėlto skirkime šiek tiek laiko ir pirmiausia iš naujo įkelkime keletą idėjų. Genų ekspresijos procesas reikalauja kelių etapų, priklausomai nuo to, koks bus galutinio produkto likimas. Struktūrinių ir reguliavimo RNR (t. y. tRNR, rRNR, snRNR ir kt.) atveju procesas reikalauja, kad genas būtų transkribuotas ir būtų atliktas bet koks reikalingas apdorojimas po transkripcijos. Baltymą koduojančio geno atveju transkriptas taip pat turi būti paverstas baltymu ir, jei reikia, taip pat turi būti atlikti baltymo modifikacijos. Žinoma, tiek transkripcija, tiek vertimas yra kelių etapų procesai, o dauguma tų etapų taip pat yra galimos kontrolės vietos.

Todėl kai kurios subproblemos gali būti šios:

1. Tikslinga manyti, kad turi būti tam tikras mechanizmas (-ai), reguliuojantis pirmąjį šio daugiapakopio proceso žingsnį – transkripcijos inicijavimą (tik pradėjus reikalus). Taigi, galime teigti: „mums reikia mechanizmo, reguliuojančio transkripcijos inicijavimą“. Taip pat galėtume tai paversti klausimu ir paklausti: „kaip galima inicijuoti transkripciją“?

2. Galime naudoti panašų mąstymą teigdami: "mums reikia transkripcijos pabaigos reguliavimo mechanizmo" arba paklausti "kaip nutraukiama transkripcija?"

3. Naudodami šią konvenciją galime teigti, kad „turime reguliuoti vertimo inicijavimą ir vertimo sustabdymą“.

4. Mes kalbėjome tik apie baltymų ir RNR sintezę. Taip pat gana pagrįsta teigti: „mums reikia mechanizmų, reguliuojančių RNR ir baltymų skaidymą“.

Dėmesys transkripcijai

Šiame kurse pirmiausia sutelkiame dėmesį į pirmųjų poros problemų / klausimų nagrinėjimą, transkripcijos inicijavimo ir užbaigimo reguliavimą – nuo ​​genominės informacijos iki funkcinės RNR, paruoštos tokios, kokia yra (pvz., funkcinės RNR atveju) arba paruoštos. vertimui. Tai leidžia mums išnagrinėti kai kurias pagrindines genų ekspresijos reguliavimo koncepcijas ir išnagrinėti keletą realių tų sąvokų pavyzdžių.

Siūloma diskusija

Kodėl svarbu reguliuoti genų ekspresiją, kodėl gi ne visą laiką tiesiog išreikšti visus genus?

Su savo klasės draugais sukurkite hipotezių sąrašą, kodėl genų ekspresijos reguliavimas yra svarbus bakterijoms, archėjoms ir eukariotams. Vietoj bakterijų ir eukariotų taip pat galite apsvarstyti priešingas priežastis, dėl kurių vienaląsčiams organizmams svarbus genų reguliavimas, palyginti su daugialąsčiais organizmais arba vienaląsčių organizmų bendruomenėmis (pvz., bakterijų kolonijomis).

Transkripcijos ir aktyvumo arba RNR polimerazės antrinės problemos

Panagrinėkime baltymą koduojantį geną ir panagrinėkime tam tikrą logiką. Pradedame įsivaizduodami paprastą atvejį, kai baltymą koduojantį geną koduoja viena gretima DNR atkarpa. Žinome, kad norint transkribuoti šį geną, reikės įdarbinti RNR polimerazę iki koduojančios srities pradžios. RNR polimerazė nėra „protinga“ per se. Turi būti kažkoks mechanizmas, remiantis chemine logika, padėti įdarbinti RNR polimerazę iki baltymą koduojančio geno pradžios. Taip pat, jei šis procesas turi būti reguliuojamas, turi būti tam tikras mechanizmas ar mechanizmai, nurodantys, kada RNR polimerazė turi būti įtraukta į geno pradžią, kada neturėtų ir (arba) jeigu ji įtraukiama į DNR, ar ji iš tikrųjų turėtų pradėti transkripciją, ar ne kiek kartų šis procesas turėtų įvykti. Atminkite, kad ankstesniame sakinyje yra keletas skirtingų poproblemų / klausimų (pvz., kada polimerazė įdarbinama?; jei įdarbinta, ar ji turėtų pradėti transkripciją?; jei pradeda transkripciją, kiek kartų šis procesas turėtų kartotis?). Taip pat galime pagrįstai daryti išvadą, kad reikės tam tikrų mechanizmų, kurie „nurodytų“ (daugiau antropomorfizmų) polimerazei sustabdyti transkripciją. Galiausiai, kadangi transkripcijos vaidmuo yra sukurti genomo segmentų RNR kopijas, taip pat turėtume apsvarstyti problemas / klausimus, susijusius su kitais veiksniais, turinčiais įtakos RNR gausai, pavyzdžiui, skilimo mechanizmais. Turi būti tam tikri mechanizmai ir jie greičiausiai bus įtraukti į šio proceso reguliavimą.

Schema, rodanti baltymą koduojantį geną ir kai kuriuos klausimus ar problemas, kurias turime užduoti sau, arba problemas, kurias turime žinoti, jei norime suprasti, kaip reguliuojamas transkripcijos geno ekspresijos dalis.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Transkripcijos aktyvinimas ir slopinimas

Kai kurie pagrindai

Panagrinėkime baltymą koduojantį geną ir panagrinėkime tam tikrą logiką. Turi būti tam tikras mechanizmas, pagrįstas chemine logika, kad padėtų įdarbinti RNR polimerazę iki baltymą koduojančio geno pradžios. Panašiai, jei šis procesas turi būti reguliuojamas, turi būti tam tikras mechanizmas ar mechanizmai, nurodantys, kada RNR polimerazė turi būti įtraukta į geno pradžią, kada ne, ir (arba) ar ji turi būti įtraukta į geno pradžią. DNR, ar ji iš tikrųjų turėtų pradėti transkripciją ir kiek kartų šis procesas turėtų vykti. kada polimerazė įtraukiama?, jei įdarbinta, ar ji turėtų pradėti transkripciją?, jei ji pradeda transkripciją, kiek kartų šis procesas turėtų kartotis?). Taip pat galime pagrįstai daryti išvadą, kad reikės tam tikrų mechanizmų, kurie „nurodytų“ (daugiau antropomorfizmų) polimerazei sustabdyti transkripciją.

RNR polimerazės įdarbinimas į tam tikras vietas

Norint pradėti transkripciją, RNR polimerazė turi būti įtraukta į DNR segmentą, esantį netoli funkcinį transkriptą koduojančios DNR srities pradžios. Tačiau, kaip aprašyta iki šiol, RNR polimerazės funkcija yra ne surišti konkrečias sekas, o judėti išilgai bet kurio DNR segmento. Todėl atrodo, kad būdo, kaip įdarbinti polimerazę į konkrečią vietą, paieška prieštarauja įprastam jos elgesiui. Norint paaiškinti šį prieštaravimą, reikia pasitelkti kažką naujo. Bet kuri transkripcija gali prasidėti bet kur, o tik tie įvykiai, kurie veda prie pilno produktyvaus nuorašo, padaro ką nors naudingo arba kas nors kita, nei pati RNR polimerazė, padeda įdarbinti fermentą į geno pradžią. Pastarasis, kurį dabar laikome savaime suprantamu dalyku, iš tikrųjų yra.

RNR polimerazės įdarbinimą skatina baltymai, vadinami bendraisiais transkripcijos faktoriais. Bakterijose jie turi specialų pavadinimą: sigma faktoriai. Archėjose jie vadinami TATA rišančiu baltymu ir IIB transkripcijos faktoriumi. Eukariotuose archealinių baltymų giminaičiai veikia kartu su daugeliu kitų, kad įdarbintų RNR polimerazę. Bendrieji transkripcijos faktoriai turi bent dvi pagrindines funkcijas: (1) jie gali chemiškai atpažinti tam tikrą DNR seką ir (2) jie gali surišti RNR polimerazę. Kartu šios dvi bendrųjų transkripcijos faktorių funkcijos išsprendžia fermento, kuris kitu atveju negali prisijungti prie konkrečios DNR vietos, įdarbinimo problemą. Kai kuriuose tekstuose sakoma, kad bendrieji transkripcijos faktoriai (ypač sigma faktoriaus atmainos) yra RNR polimerazės dalis. Nors jie tikrai yra komplekso dalis, kai padeda nukreipti RNR polimerazę, jie netęsia RNR polimerazės, kai ji pradeda transkripciją.

DNR vieta, į kurią įdarbinama RNR polimerazė, turi specialų pavadinimą. Jis vadinamas a propaguotojas. Nors skirtingų promotorių DNR sekos nebūtinai turi būti visiškai vienodos, skirtingos promotoriaus sekos paprastai turi tam tikrų bendrų cheminių savybių. Akivaizdu, kad viena savybė yra ta, kad jie gali susieti su RNR polimeraze. Be to, promotorius paprastai turi DNR seką, kuri palengvina dvigrandės DNR disociaciją, kad polimerazė galėtų pradėti skaityti ir transkripuoti koduojančią sritį. (Pastaba: techniškai galėjome suskirstyti reklamuotojo ypatybes į projektavimo iššūkio dalis. Šiuo atveju mes ją praleidome, bet jūs vis tiek turėtumėte galėti grįžti atgal ir sukurti problemos pareiškimus ir (arba) susijusius klausimus, kai sužinosite apie reklamuotojus ).

Beveik visais atvejais, bet ypač eukariotinėse sistemose, baltymų kompleksas, susijungiantis su RNR polimeraze prie promotorių (paprastai vadinamas išankstiniu iniciacijos kompleksu), gali sudaryti kelias dešimtis baltymų. Kiekvienas iš šių kitų baltymų turi specifinę funkciją, tačiau tai yra per daug detalių, kad būtų galima pasinerti į Bis2A.

E. coli išankstinio inicijavimo komplekso modelis. Sigmos faktorius yra raudonos spalvos. DNR pavaizduota kaip oranžiniai vamzdeliai ir priešingos žiedo struktūros. Likusi išankstinio inicijavimo komplekso dalis yra rožinė. Atkreipkite dėmesį, kad DNR turi dvigubos spiralės sritis ir atvirą struktūrą PIC viduje.
Priskyrimas: struktūra, gauta iš PBP koordinačių (4YLN) Marc T. Facciotti (savo darbas)

Abstraktus bendrojo transkripcijos vieneto modelis, parodytas aukščiau, pridėjus promotorių ir PIC. Anksčiau pažymėti klausimai, kurie greičiausiai nebus įtraukti į Bis2a, buvo pilki.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Siūloma diskusija

Kaip bendras transkripcijos faktorius atpažįsta konkrečią DNR seką? Koks gali būti to cheminis pagrindas? Kaip, priešingai, gali skirtis nespecifiškai su DNR sąveikaujančio baltymo ar fermento sąveika? Pagalvokite apie funkcines grupes ir pasiūlykite hipotezę.

Reguliuojamo rengėjo valstybės

Kadangi promotoriai įdarbina RNR polimerazę, šios vietos ir išankstinio inicijavimo komplekso surinkimas yra akivaizdžios vietos pirmiesiems genų ekspresijos žingsniams reguliuoti. Transkripcijos inicijavimo lygiu promotorių dažnai skirstome į vieną iš trijų klasių. Pirmasis vadinamas konstitucinis. Konstituciniai promotoriai paprastai nėra labai griežtai reguliuojami. Jų pagrindinė būsena yra „įjungta“. Kai konstitucinė transkripcija iš promotoriaus yra labai didelė (palyginti su daugeliu kitų promotorių), mes tą promotorių šnekamojoje kalboje vadinsime „stipriu konstituciniu“ promotoriumi. Priešingai, jei konstitucinio promotoriaus transkripcijos kiekis yra mažas (palyginti su daugeliu kitų promotorių), mes vadinsime tą promotorių „silpnu konstituciniu“ promotoriumi.

Antras būdas reklamuotojus klasifikuoti naudojant terminą aktyvuota arba lygiaverčiai, sukeltas. Šie keičiami terminai naudojami apibūdinti promotorius, kurie yra jautrūs tam tikram išoriniam dirgikliui ir reaguoja į minėtą dirgiklį didindami transkripciją. Aktyvuoti promotoriai turi bazinę būseną, paprastai transkripcijos mažai arba visai nėra. Tada transkripcija „įjungiama“ reaguojant į dirgiklį – dirgiklis „įjungia“ promotorių.

Galiausiai, trečiasis terminas, naudojamas promotoriams klasifikuoti, yra termino vartojimas represuotas. Šie promotoriai taip pat reaguoja į dirgiklius, bet tai daro mažindami transkripciją. Šių promotorių bazinė būsena yra tam tikras bazinis transkripcijos lygis, o stimulas slopina arba slopina transkripciją. Transkripcija „represuojama“ reaguojant į dirgiklį – dirgiklis „išjungia“ promotorių.

Aukščiau pateiktuose pavyzdžiuose buvo daroma prielaida, kad vienas stimulas reguliuoja promotorius. Nors tai yra paprasčiausias atvejis, daugelis promotorių gali integruoti įvairių tipų informaciją ir gali būti pakaitomis aktyvuojami kai kurių dirgiklių ir slopinami kitų dirgiklių.

Transkripcijos faktoriai padeda reguliuoti promotoriaus elgesį

Kaip promotoriai yra jautrūs išoriniams dirgikliams? Mechaniškai, tiek aktyvuojant, tiek represuojant, reikia, kad reguliuojantys baltymai pakeistų stebimo geno transkripcijos išvestį. Baltymai, atsakingi už raiškos reguliavimą, paprastai vadinami transkripcijos faktoriai. Specifinės DNR sekos, surištos transkripcijos faktorių, dažnai vadinamos operatoriais ir daugeliu atvejų operatoriai yra labai arti promotoriaus sekų.

Štai čia nomenklatūra gali būti paini – ypač lyginant bakterijų ir eukariotų tyrimus. Į

bakterijų tyrimai

, jei transkripcijos faktorius veikia surišdamas DNR ir RNR polimerazę tokiu būdu, kuris padidina transkripciją, tada jis paprastai vadinamas aktyvatorius. Jei, priešingai, transkripcijos faktorius veikia surišdamas DNR, kad slopintų arba sumažintų geno transkripciją, tada jis vadinamas represorius.

Kodėl aktyvatoriaus ir represoriaus klasifikavimas gali būti problemiškas? Šie terminai apibūdinami idealizuotomis atskiromis funkcijomis. Nors tai gali būti tiesa kai kurių transkripcijos faktorių atveju, iš tikrųjų kiti transkripcijos veiksniai gali suaktyvinti genų ekspresiją tam tikromis sąlygomis, o slopinti kitomis sąlygomis. Kai kurie transkripcijos veiksniai tiesiog padidins arba sumažins raišką, priklausomai nuo konteksto, o ne išjungs transkripciją arba visiškai ją įjungs. Norėdami išvengti šios galimos painiavos, kai kurie jūsų instruktoriai vengia vartoti terminus aktyvatorius ir represorius, o vietoj to nori tiesiog aptarti įvairių transkripcijos faktorių transkripcijos aktyvumą kaip teigiamą arba neigiamą įtaką genų ekspresijai konkrečiais atvejais. Jei vartojami šie terminai, galite išgirsti savo instruktorių sakant, kad aptariamas transkripcijos faktorius VEIKIA KAIP/KAIP represorius arba kad jis VEIKIA KAIP/KAIP aktyvatorius, stengdamiesi nevadinti jo tiesiog aktyvatoriumi ar represoriumi. Tačiau labiau tikėtina, kad išgirsite juos sakant, kad transkripcijos faktorius veikia teigiamai arba neigiamai transkripciją.

DĖMESIO: Priklausomai nuo jūsų instruktoriaus, galite pateikti keletą tikrų biologinių teigiamų ir neigiamų reguliavimo mechanizmų pavyzdžių. Šiuose konkrečiuose pavyzdžiuose bus naudojami įprasti transkripcijos faktorių pavadinimai – kadangi pavyzdžiai paprastai paimti iš bakterijų literatūros, transkripcijos faktorių pavadinimuose gali būti terminų „represorius“ arba „aktyvatorius“. Šie vardai yra reliktai nuo tada, kai jie buvo pirmą kartą atrasti. Stenkitės daugiau laiko skirti sistemos veikimo logikos tyrimui, nei bandydami įsiminti kokias nors ypatingas to konkretaus baltymo savybes visais kitais atvejais su ta pačia etikete. Tai yra, vien todėl, kad baltymas yra paženklintas kaip represorius, nereiškia, kad jis visais atvejais veikia tik kaip neigiamas reguliatorius arba kad jis sąveikauja su išoriniais signalais lygiai taip pat, kaip buvo pavyzdyje.

Siūloma diskusija

Kaip manote, kokios sąveikos vyksta tarp transkripcijos faktoriaus aminorūgščių ir dvigubos DNR spiralės? Kaip transkripcijos faktoriai atpažįsta savo surišimo vietą DNR?

Allosteriniai reguliuojančių baltymų moduliatoriai

Daugelio baltymų, įskaitant reguliuojančius baltymus ir įvairius transkripcijos faktorius, aktyvumas gali būti allosteriškai moduliuojamas įvairiais veiksniais, įskaitant santykinį mažų molekulių gausą ląstelėje. Šios mažos molekulės dažnai vadinamos induktoriai arba korepresoriaiarba koaktyvatoriai ir dažnai yra metabolitai, tokie kaip laktozė arba triptofanas, arba mažos reguliuojančios molekulės, tokios kaip cAMP arba GTP. Šios sąveikos leidžia TF reaguoti į aplinkos sąlygas ir atitinkamai modifikuoti savo funkciją. Tai padeda priimti sprendimą, ar transkribuoti geną, ar ne, atsižvelgiant į aplinkos signalo gausą.

Įsivaizduokime neigiamą transkripcijos reguliatorių. Paprasčiausiu atveju, kurį mes svarstėme iki šiol, geno transkripcija su šio transkripcijos faktoriaus surišimo vieta būtų maža, kai yra TF, ir didelė, kai TF nėra. Dabar prie šio modelio galime pridėti nedidelę molekulę. Šiuo atveju maža molekulė gali surišti neigiamą transkripcijos reguliatorių per papildomus vandenilio ir joninius ryšius.Šiame pirmame pavyzdyje nagrinėsime atvejį, kai mažos molekulės prisijungimas prie TF sukelia konformacinį TF pokytį, kuris labai sumažina jo gebėjimą surišti DNR. Tokiu atveju neigiamas reguliatorius, susietas su savo maža molekule, išsiskirtų iš DNR. Tai sumažintų neigiamą poveikį ir padidintų transkripciją. Ši reguliavimo logika gali būti tinkama vystytis tokiu atveju: mažos molekulės maisto produkto paprastai nėra aplinkoje. Todėl genai, koduojantys fermentus, kurie skaidys / naudos tą maistą, didžiąją laiko dalį turėtų būti „išjungti“, kad būtų išsaugota ląstelių energija, kurią sunaudotų jų sintezė. Tai gali būti padaryta neigiamo reguliatoriaus veiksmais. Kai maisto produktas patenka į aplinką, būtų tikslinga, kad būtų išreikšti fermentai, atsakingi už jo perdirbimą. Tada maistas galėtų veikti prisijungdamas prie neigiamo reguliatoriaus, pakeisdamas TF konformaciją, sukeldamas jo išsiskyrimą iš DNR ir įjungdamas perdirbimo fermentų transkripciją.

Abstraktus bendrojo transkripcijos vieneto, reguliuojamo neigiamo reguliatoriaus, kurio aktyvumą moduliuoja maža molekulė (pavaizduota žvaigždute), modelis. Šiuo atveju dėl mažos molekulės prisijungimo TF išsiskiria iš DNR.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Galime apsvarstyti antrąjį modelį, kaip neigiamai veikiantis TF gali sąveikauti su maža molekule. Šiuo atveju vien TF negali susieti savo reguliavimo vietos DNR. Tačiau, kai maža molekulė prisijungia prie TF, įvyksta konformacinis pokytis, kuris perorientuoja DNR surišančias aminorūgštis į „teisingą“ DNR surišimo orientaciją. TF mažų molekulių kompleksas dabar jungiasi su DNR ir neigiamai veikia transkripciją.

Abstraktus bendrojo transkripcijos vieneto, reguliuojamo neigiamo reguliatoriaus, kurio aktyvumą moduliuoja maža molekulė (pavaizduota žvaigždute), modelis. Šiuo atveju mažos molekulės prisijungimas sukelia TF prisijungimą prie DNR.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Atkreipkite dėmesį, kaip maža molekulė TF aktyvumą gali modifikuoti skirtingais būdais. Priklausomai nuo baltymo, šio išorinio signalo prisijungimas gali sukelti TF mažos molekulės komplekso prisijungimą prie DNR ARBA mažos molekulės prisijungimas gali sukelti TF mažos molekulės komplekso išsiskyrimą iš DNR. Tos pačios rūšies pavyzdžiai gali būti pateikti teigiamam reguliatoriui.

Abiem aukščiau pasiūlytais atvejais mažos molekulės prisijungimas prie TF priklausys nuo to, kaip stipriai TF sąveikauja su maža molekule. Tai priklausys nuo baltymo cheminių funkcinių grupių tipų ir erdvinės orientacijos, jų protonavimo būsenų (jei taikoma) ir papildomų funkcinių grupių mažoje molekulėje. Todėl neturėtų stebinti, kad mažos molekulės prisijungimas prie TF priklausys nuo įvairių veiksnių, įskaitant, bet neapsiribojant, santykinę mažos molekulės ir TF koncentraciją bei pH.

Ar tai teigiamas ar neigiamas reguliavimas?

Bendros painiavos sprendimas

Šiuo metu nėra neįprasta, kad daugelis Bis2a studentų šiek tiek supainioja, kaip nustatyti, ar transkripcijos faktorius veikia kaip teigiamas ar neigiamas reguliatorius. Ši painiava dažnai kyla aptarus galimus būdus, kuriais dirgiklis (ty maža molekulė) gali turėti įtakos transkripcijos faktoriaus aktyvumui. Tai pernelyg nestebina. Aukščiau pateiktuose pavyzdžiuose efektorinės molekulės prisijungimas prie transkripcijos faktoriaus gali turėti vieną iš dviejų skirtingų poveikių: (1) efektorinės molekulės prisijungimas gali paskatinti su DNR susietą transkripcijos faktorių išsilaisvinti iš jo surišimo vietos, taip derepresuojant promotorių, ir genų ekspresijos „įjungimas“. (2) efektorinės molekulės prisijungimas prie transkripcijos faktoriaus gali paskatinti TF prisijungti prie savo DNR surišimo vietos, slopindamas transkripciją ir „išjungdamas“ genų ekspresiją. Pirmuoju atveju gali atrodyti, kad TF veikia teigiamai reguliuodamas išraišką, o antruoju pavyzdžiu gali atrodyti, kad TF veikia neigiamai.

Tačiau abiejuose aukščiau pateiktuose pavyzdžiuose TF veikia kaip neigiamas reguliatorius. Norėdami tai nustatyti, žiūrime, kas atsitinka, kai TF suriša DNR (nesvarbu, ar maža molekulė yra prijungta prie TF, ar ne). Abiem atvejais TF prisijungimas prie DNR slopina transkripciją. Todėl TF veikia kaip neigiamas reguliatorius. Panašią analizę galima atlikti su teigiamai veikiančiais TF.

Atkreipkite dėmesį, kad kai kuriais atvejais TF gali veikti kaip teigiamas reguliatorius viename promotoriuje ir neigiamas reguliatorius kitame promotoriuje, todėl dažnai svarbu aprašyti TF elgesį kiekvienu konkrečiu atveju (per daug skaitydami iš pavadinimo, kuris jam buvo priskirtas, gali kartais būti klaidinantis). Kiti TF baltymai gali pakaitomis veikti kaip teigiami arba neigiami to paties promotoriaus reguliatoriai, priklausomai nuo sąlygų. Vėlgi, patartina apibūdinti TF elgesį konkrečiai kiekvienu atveju.

Genetinis testas, siekiant nustatyti teigiamą ar neigiamą TF reguliavimo funkciją

Kaip nustatyti, ar reguliuojantis baltymas veikia teigiamai ar neigiamai? Paprastas genetinis testas yra paklausti "kas atsitiks su ekspresija, jei nėra reguliuojančio baltymo?" Tai galima pasiekti iš genomo pašalinus transkripcijos faktorių koduojantį geną. Jei transkripcijos faktorius veikia teigiamai, jo buvimas reikalingas transkripcijai suaktyvinti. Jei jo nėra, nėra reguliuojančio baltymo, todėl nėra aktyvacijos, o rezultatas yra mažesnis tikslinio geno transkripcijos lygis. Priešingai, kai transkripcijos faktorius veikia neigiamai. Jei jo nėra, raiška turėtų būti padidinta, nes geno, palaikančio žemą ekspresiją, nebėra.

Transkripcijos ir RNR degradacijos nutraukimas

Transkripcijos nutraukimas bakterijose

Kai genas transkribuojamas, bakterinei polimerazei reikia nurodyti atsiskirti nuo DNR šablono ir išlaisvinti naujai pagamintą mRNR. Priklausomai nuo transkribuojamo geno, yra dviejų tipų pabaigos signalai. Vienas yra baltymų, o kitas - RNR pagrindu. Nuo Rho priklausomas nutraukimas yra kontroliuojamas rho baltymo, kuris seka augančioje mRNR grandinėje už polimerazės. Netoli geno pabaigos polimerazė susiduria su G nukleotidų eiga DNR šablone ir jis sustoja. Dėl to rho baltymas susiduria su polimeraze. Sąveika su rho atpalaiduoja mRNR iš transkripcijos burbulo.

Nuo Rho nepriklausomas nutraukimas yra valdomas specifinėmis sekomis DNR šablono grandinėje. Kai polimerazė artėja prie transkribuojamo geno pabaigos, ji susiduria su regionu, kuriame gausu C-G nukleotidų. MRNR susilanksto ant savęs, o papildomi C-G nukleotidai jungiasi kartu. Rezultatas yra stabilus plaukų segtukas Dėl to polimerazė sustoja, kai tik ji pradeda transkribuoti regioną, kuriame gausu A-T nukleotidų. MRNR transkripto papildomas U-A regionas sudaro tik silpną sąveiką su šablono DNR. Tai, kartu su sustojusia polimeraze, sukelia pakankamai nestabilumo, kad pagrindinis fermentas atsiskirtų ir išlaisvintų naują mRNR nuorašą.

Transkripcijos nutraukimas eukariotuose

Skirtingų polimerazių transkripcijos pabaiga skiriasi. Skirtingai nei prokariotuose, eukariotuose RNR polimerazės II pailgėjimas vyksta 1 000–2 000 nukleotidų už transkribuojamo geno galo. Ši pre-mRNR uodega vėliau pašalinama suskaidant mRNR apdorojimo metu. Kita vertus, I ir III RNR polimerazėms reikia nutraukimo signalų. RNR polimerazės I transkribuoti genai turi specifinę 18 nukleotidų seką, kurią atpažįsta terminacinis baltymas. RNR polimerazės III nutraukimo procesas apima mRNR plaukų segtuką, panašų į rho nepriklausomą transkripcijos nutraukimą prokariotuose.

Transkripcijos nutraukimas archėjose

Transkripcijos nutraukimas archėjose yra daug mažiau ištirtas nei kitose dviejose gyvenimo srityse ir vis dar nėra gerai suprantamas. Nors funkcinės detalės gali būti panašios į mechanizmus, kurie buvo pastebėti kitose gyvenimo srityse, detalės nepatenka į šio kurso taikymo sritį.

RNR degradacija

Įvairių RNR rūšių gyvenimo trukmė ląstelėje gali labai skirtis – nuo ​​sekundžių iki valandų. Vidutinė mRNR gyvenimo trukmė taip pat gali labai skirtis priklausomai nuo organizmo. Pavyzdžiui, vidutinė mRNR gyvenimo trukmė E. coli yra ~5 minutės. MRNR pusinės eliminacijos laikas mielėse yra ~ 20 minučių ir 600 minučių žmogaus ląstelėse. Dalis degradacijos yra „tikslinė“. Tai reiškia, kad kai kuriuose nuorašuose yra trumpa seka, nukreipta į RNR ardančius fermentus, kurie pagreitina skilimo greitį. Nereikia per daug vaizduotės, kad būtų galima daryti išvadą, kad šis procesas taip pat gali būti evoliuciškai pritaikytas skirtingiems genams. Bis2a pakanka vien suprasti, kad degradacija ir degradacijos derinimas taip pat gali būti veiksnys, kontroliuojantis geno ekspresiją.

Derinimo nutraukimas

Kaip ir visi kiti biologiniai procesai, transkripcijos pabaiga nėra tobula. Kartais RNR polimerazė gali perskaityti terminatoriaus sekas ir transkribuoti gretimus genus. Tai ypač pasakytina apie bakterijų ir archeologinius genomus, kuriuose yra didelis koduojančių genų tankis. Šis transkripcijos nuskaitymas gali turėti įvairių efektų, tačiau dažniausiai pasitaikantys du rezultatai yra šie: (1) Jei gretimi genai yra užkoduoti toje pačioje DNR grandinėje kaip ir aktyviai transkribuojamas genas, gretimi genai taip pat gali būti transkribuojami. (2) Jei gretimi genai yra transkribuojami priešingoje aktyviai transkribuotų genų grandinėje, RNR polimerazės skaitymas trukdo polimerazėms, aktyviai transkribuojančioms gretimą geną. Nenuostabu, kad kai kuriais atvejais biologija sukūrė mechanizmus, kurie sumažina skaitymo poveikį ir naudojasi juo. Todėl terminatoriaus „jėgą“ ir jo efektyvumą nutraukiant transkripciją tam tikra kryptimi gamta „sureguliuoja“ ir „naudoja“ (atkreipkite dėmesį į antropomorfizmą kabutėse) genų ekspresijai reguliuoti.

Abstraktus viso pagrindinio transkripcijos vieneto ir įvairių DNR užkoduotų „dalių“, kurios gali turėti įtakos geno ekspresijai, modelis. Tikimės, kad Bis2A studentai galės atkurti panašią konceptualią figūrą iš atminties.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Genų reguliavimo santrauka

Ankstesniame tekste išnagrinėjome kelis būdus, kaip pradėti spręsti kai kuriuos projektavimo iššūkius, susijusius su transkripto kiekio reguliavimu, kuris sukuriamas vienam koduojančiam genomo regionui. Mes abstrakčiai pažvelgėme į kai kuriuos procesus, atsakingus už transkripcijos inicijavimo kontrolę, kaip jie gali būti jautrūs aplinkos veiksniams, ir labai trumpai į procesus, kurie nutraukia transkripciją ir valdo aktyvų RNR skaidymą. Mes vengėme daugiau. Kiekvienas iš šių procesų gali būti kiekybiškai sureguliuotas kaip „stipresnis“ arba „silpnesnis“. Svarbu suvokti, kad tikrosios „stiprumo“ vertės (pvz., promotoriaus stiprumas, skilimo greitis ir kt.) įtakoja viso proceso elgesį potencialiai funkciškai svarbiais būdais.

Bakterijų genų reguliavimo pavyzdžiai

Šiame skyriuje aprašomi du bakterijų transkripcijos reguliavimo pavyzdžiai. Tai pateikiami kaip iliustruojantys pavyzdžiai. Naudokite šiuos pavyzdžius, kad sužinotumėte keletą pagrindinių transkripcijos reguliavimo mechanizmų principų. Klasėje, diskusijose ir studijų vadovuose stebėkite šių idėjų išplėtimą ir naudokite juos, kad paaiškintumėte reguliavimo mechanizmus, naudojamus reguliuojant kitus genus.

Genų reguliavimo pavyzdžiai E. coli

Bakterijų ir archėjų DNR citoplazmoje paprastai yra suskirstytos į vieną ar daugiau žiedinių chromosomų. Tankus DNR agregatas, kurį galima pamatyti elektronų mikrografijose, vadinamas nukleoidu. Bakterijose ir archėjose genai, kurių ekspresija turi būti glaudžiai koordinuojama (pvz., genai, koduojantys baltymus, kurie dalyvauja tame pačiame biocheminiame kelyje), dažnai yra glaudžiai sugrupuoti genome. Kai kelių genų ekspresiją kontroliuoja tas pats promotorius ir sukuriamas vienas nuorašas, šie ekspresijos vienetai vadinami operonai. Pavyzdžiui, bakterijoje Escherschia coli visi genai, reikalingi laktozei panaudoti, yra užkoduoti vienas šalia kito genome. Šis susitarimas vadinamas laktoze (arba lac) operonas. Bakterijose ir archėjose dažnai būna, kad beveik 50 % visų genų yra užkoduoti dviejų ar daugiau genų operonuose.

Rėmėjo vaidmuo

Pirmasis genų ekspresijos kontrolės lygis yra pačiame promotoriuje. Kai kurie promotoriai įdarbina RNR polimerazę ir tuos DNR-baltymų surišimo įvykius paverčia transkriptais efektyviau nei kiti promotoriai. Ši būdinga promotoriaus savybė, gebėjimas gaminti transkriptą tam tikru greičiu, vadinama promotoriaus stiprumu. Kuo stipresnis promotorius, tuo daugiau RNR pagaminama per tam tikrą laikotarpį. Gamta gali „sureguliuoti“ promotoriaus stiprumą labai mažais arba labai dideliais žingsniais, keičiant promotoriaus nukleotidų seką (pvz., mutuojant promotorių). Dėl to susidaro skirtingo stiprumo promotorių šeimos, kurios gali būti naudojamos siekiant kontroliuoti maksimalų tam tikrų genų genų ekspresijos greitį.

UC Davis bakalauro ryšys:

Grupė UC Davis studentų, besidominčių sintetine biologija, panaudojo šią idėją kurdama sintetines promotorių bibliotekas inžineriniams mikrobams kaip dalį savo dizaino projekto 2011 m. iGEM konkursui.

1 pavyzdys: Trp operonas

Triptofano biosintezės reguliavimo logika

E. coli, kaip ir visi organizmai, turi arba sintetinti, arba vartoti aminorūgštis, kad išgyventų. Amino rūgštis triptofanas yra viena iš tokių aminorūgščių. E. coligali importuoti triptofaną iš aplinkos (valgyti tai, ką gali išgauti iš aplinkinio pasaulio) arba sintetinti triptofaną de novo naudojant fermentus, kuriuos koduoja penki genai. Šie penki genai yra užkoduoti vienas šalia kito E. coli genomą į tai, kas vadinama triptofanas (trp) operonas (Paveikslas žemiau). Jei aplinkoje yra triptofano, tada E. coli nereikia jo sintetinti ir jungiklio, kontroliuojančio genų aktyvavimą trp operonas išjungtas. Tačiau kai aplinkos triptofano prieinamumas yra mažas, įjungiamas operoną valdantis jungiklis, pradedama transkripcija, ekspresuojami genai ir sintetinamas triptofanas. Žemiau esančiame paveikslėlyje ir pastraipose ieškokite mechaninio paaiškinimo.

Organizacija trp operonas

Penkios genominės sritys, koduojančios triptofano biosintezės fermentus, yra išsidėsčiusios nuosekliai chromosomoje ir yra kontroliuojamos vieno promotoriaus – jos yra suskirstytos į operoną. Prieš pat kodavimo sritį yra transkripcijos pradžios vieta. Tai, kaip rodo pavadinimas, yra vieta, kur RNR polimerazė pradeda naują transkriptą. Protoriaus seka yra toliau prieš transkripcijos pradžios vietą.

DNR seka, vadinama „operatoriumi“, taip pat yra užkoduota tarp promotoriaus ir pirmojo trp koduojantis genas. Tai operatorius yra DNR seka, prie kurios prisijungs transkripcijos faktoriaus baltymas.

Dar šiek tiek informacijos apie TF surišimo vietas

Reikėtų pažymėti, kad terminas „operatorius“ vartojamas tik keliose reguliavimo sistemose ir beveik visada reiškia neigiamai veikiančio transkripcijos faktoriaus surišimo vietą. Konceptualiai reikia atsiminti, kad DNR yra vietų, kurios sąveikauja su reguliuojančiais baltymais ir leidžia jiems atlikti atitinkamą funkciją (pvz., slopinti arba suaktyvinti transkripciją). Ši tema bus visuotinai kartojama visoje biologijoje, nesvarbu, ar vartojamas terminas „operatorius“, ar ne.

Be to, nors konkretūs pavyzdžiai, kuriuos parodysite, vaizduoja TF surišimo vietas žinomose jų vietose, šios vietos nėra universalios visoms sistemoms. Transkripcijos faktoriaus surišimo vietos gali skirtis, palyginti su promotoriumi. Yra keletas modelių (pvz., teigiami reguliatoriai dažnai yra prieš promotorių, o neigiami reguliatoriai jungiasi pasroviui), tačiau šie apibendrinimai galioja ne visais atvejais. Vėlgi, svarbiausia atsiminti, kad transkripcijos faktoriai (tiek teigiami, tiek neigiamai veikiantys) turi surišimo vietas, su kuriomis jie sąveikauja, kad padėtų reguliuoti RNR polimerazės transkripcijos inicijavimą.

Penki genai, reikalingi triptofanui sintetinti E. coli, yra trp operone vienas šalia kito. Kai triptofano yra daug, dvi triptofano molekulės prisijungia prie transkripcijos faktoriaus ir leidžia TF-triptofano kompleksui prisijungti prie operatoriaus sekos. Tai fiziškai blokuoja RNR polimerazę nuo triptofano biosintezės genų transkribavimo. Kai triptofano nėra, transkripcijos faktorius neprisijungia prie operatoriaus ir genai yra transkribuojami.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Reglamentas trp operonas

Kai ląstelėje yra triptofano: dvi triptofano molekulės jungiasi prie trp represoriaus baltymas. Kai triptofanas prisijungia prie transkripcijos faktoriaus, jis sukelia konformacinius baltymo pokyčius, kurie dabar leidžia TF-triptofano kompleksui prisijungti prie trp operatoriaus seka. Triptofano ir represoriaus komplekso surišimas prie operatoriaus fiziškai neleidžia RNR polimerazei prisijungti ir transkribuoti pasroviui esančius genus. Kai triptofano ląstelėje nėra, transkripcijos faktorius nesijungia su operatoriumi; todėl transkripcija vyksta, triptofano panaudojimo genai yra transkribuojami ir verčiami, todėl triptofanas sintetinamas.

Kadangi transkripcijos faktorius aktyviai jungiasi su operatoriumi, kad genai būtų išjungti, trp sakoma, kad operonas yra "neigiamai reguliuojamas", o baltymai, kurie jungiasi su operatoriumi, nutildo trp išraiška yra neigiami reguliatoriai.

Siūloma diskusija

Ar manote, kad konstituciniai išraiškos lygiai trp operonas yra didelis ar mažas? Kodėl?

Pasiūlymo diskusija

Tarkime, gamta pasirinko kitokį požiūrį į trp operono reguliavimą. Sukurkite metodą, kaip reguliuoti trp operono raišką teigiamu reguliatoriumi, o ne neigiamu reguliatoriumi. (Užuomina: mes nuolat užduodame tokius klausimus per egzaminus)

Išorinė nuoroda

Peržiūrėkite šį vaizdo įrašą, kad sužinotumėte daugiau apie trp operonas.

2 pavyzdys: lac operonas

Priežastis studijuoti lac operonas

Šiame pavyzdyje nagrinėjame genų, koduojančių baltymus, kurių fiziologinis vaidmuo yra importuoti ir įsisavinti disacharidą laktozę, reguliavimą. lac operonas. Istorija apie reguliavimą lac operonas yra dažnas pavyzdys, naudojamas daugelyje įvadinių biologijos klasių, siekiant iliustruoti pagrindinius indukuojamo genų reguliavimo principus. Šį pavyzdį pasirenkame aprašyti antrą, nes, mūsų vertinimu, jis yra sudėtingesnis nei ankstesnis pavyzdys, apimantis vieno neigiamai veikiančio transkripcijos faktoriaus veiklą. Priešingai, reguliavimas lac Mūsų nuomone, operonas yra puikus pavyzdys, kaip suderinta teigiamų ir neigiamų reguliatorių veikla aplink tą patį promotorių gali būti naudojama siekiant integruoti kelis skirtingus ląstelių informacijos šaltinius, siekiant reguliuoti genų ekspresiją.

Peržiūrėdami šį pavyzdį, nepamirškite paskutinio taško. Daugeliui Bis2a instruktorių jums svarbiau išmokti lac operono istoriją, nei žinoti žemiau pateiktą loginę lentelę. Tiems instruktoriams, kuriems taip yra, jie paprastai informuoja jus ir dažnai sąmoningai neįtraukia egzamino klausimų apie lac operonas. Atvirkščiai, jie išbandys jus, ar supratote nagrinėjamų reguliavimo mechanizmų pagrindą. Jei neaišku, ko instruktorius nori, turėtumėte paklausti.

Laktozės panaudojimas

Laktozė yra disacharidas, sudarytas iš heksozės gliukozės ir galaktozės. Jo dažniausiai yra daug piene ir kai kuriuose pieno produktuose. Kaip galima įsivaizduoti, disacharidas gali būti svarbus maisto produktas mikrobams, kurie gali panaudoti dvi jo heksozes. coli kaip energijos ir anglies šaltinius gali naudoti daugybę skirtingų cukrų, įskaitant laktozę ir lac operonas yra struktūra, koduojanti genus, būtinus norint gauti ir apdoroti laktozę iš vietinės aplinkos. Tačiau su laktoze nebuvo dažnai susidurta E. coli jos evoliucijos metu ir todėl genai lac Operonas paprastai turi būti slopinamas (t. y. „išjungtas“), kai nėra laktozės. Vykdant šių genų transkripciją, kai nėra laktozės, būtų švaistoma brangi ląstelių energija. Priešingai, kai yra laktozės, būtų logiška, kad genai, atsakingi už cukraus panaudojimą, būtų išreikšti (t. y. „įjungti“). Kol kas istorija labai panaši į aukščiau aprašytą triptofano operoną.

Tačiau yra laimikis. 1950-aisiais Jokūbo ir Monod atlikti eksperimentai tai aiškiai parodė E. coli nori panaudoti visą aplinkoje esančią gliukozę prieš pradėdamas panaudoti laktozę. Tai reiškia, kad mechanizmas, naudojamas sprendžiant, ar išreikšti laktozės panaudojimo genus, turi turėti galimybę integruoti dviejų tipų informaciją (1) apie gliukozės koncentraciją ir (2) apie laktozės koncentraciją. Nors teoriškai tai būtų galima padaryti keliais būdais, mes išnagrinėsime, kaip lac operonas tai atlieka naudodamas kelis transkripcijos faktorius.

Transkripcijos reguliatoriai lac operonas

The lac represorius – tiesioginis laktozės jutiklis

Kaip pažymėta, lac Operonas paprastai turi labai mažą transkripcijos produkciją arba jos visai nėra, kai nėra laktozės. Taip yra dėl dviejų veiksnių: (1) operono konstitucinis promotoriaus stiprumas yra palyginti mažas ir (2) nuolatinis LacI represoriaus baltymo buvimas neigiamai veikia transkripciją. Šis baltymas jungiasi prie operatoriaus vietos, esančios šalia promotoriaus, ir blokuoja RNR polimerazę nuo jo transkribavimo lac operono genai. Priešingai, jei yra laktozės, laktozė prisijungs prie LacI baltymo, sukeldama konformacinius pokyčius, neleidžiančius LacI-laktozės kompleksui prisijungti prie jo surišimo vietų. Todėl, kai yra laktozės, neigiamas reguliuojantis LacI nėra prijungtas prie jo surišimo vietos ir gali vykti laktozę naudojančių genų transkripcija.

CAP baltymas – netiesioginis gliukozės jutiklis

Į E. coli, kai sumažėja gliukozės kiekis, mažoji molekulė ciklinis AMP (cAMP) pradeda kauptis ląstelėje. cAMP yra įprasta signalinė molekulė, dalyvaujanti gliukozės ir energijos apykaitoje daugelyje organizmų. Kai ląstelėje sumažėja gliukozės kiekis, didėjančios cAMP koncentracijos leidžia šiam junginiui prisijungti prie teigiamo transkripcijos reguliatoriaus, vadinamo katabolito aktyvatoriaus baltymas (CAP) - taip pat vadinamas CRP. cAMP-CAP komplekse yra daug svetainių E. coli genomo ir daugelis iš šių vietų yra šalia daugelio operonų, kontroliuojančių įvairių cukrų apdorojimą, promotorių.

Viduje konors lac operono, cAMP-CAP surišimo vieta yra prieš promotorių. CAMP-CAP prisijungimas prie DNR padeda įdarbinti ir išlaikyti RNR polimerazę promotoriui. Padidėjęs RNR polimerazės užimtumas jos promotoriui, savo ruožtu, padidina transkripcijos našumą. Šiuo atveju BŽŪP baltymas veikia kaip teigiamas reguliatorius.

Atkreipkite dėmesį, kad CAP-cAMP kompleksas kituose operonuose taip pat gali veikti kaip neigiamas reguliatorius, priklausomai nuo to, kur yra CAP-cAMP komplekso surišimo vieta, palyginti su RNR polimerazės surišimo vieta.

Viską sudėjus: lac operono ekspresijos skatinimas

lac Kad operonas būtų aktyvuotas, turi būti įvykdytos dvi sąlygos. Pirma, gliukozės lygis turi būti labai mažas arba jo visai nebūti. Antra, turi būti laktozės. Tik tada, kai nėra gliukozės ir yra laktozės lac operonas turi būti perrašytas. Kai pasiekiama ši sąlyga, LacI-laktozės kompleksas atskiria neigiamą reguliatorių nuo šalia promotoriaus, išlaisvindamas RNR polimerazę, kad transkribuotų operono genus. Be to, didelis cAMP kiekis (netiesiogiai rodo mažą gliukozės kiekį) skatina CAP-cAMP komplekso susidarymą. Ši TF induktorių pora dabar jungiasi šalia promotoriaus ir teigiamai įdarbina RNR polimerazę. Šis papildomas teigiamas poveikis padidina transkripcijos produkciją, o laktozė gali būti efektyviai panaudota. Kitų dvejetainių gliukozės ir laktozės sąlygų derinių mechaninė išeiga aprašyta toliau esančioje lentelėje ir toliau esančiame paveikslėlyje.

Tiesos lentelė Lac Operon

Lac operono transkripcija yra kruopščiai reguliuojama, kad jo ekspresija įvyktų tik tada, kai gliukozė yra ribota, o laktozė yra alternatyvus kuro šaltinis.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)
Signalai, kurie skatina arba slopina transkripciją lac Operonas
gliukozėBŽŪP įpareigojaLaktozėRepresorius surišaTranskripcija
+--+Nr
+-+-Kai kurie
-+-+Nr
-++-Taip

Išsamesnis lako represoriaus funkcijos vaizdas

Lac represoriaus funkcijos aprašymas teisingai apibūdina valdymo mechanizmo, naudojamo aplink lac promotorių, logiką. Tačiau molekulinis surišimo vietų aprašymas yra šiek tiek per daug supaprastintas. Iš tikrųjų lac represorius turi tris panašias, bet ne identiškas surišimo vietas, vadinamas operatoriumi 1, operatoriumi 2 ir operatoriumi 3. 1 operatorius yra labai arti nuorašo pradžios vietos (žymima +1). 2 operatorius yra apie +400 nt LacZ baltymo kodavimo srityje. 3 operatorius yra maždaug -80 nt prieš nuorašo pradžios vietą (tiesiog "už" BŽŪP surišimo vietos).

Lac operono reguliavimo sritis, vaizduojanti promotorių, tris lac operatorius ir CAP surišimo vietą. Lac Z baltymą koduojanti sritis taip pat parodyta atsižvelgiant į operatorių sekas. Atkreipkite dėmesį, kad du iš operatorių yra baltymą koduojančiame regione – DNR vienu metu užkoduota kelių skirtingų tipų informacija.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Lac represoriaus tetrameras (mėlynas) pavaizdavo, kad suriša du operatorius ant kilpinės DNR grandinės (oranžinė).
Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas) – pritaikyta iš Goodsell (https://pdb101.rcsb.org/motm/39)

Eukariotų genų reguliavimas

Reglamento apžvalga

Kaip minėta anksčiau, reguliavimas yra susijęs su sprendimų priėmimu. Genų reguliavimas, kaip bendra tema, yra susijusi su sprendimų dėl genetinės medžiagos funkcinės raiškos priėmimu. Nesvarbu, ar galutinis produktas yra RNR rūšis, ar baltymas, galutinio ekspresuoto produkto gamybai reikia procesų, kurie apima kelis etapus. Mes praleidome šiek tiek laiko aptardami kai kuriuos iš šių žingsnių (t. y. transkripciją ir vertimą) ir kai kuriuos mechanizmus, kuriuos gamta naudoja ląstelių ir aplinkos informacijai aptikti, kad reguliuotų transkripcijos inicijavimą.

Kai aptarėme stiprių ir silpnų promotorių sąvoką, pristatėme idėją, kad reguliuoti transkripto kiekį (molekulių skaičių), kuris buvo pagamintas iš promotoriaus per tam tikrą laiko vienetą, taip pat gali būti svarbus funkcijai. Tai neturėtų visiškai stebinti. Baltymus koduojančiam genui kuo daugiau nuorašo pagaminama, tuo didesnė galimybė pagaminti daugiau baltymų. Tai gali būti svarbu tais atvejais, kai norint išgyventi labai svarbu pagaminti daug tam tikro fermento. Priešingai, kitais atvejais reikia tik šiek tiek baltymų, o per didelis jų kiekis būtų ląstelių išteklių švaistymas. Šiuo atveju pirmenybė gali būti teikiama žemam transkripcijos lygiui. Skirtingo stiprumo rėmėjai gali patenkinti šiuos skirtingus poreikius. Kalbant apie nuorašo skaičių, mes taip pat trumpai paminėjome, kad sintezė nėra vienintelis būdas reguliuoti gausą. Taip pat svarbu atsižvelgti į degradacijos procesus.

Šiame skyriuje mes papildome šias temas, sutelkdami dėmesį į eukariotų reguliavimo procesus. Tiksliau, mes išnagrinėjame ir kartais iš naujo išnagrinėjame kai kuriuos iš kelių žingsnių, kurių reikia norint išreikšti genetinę medžiagą eukariotų organizmuose reguliavimo kontekste. Norime, kad jūs ne tik galvotumėte apie procesus, bet ir suprastumėte, kad kiekvienas išraiškos proceso žingsnis taip pat yra galimybė tiksliai sureguliuoti ne tik nuorašo ar baltymo gausą, bet ir jo funkcinę būseną, formą (ar variantą), ir (arba) stabilumą. Kiekvienas iš šių papildomų veiksnių taip pat gali būti gyvybiškai svarbus, kad įtakotų sąlygiškai specifinių funkcinių variantų gausą.

Struktūriniai skirtumai tarp bakterijų ir eukariotinių ląstelių, turinčių įtakos genų reguliavimui

Pagrindinis eukariotinės ląstelės požymis yra branduolys, dviguba membrana, apimanti ląstelės paveldimą medžiagą. Siekiant efektyviai pritaikyti organizmo DNR į uždarą branduolio erdvę, DNR pirmiausia supakuojama ir baltymais suskirstoma į struktūrą, vadinamą chromatinu. Ši branduolinės medžiagos pakuotė sumažina prieigą prie konkrečių chromatino dalių. Iš tiesų, kai kurie DNR elementai yra taip sandariai supakuoti, kad transkripcijos mechanizmai negali pasiekti reguliavimo vietų, tokių kaip promotoriai. Tai reiškia, kad viena iš pirmųjų transkripcijos reguliavimo vietų eukariotuose turi būti kontrolės prieiga prie pačios DNR. Chromatino baltymai gali būti modifikuoti fermentais, kurie gali turėti įtakos tam, ar jie glaudžiai (ribota transkripcijos prieiga), ar laisviau (didesnė transkripcijos prieiga) jungiasi prie DNR segmento . Šis modifikavimo procesas – neatsižvelgiant į tai, kuri kryptis būtų laikoma pirmiausia – yra grįžtama. Todėl DNR gali būti dinamiškai atskirta ir prieinama, kai „tinkamas laikas“.

Genų ekspresijos reguliavimas eukariotuose taip pat apima kai kuriuos tuos pačius papildomus pagrindinius mechanizmus, aptartus bakterijų reguliavimo modulyje (ty stiprių arba silpnų promotorių, transkripcijos faktorių, terminatorių ir tt naudojimas), tačiau faktinis dalyvaujančių baltymų skaičius paprastai yra didelis. didesnis eukariotuose nei bakterijose ar archėjose.

Potranskripcijos fermentinis RNR apdorojimas, vykstantis branduolyje, ir subrendusios mRNR eksportas į citozolį yra du papildomi skirtumai tarp bakterijų ir eukariotų genų reguliavimo. Toliau išsamiau aptarsime šį reguliavimo lygį.

Kai kurių pagrindinių bakterijų ir eukariotų genų ekspresijos procesų skirtumų vaizdavimas. Šiuo atveju atkreipkite dėmesį į histono ir histono modifikatorių buvimą, pre-mRNR susijungimą ir subrendusios RNR eksportą iš branduolio kaip pagrindinius bakterijų ir eukariotų sistemų skirtumus.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

DNR pakavimas ir epigenetiniai žymenys

DNR eukariotinėse ląstelėse yra tiksliai suvyniota, sulankstyta ir sutankinta į chromosomas, kad tilptų į branduolį. Jis taip pat sutvarkytas taip, kad ląstelė galėtų lengvai pasiekti tam tikrus chromosomų segmentus. Tvirčiau sutankintose chromosomų srityse baltymams bus sunkiau prisijungti, todėl sumažės tose srityse užkoduotų genų ekspresija. Genomo regionai, kurie yra laisvai sutankinti, bus lengviau pasiekiami baltymams, todėl padidės tikimybė, kad genas bus transkribuotas. Čia aptariami būdai, kuriais ląstelės reguliuoja DNR sutankinimo tankį.

DNR pakavimas

Pirmasis organizavimo, arba pakavimo, lygis yra DNR grandžių vyniojimas aplinkui histonas baltymai. Histonai supakuoja ir užsako DNR į struktūrinius vienetus, vadinamus nukleosomos, kuris gali kontroliuoti baltymų prieigą prie konkrečių DNR regionų. Žiūrint elektroniniu mikroskopu, šis DNR vyniojimas aplink histono baltymus, kad susidarytų nukleosomos, atrodo kaip maži karoliukai ant stygos. Šie karoliukai (nukleozomų kompleksai) gali judėti išilgai stygos (DNR), kad pakeistų, kurios DNR sritys yra prieinamos transkripcijos mechanizmams. Nors nukleosomos gali judėti, kad atvertų chromosomų struktūrą ir atskleistų DNR segmentą, jos tai daro labai kontroliuojamai.

DNR yra sulankstyta aplink histono baltymus, kad būtų sukurti (a) nukleozomų kompleksai. Šios nukleosomos kontroliuoja baltymų prieigą prie pagrindinės DNR. Žiūrint pro elektroninį mikroskopą (b), nukleosomos atrodo kaip karoliukai ant stygos. (kreditas „mikrografas“: Chriso Woodcocko darbo modifikacija)

Histono modifikacija

Histono baltymų judėjimas priklauso nuo cheminių signalų, randamų tiek histono baltymuose, tiek DNR. Šie cheminiai signalai yra cheminės žymės, pridedamos prie histono baltymų ir DNR, kurios histonams nurodo, ar chromosomų sritis turi būti „atvira“ ar „uždaryta“. Toliau pateiktame paveikslėlyje pavaizduoti histono baltymų ir DNR modifikacijos. Šios žymos nėra nuolatinės, bet prireikus gali būti pridėtos arba pašalintos. Tai cheminės modifikacijos (fosfato, metilo arba acetilo grupės), kurios yra prijungtos prie specifinių aminorūgščių histono baltymuose arba prie DNR nukleotidų. Žymos nekeičia DNR bazinės sekos, bet keičia tai, kaip stipriai suvyniota DNR aplink histono baltymus. DNR yra neigiamo krūvio molekulė; todėl histono krūvio pokyčiai pakeis DNR molekulės tvirtumą. Nemodifikuoti histono baltymai turi didelį teigiamą krūvį; pridedant cheminių modifikacijų, tokių kaip acetilo grupės, krūvis tampa mažiau teigiamas.

Nukleosomos gali slysti išilgai DNR. Kai nukleosomos yra glaudžiai viena kitos (viršuje), transkripcijos faktoriai negali prisijungti ir genų ekspresija yra išjungta. Kai nukleosomos yra toli viena nuo kitos (apačioje), DNR yra apnuoginta. Transkripcijos faktoriai gali prisijungti, todėl gali pasireikšti genų ekspresija. Histonų ir DNR modifikacijos turi įtakos nukleozomų tarpui.

Siūloma diskusija

Kodėl histono baltymai paprastai turi daug teigiamų krūvių (histonuose yra daug lizino aminorūgščių). Ar pašalinus teigiamus krūvius atsipalaiduotų histono ir DNR sąveika?

Siūloma diskusija

Numatykite histonų būseną genomo srityse, kurios yra reguliariai transkribuojamos. Kuo jos skiriasi nuo sričių, kuriose transkripcija nėra aukšta?

DNR modifikacija

Pati DNR molekulė taip pat gali būti modifikuota. Tai vyksta labai specifiniuose regionuose, vadinamuose CpG salomis. Tai atkarpos su dideliu citozino ir guanino dinukleotidų DNR porų (CG) dažniu, dažnai aptinkamų genų promotoriaus regionuose. Kai tokia konfigūracija egzistuoja, poros citozino narys gali būti metilintas (pridedama metilo grupė). Ši modifikacija keičia DNR sąveiką su baltymais, įskaitant histono baltymus, kurie kontroliuoja prieigą prie regiono. Labai metilintos (hipermetilintos) DNR sritys su deacetilintais histonais yra sandariai susuktos ir transkripcijos požiūriu neaktyvios.

Epigenetiniai pokyčiai nesukelia nuolatinių DNR sekos pokyčių. Epigenetiniai pokyčiai pakeičia chromatino struktūrą (baltymo-DNR kompleksą), kad būtų galima arba uždrausti prieigą transkribuoti genus. DNR modifikavimas, pvz., metilinimas citozino nukleotiduose, gali įdarbinti represorinius baltymus, kurie blokuoja RNR polimerazės prieigą prie geno transkribavimo, arba gali padėti sutankinti DNR, kad blokuotų visų baltymų prieigą prie tos genomo srities. Šie pokyčiai yra grįžtami, o mutacijos nėra, tačiau epigenetiniai chromosomos pokyčiai taip pat gali būti paveldimi.
Šaltinis: pakeista iš https://researcherblogski.wordpress....r/dudiwarsito/

Genų ekspresijos reguliavimas per chromatino remodeliavimą vadinamas epigenetiniu reguliavimu. Epigenetika reiškia „aplink genetiką“. Histono baltymų ir DNR pokyčiai nekeičia nukleotidų sekos ir nėra nuolatiniai. Vietoj to, šie pokyčiai yra laikini (nors jie dažnai išlieka per kelis ląstelių dalijimosi etapus ir gali būti paveldimi) ir prireikus keičia chromosomų struktūrą (atvirą arba uždarą).

Išorinė nuoroda

Peržiūrėkite šį vaizdo įrašą, kuriame aprašoma, kaip epigenetinis reguliavimas kontroliuoja genų ekspresiją.

Eukariotų genų struktūra ir RNR apdorojimas

Eukariotų genų struktūra

Daugelis eukariotų genų, ypač tų, kurie koduoja baltymų produktus, yra užkoduoti genome nenutrūkstamai. Tai reiškia, kad koduojantis regionas yra suskaidomas į dalis įsiterpus nekoduojantiems genų elementams. Kodavimo sritys yra vadinamos egzonai o įsiterpę nekoduojantys elementai vadinami intronai. Žemiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotas bendras eukariotinis genas.

Tipiško nenutrūkstamo eukarioto geno dalys.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Bendrojo eukarioto geno dalyse yra žinomi elementai, tokie kaip promotorius ir terminatorius. Tarp šių dviejų elementų sritis, koduojanti visus geno elementus, kurie gali būti transliuojami (jie neturi stopkodonų), kaip ir bakterinėse sistemose, vadinama atviruoju skaitymo rėmu (ORF). Stiprintuvai ir (arba) duslintuvai yra DNR sritys, kurios padeda įdarbinti reguliuojančius baltymus. Jie gali būti gana arti promotoriaus, pavyzdžiui, bakterinėse sistemose, arba nutolę tūkstančius nukleotidų. Taip pat yra daugelyje bakterijų nuorašų, taip pat egzistuoja 5' ir 3' netransliuoti regionai (UTR). Šios geno sritys koduoja nuorašo segmentus, kurie, kaip rodo jų pavadinimai, nėra verčiami ir yra atitinkamai 5' ir 3' nuo ORF. UTR paprastai koduoja kai kuriuos reguliavimo elementus, kurie yra svarbūs reguliuojant transkripciją arba genų ekspresijos etapus, kurie atsiranda po transkripcijos.

RNR rūšys, susidarančios dėl šių genų transkripcijos, taip pat yra nenutrūkstamos, todėl turi būti apdorotos prieš išeinant iš branduolio, kad būtų transliuojamos arba naudojamos citozolyje kaip subrendusios RNR. Eukariotinėse sistemose tai apima RNR sujungimą, 5' uždengimą, 3' galo skilimą ir poliadenilinimą. Ši etapų serija yra sudėtingas molekulinis procesas, kuris turi vykti uždarose branduolio ribose. Kiekvienas iš šių žingsnių suteikia galimybę reguliuoti eksportuojamų nuorašų gausą ir šių nuorašų funkcines formas. Nors tai būtų sudėtingesnių kursų temos, pagalvokite, kaip kai kurias iš šių temų apibrėžti kaip genetinio reguliavimo dizaino iššūkio subproblemas.Jei nieko kito, pradėkite vertinti labai suburtą molekulinį šokį, kuris turi įvykti norint išreikšti geną ir kaip tai yra stulbinantis evoliucinės inžinerijos dalinys.

5' ribojimas

Kaip ir bakterinėse sistemose, eukariotinės sistemos turi surinkti išankstinį inicijavimo kompleksą promotoriaus sekoje ir aplink ją, kad inicijuotų transkripciją. Eukariotuose besikaupiantys kompleksai atlieka daugelį tų pačių funkcijų kaip ir bakterinėse sistemose, tačiau jie yra žymiai sudėtingesni, juose dalyvauja daug daugiau reguliuojančių baltymų. Šis papildomas sudėtingumas leidžia geriau reguliuoti ir surinkti baltymus, kurių funkcijos dažniausiai vyksta eukariotinėse sistemose. Viena iš šių papildomų funkcijų yra besiformuojančių nuorašų „apribojimas“.

Eukariotų baltymus koduojančiuose genuose pirmoji pagaminta RNR vadinama pre-mRNR. „Išankstinis“ priešdėlis reiškia, kad tai nėra visiškai subrendusi mRNR, kuri bus išversta ir kad pirmiausia ją reikia apdoroti. Modifikacija, žinoma kaip 5'-dangtelis, įvyksta po to, kai pre-mRNR yra maždaug 20-30 nukleotidų ilgio. Šiuo metu išankstinė RNR paprastai gauna pirmąją po transkripcijos modifikaciją, 5'-dangtelį. "dangtelis" yra cheminė modifikacija – 7-metilguanozinas, kurio papildymą 5' nuorašo gale fermentiškai katalizuoja keli fermentai, vadinami ribojimo fermentų kompleksu (CEC), kelių fermentų grupė, kuri atlieka nuoseklius veiksmus. pridedant 5' dangtelį. CEC prisijungia prie RNR polimerazės labai anksti transkripcijos metu ir modifikuoja 5' trifosfatą, o vėliau perkelia GTP į šį galą (sujungia du nukleotidus naudojant unikalų 5'-5' ryšį), naujai perkelto guanino metilinimas, o kai kuriuose nuorašuose – papildomos pirmųjų kelių nukleotidų modifikacijos. Atrodo, kad šis 5'-dangtelis veikia apsaugodamas atsirandantį nuorašą nuo skilimo ir greitai surišamas su RNR surišančiais baltymais, žinomais kaip dangtelio surišimo kompleksas (CBC). Yra tam tikrų įrodymų, kad ši modifikacija ir su juo susiję baltymai atlieka svarbų vaidmenį nukreipiant transkriptą eksportuoti iš branduolio. Besiformuojančios RNR apsauga nuo skilimo yra svarbi ne tik norint išsaugoti energiją, investuotą kuriant nuorašą, bet ir aiškiai dalyvauja reguliuojant gaminamo pilnai veikiančio transkripto gausą. Be to, 5' dangtelio vaidmuo nukreipiant nuorašą eksportui tiesiogiai padės reguliuoti ne tik pagaminamo nuorašo kiekį, bet, ko gero, dar svarbiau, nuorašo kiekį, kuris eksportuojamas į citoplazmą, kuri turi potencialo. būti išversta.

Tipiško 7-metilguanilato dangtelio struktūra.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Nuorašo sujungimas

Gimstantys transkriptai turi būti perdirbti į subrendusias RNR, sujungiant egzonus ir pašalinant įsiterpusius intronus. Tai atlieka daugiakomponentis RNR ir baltymų kompleksas, vadinamas spliceosoma. Spliceosomų kompleksas surenkamas besiformuojančiame transkripte ir daugeliu atvejų sprendimai, kuriuos intronus sujungti į brandų transkriptą, priimami būtent šiuo metu. Kaip šie sprendimai priimami, vis dar nėra visiškai suprantama, tačiau tai apima specifinių DNR sekų atpažinimą sujungimo vietose pagal RNR ir baltymų rūšis bei keletą katalizinių įvykių. Įdomu pastebėti, kad katalizinė spliceosomos dalis yra sudaryta iš RNR, o ne iš baltymų. Prisiminkite, kad ribosoma yra dar vienas RNR-baltymų komplekso pavyzdys, kur RNR yra pagrindinis katalizinis komponentas. Sujungimo varianto pasirinkimas yra genų ekspresijos reguliavimo forma. Šiuo atveju alternatyvus sujungimas, užuot tiesiog darantis įtaką nuorašo gausai, leidžia ląstelei priimti sprendimus, kokia nuorašo forma yra daroma.

Alternatyvios genų susijungimo formos, dėl kurių susidaro panašios struktūros, bet skirtingos funkcijos baltymų produktai, yra žinomos kaip izoformų. Izoformų kūrimas yra įprastas eukariotų sistemose ir yra žinomas kaip svarbus įvairiuose daugialąsčių organizmų vystymosi etapuose ir apibrėžiant skirtingų ląstelių tipų funkcijas. Koduojant kelis galimus genų produktus iš vieno geno, kurio transkripcijos iniciacija yra užkoduota iš vienos transkripcijos reguliavimo vietos (priimant sprendimą, kurį galutinį produktą gaminti po transkripcijos), nebereikia kurti ir išlaikyti nepriklausomas kiekvieno geno kopijas. skirtingos genomo dalys ir besivystančios nepriklausomos reguliavimo vietos. Todėl gebėjimas sudaryti kelias izoformas iš vieno koduojančio regiono yra evoliuciniu požiūriu naudingas, nes tai leidžia šiek tiek efektyviau koduoti DNR, sumažina transkripcijos reguliavimo sudėtingumą ir gali sumažinti energijos naštą, reikalingą išlaikyti daugiau DNR ir apsaugoti ją nuo mutacijų. Kai kurie galimų alternatyvaus sujungimo rezultatų pavyzdžiai gali būti: fermentų variantų su skirtingu substrato afinitetu arba kataliziniu greičiu generavimas; gali būti pakeistos signalų sekos, nukreipiančios baltymus į įvairius tarpląstelinius skyrius; gali būti sukurtos visiškai naujos funkcijos keičiant baltymų domenus. Tai tik keli pavyzdžiai.

Kitas įdomus galimas alternatyvaus sujungimo rezultatas yra sustabdymo kodonų įvedimas, kuris dėl mechanizmo, kuriam, atrodo, reikalauja vertimo, gali sukelti tikslinį nuorašo skilimą. Tai reiškia, kad be transkripcijos inicijavimo ir 5'-dangtelio kontrolės, alternatyvus sujungimas taip pat gali būti laikomas vienu iš reguliavimo mechanizmų, galinčių turėti įtakos transkripto gausai. Todėl alternatyvaus sujungimo poveikis gali būti platus – nuo ​​visiško funkcijos praradimo iki naujos ir įvairios funkcijos iki reguliavimo efektų.

Paveikslas, vaizduojantis kai kuriuos skirtingus alternatyvaus sujungimo būdus, iliustruojantis, kaip skirtingi sujungimo variantai gali sukelti skirtingas baltymų formas.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

3' galo skilimas ir poliadenilinimas

Viena paskutinė gimstančios pre-mRNR modifikacija atliekama prieš joms paliekant branduolį – 3' galo skilimas ir jo poliadenilinimas. Šį dviejų pakopų procesą katalizuoja du skirtingi fermentai (kaip pavaizduota toliau) ir jis gali papuošti 3' transkriptų galą iki beveik 200 nukleotidų. Ši modifikacija padidina nuorašo stabilumą. Paprastai kuo daugiau poliA žymos, tuo ilgesnis yra nuorašo eksploatavimo laikas. Atrodo, kad poliA žyma taip pat vaidina svarbų vaidmenį eksportuojant nuorašą iš branduolio. Todėl 3' poliA žymė vaidina vaidmenį genų ekspresijoje, reguliuodama funkcinį transkripto gausą ir tai, kiek iš branduolio eksportuojama vertimui.

Dviejų etapų procesas yra susijęs su nuorašų 3' galų modifikavimu prieš branduolinį eksportą. Tai apima nuorašų pjaustymą tik pasroviui nuo konservuotos sekos (AAUAAA) ir adenilato grupių perkėlimą. Abu procesai yra fermentiškai katalizuojami.
Priskirti: Marc T. Facciotti (savo darbas)

MikroRNR

RNR stabilumas ir mikroRNR

Be pirmiau aprašytų išankstinės RNR modifikacijų ir susijusių baltymų, kurie jungiasi prie atsirandančių ir nuorašų, yra ir kitų veiksnių, galinčių turėti įtakos RNR stabilumui ląstelėje. Vienas iš pavyzdžių yra elementai, vadinami mikroRNR. MikroRNR arba miRNR yra trumpos RNR molekulės, kurių ilgis yra tik 21–24 nukleotidai. MiRNR yra transkribuojamos branduolyje kaip ilgesnės pre-miRNR. Šios išankstinės miRNR vėliau susmulkinamos į subrendusias miRNR baltymu, vadinamu kauliuku. Šios subrendusios miRNR atpažįsta specifinę tikslinės RNR seką per komplementarų bazių poravimą. Tačiau miRNR taip pat siejasi su ribonukleoproteinų kompleksu, vadinamu RNR sukeltu tylėjimo kompleksu (RISC). RISC suriša tikslinę mRNR kartu su miRNR, kad suskaidytų tikslinę mRNR. Kartu miRNR ir RISC kompleksas greitai sunaikina RNR molekulę. Kaip ir galima tikėtis, išankstinių miRNR transkripcija ir tolesnis jų apdorojimas taip pat yra griežtai reguliuojami.

Branduolinės energijos eksportas

Branduolinės energijos eksportas

Visiškai apdoroti, subrendę nuorašai turi būti eksportuojami per branduolį. Nenuostabu, kad šis procesas apima subrendusių RNR rūšių, prie kurių yra prijungta daug papildomų baltymų (kai kurie iš jų buvo glaudžiai susiję su aukščiau aptartomis modifikacijomis), ir baltymų komplekso, vadinamo branduolinių porų kompleksas (NPC). Transportas per NPC leidžia baltymų ir RNR rūšių srautui judėti abiem kryptimis ir yra tarpininkaujamas daugelio baltymų. Šis procesas gali būti naudojamas selektyviai reguliuoti įvairių transkriptų transportavimą, priklausomai nuo to, kurie baltymai susieja su atitinkamu nuorašu. Tai reiškia, kad NPC ne visus nuorašus apdoroja vienodai – priklausomai nuo modifikacijos būsenos ir baltymų, susijusių su konkrečia RNR rūšimi, jis gali būti daugiau ar mažiau efektyviai perkeltas per branduolio membraną. Kadangi judėjimo per poras greitis turės įtakos brandaus transkripto, kuris eksportuojamas į citozolį vertimui, gausai, eksporto kontrolė yra dar vienas genų reguliavimo proceso žingsnio pavyzdys, kurį galima moduliuoti. Be to, naujausi tyrimai parodė, kad NPC ir transkripcijos faktoriai sąveikauja reguliuojant transkripcijos inicijavimą, greičiausiai per tam tikrą mechanizmą, pagal kurį transkripcijos faktoriai prisiriša prie branduolinių porų. Šis paskutinis pavyzdys parodo, kaip genų ekspresijos reguliavimas yra tarpusavyje susijęs keliuose šio sudėtingo proceso etapuose.

Daugelis papildomų aukščiau aprašytų procesų detalių yra žinomi tam tikru lygiu, tačiau dar reikia atsakyti į daugybę klausimų. Bis2a labui pakanka pradėti formuoti etapų, vykstančių gaminant brandų transkriptą eukariotų organizmuose, modelį. Mes nutapėme paveikslą labai plačiais potėpiais, bandydami pateikti sceną, atspindinčią tai, kas paprastai vyksta visuose eukariotuose. Be to, kad sužinotų apie pagrindines eukariotų genų reguliavimo ypatybes, mes taip pat norėtume, kad Bis2a mokiniai pradėtų galvoti apie kiekvieną iš šių žingsnių kaip apie galimybę gamtai kaip nors reguliuoti genų ekspresiją ir racionalizuoti trūkumus ar pokyčius. šiuose keliuose, kurie gali būti įvesti per mutaciją, gali turėti įtakos genų ekspresijai.

Nors mes čia aiškiai neiškėlėme dizaino iššūkio ar energijos istorijos, šie formalizmai taip pat puikiai padeda suprasti, kas aprašyta. Raginame pabandyti sukurti energijos istoriją įvairiems procesams. Taip pat rekomenduojame naudoti dizaino iššūkio rubriką, kad iš naujo išnagrinėtumėte aukščiau pateiktas istorijas: nustatykite problemas, kurias reikia išspręsti; iškelti galimus sprendimus ir sėkmės kriterijus. Pasinaudokite formalizmais, kad pasigilintumėte ir užduokite naujų klausimų / nustatykite naujas problemas arba dalykus, kurių nežinote apie procesus, tai daro ekspertai. Tikėtina, kad atlikę šį siūlomą pratimą nustatysite tyrimo kryptį, kurios kažkas jau ėmėsi (jausitės gana protingi!). Arba galite iškelti naują klausimą, apie kurį dar niekas negalvojo.

Baltymų gausos kontrolė

Kai mRNR perkeliama į citoplazmą, ji paverčiama baltymu. Šio proceso kontrolė labai priklauso nuo RNR molekulės. Kaip aptarta anksčiau, RNR stabilumas turės didelę įtaką jos vertimui į baltymą. Keičiantis stabilumui, keičiasi ir laikas, kurį galima išversti.

Iniciacijos kompleksas ir vertimo greitis

Kaip ir transkripciją, vertimą kontroliuoja baltymų kompleksai, susidedantys iš baltymų ir nukleorūgščių, kurie turi susijungti, kad būtų pradėtas procesas. Vertimo metu vienas iš pirmųjų kompleksų, kuris turi būti surinktas norint pradėti procesą, vadinamas iniciacijos kompleksu. Pirmasis baltymas, prisijungęs prie mRNR, kuris padeda inicijuoti transliaciją, vadinamas eukariotų iniciacijos faktoriumi-2 (eIF-2). eIF-2 baltymo aktyvumą kontroliuoja keli veiksniai. Pirma, ar jis yra susietas su GTP molekule, ar ne. Kai eIF-2 yra prijungtas prie GTP, jis laikomas aktyvia forma. Prie GTP prisijungęs eIF-2 baltymas gali prisijungti prie mažo 40S ribosomų subvieneto. Susijungęs eIF-2/40S ribosomų kompleksas, su savimi atsinešdamas verčiamą mRNR, taip pat įdarbina metionino iniciatoriaus tRNR asocijuotas medžiagas. Šiuo metu, kai surenkamas iniciatoriaus kompleksas, GTP hidrolizuojamas į BVP, sukuriant "neaktyvią eIF-2 formą, kuri kartu su neorganiniu fosfatu išsiskiria iš komplekso. Šis žingsnis, savo ruožtu, leidžia dideliam 60S ribosomų subvienetas prisijungti ir pradėti transliuoti RNR. eIF-2 prisijungimas prie RNR toliau kontroliuojamas baltymų fosforilinimo būdu. Kai eIF-2 fosforilinamas, jis patiria konformacinius pokyčius ir negali prisijungti prie GTP, taip slopindamas iniciacijos komplekso susidarymą - dėl to transliacija yra slopinama (žr. paveikslą žemiau). Defosforilintoje būsenoje eIF-2 gali surišti GTP ir sudaryti sąlygas transliacijos inicijavimo kompleksui, kaip aprašyta aukščiau. Todėl ląstelės gebėjimas suderinti vertimo kvietimo komplekso sąranką per grįžtamąjį cheminį modifikavimą (fosforilinimą) į reguliuojantį baltymą yra dar vienas pavyzdys, kaip gamta pasinaudojo net šiuo, atrodytų, paprastu žingsniu, kad sureguliuotų genų ekspresiją.

Buvo pastebėtas eIF-2 fosforilinimo lygio padidėjimas pacientams, sergantiems neurodegeneracinėmis ligomis, tokiomis kaip Alzheimerio, Parkinsono ir Hantingtono liga. Kaip manote, kokią įtaką tai gali turėti baltymų sintezei?

Cheminės modifikacijos, baltymų aktyvumas ir ilgaamžiškumas

Kad jų neaplenktų nukleino rūgštys, baltymai taip pat gali būti chemiškai modifikuoti pridedant grupes, įskaitant metilo, fosfato, acetilo ir ubikvitino grupes. Šių grupių pridėjimas arba pašalinimas iš baltymų gali reguliuoti jų aktyvumą arba jų buvimo ląstelėje trukmę. Kartais šios modifikacijos gali reguliuoti, kur baltymas randamas ląstelėje, pavyzdžiui, branduolyje, citoplazmoje arba prijungtas prie plazmos membranos.

Cheminės modifikacijos gali atsirasti reaguojant į išorinius dirgiklius, tokius kaip stresas, maistinių medžiagų trūkumas, karštis ar ultravioletinių spindulių poveikis. Jei šie pokyčiai įvyksta konkrečiuose baltymuose, jie ne tik reguliuoja pačių baltymų funkciją, bet ir gali pakeisti epigenetinį prieinamumą (histono modifikacijos atveju), transkripciją (transkripcijos faktorius), mRNR stabilumą (RNR surišančius baltymus) arba transliaciją (eIF). -2) taip maitindamas atgal ir reguliuodamas įvairias genų ekspresijos proceso dalis. Reguliuojančių baltymų modifikavimo atveju tai gali būti veiksmingas būdas ląstelei greitai pakeisti specifinių baltymų kiekį, reaguodama į aplinką, reguliuojant įvairius proceso etapus.

Ubikvitino grupės pridėjimas turi dar vieną funkciją – pažymi tą baltymą skaidymui. Ubiquitinas yra maža molekulė, kuri veikia kaip vėliavėlė, rodanti, kad pažymėti baltymai turi būti nukreipti į organelę, vadinamą proteasoma. Ši organelė yra didelis daugelio baltymų kompleksas, kuris skaido baltymus į mažesnius gabalus, kurie vėliau gali būti perdirbami. Todėl ubikvitinacija (ubikvitino žymės pridėjimas) padeda kontroliuoti genų ekspresiją, pakeisdama baltyminio produkto funkcinį gyvavimo laiką.

Baltymai su ubikvitino žymėmis yra pažymėti, kad jie skaidosi proteasomoje.

Apibendrinant, matome, kad genų reguliavimas yra sudėtingas ir kad jis gali būti moduliuojamas kiekviename funkcinio geno produkto ekspresijos proceso etape. Be to, kiekviename etape vykstantys reguliavimo elementai gali paveikti kitus reguliavimo etapus tiek anksčiau, tiek vėliau genų ekspresijos procese (ty transkripcijos faktoriaus chemijos pakeitimo procesas gali turėti įtakos jo paties transkripcijos reguliavimui daug etapų anksčiau. procesas). Šie sudėtingi sąveikų rinkiniai sudaro vadinamuosius genų reguliavimo tinklus. Šių tinklų struktūros ir dinamikos supratimas yra labai svarbus norint suprasti, kaip veikia skirtingos ląstelės, yra daugelio ligų, vystymosi procesų pagrindas ir kaip ląstelės priima sprendimus, kaip reaguoti į daugelį veiksnių, kurie nuolat keičiasi tiek viduje, tiek išorėje.


Abstraktus

In vitro išaugintas ląsteles smarkiai trikdo jų nauja mikroaplinka. Viso genomo genų ekspresijos lygių analizė leidžia iš pirmo žvilgsnio pamatyti, kokie genai ir keliai yra paveikti ląstelių linijose, palyginti su jų kilmės audiniais. Apibendriname turimus genų ekspresijos duomenis ir apžvelgiame, kaip ląstelių linijos prisitaiko prie in vitro aplinkos, kokiu mastu jos išreiškia savo kilmės audinių žymenis ir aptarėme, kaip ląstelės, išaugintos trimatėse (3D) kultūrose, gali turėti daugiau fiziologinės sąveikos su kaimyninėmis ląstelėmis. ir tarpląstelinė matrica. Taip pat aptarsime piktybinių ląstelių ir stromos, esančios navikuose, tačiau neturinčių ląstelių linijų, sąveiką ir kaip šie skirtumai gali turėti įtakos ląstelių linijų genų ekspresijos palyginimui su navikais. Pateikiamas modelis, imituojantis stromos ląstelių poveikį genų ekspresijos profiliams. 2D ir 3D kultūrose auginamų ląstelių transkriptų supratimas ir jų palyginimas su in vivo ląstelių transkriptais yra svarbūs gerinant ląstelių linijų modelių sistemas ir atkuriant audinius in vitro.


Įvadas

Kad gerai veiktų tam tikroje aplinkoje, ląstelės turi ekspresuoti genus, kurių baltymų kopijos skaičius yra 1, 2, 3. Pastovios būsenos baltymų gausą nustato dvi sintezės reakcijos – transkripcija ir transliacija, kurias subalansuoja du skilimo procesai – mRNR ir baltymų skiedimas ir skilimas 4 . Kartu jie sudaro keturis pagrindinius pagrindinės dogmos rodiklius 5 .

Šių keturių pagrindinių dogmų reakcijų greitį kontroliuoja įvairūs reguliatoriai. Transkripcijos greitį nustato transkripcijos faktoriai ir chromatino remodeliatoriai 6 . Vertimą moduliuoja RNR surišantys baltymai ir nekoduojančios RNR 7,8 ir t.t. Šių molekulinių valdiklių poveikį galima apibendrinti pagal centrinius dogmų rodiklius, kad kiekvienas baltymas būtų taškas keturių matmenų erdvėje, kurios ašys yra keturios normos. Šiame tyrime tai vadiname Crick erdve, pagerbdami Francis Crick, kuris pasiūlė pagrindinę dogmą 5 .

Viena svarbi Crick erdvės savybė yra ta, kad tą patį pastovų baltymų gausą galima pasiekti daugeliu normų derinių. Pavyzdžiui, apsvarstykite baltymą, pagamintą 1000 kopijų per valandą greičiu (1 pav.). Tai galima pasiekti kas valandą transkribuojant 100 mRNR ir iš kiekvienos mRNR išverčiant 10 baltymų. Arba 1000 baltymų gali būti pagaminti iš vienos mRNR, paverčiamos 1000 baltymų per valandą (šiame pavyzdyje mes fiksavome mRNR ir baltymų skilimą). Yra begalė būdų, kaip derinti transkripcijos ir vertimo greitį, βm [mRNR h −1 ] ir βp [baltymų mRNR -1 h -1 )], kad būtų tiekiamas tam tikras pastovus baltymų skaičius p, būtent βmβp/αmαp = p kur αm [h −1 ] ir αp [h −1 ] yra iRNR ir baltymų skilimo praskiedimo ir skaidymo metu greitis (metodai).

Kiekvienam genui begalinis skaičius transkripcijos ir transliacijos greičio derinių gali pasiekti tam tikrą baltymų gausą. Pavyzdžiui, norint gauti 1000 baltymų per valandą, viena galimybė yra iš vienos mRNR išversti 1000 baltymų per valandą. Kitas variantas yra išversti 10 baltymų per valandą iš 100 mRNR. Mes manėme, kad fiksuota mRNR ir baltymų skilimas, kad supaprastintume vizualizaciją. Taip pat žr. papildomą 1 pav

Čia mes klausiame, ar tokie deriniai atsiranda atsitiktinai, kaip tikėtasi, jei jie yra vienodai naudingi ir yra istorinis nelaimingas atsitikimas ar genetinis poslinkis, ar yra taisyklių, pagrįstų konkrečiais vertimo / transkripcijos santykiais, kurie turi selektyvų pranašumą. Jei tokios taisyklės egzistuoja, galime tikėtis, kad genai užima Crick erdvę.

Nors iki šiol nebuvo sistemingų įrodymų apie taisykles, ankstesniame darbe buvo aprašyta, kaip skirtingi centrinių dogmų rodiklių deriniai gali skirtis savo biologiniu poveikiu. Viena darbo eilutė rodo, kad vidinis triukšmas 9, 10, 11, 12 , stochastinis baltymų skaičiaus pokytis dėl mažo skaičiaus efektų, yra didžiausias, kai mažai mRNR paverčiama daugybe baltymų 13, 14, 15, 16 . Šis didelis triukšmas atsiranda dėl to, kad santykiniai kelių mRNR skaičiaus svyravimai yra dideli ir juos sustiprina stiprus vertimas. Pirmą kartą šią idėją pasiūlė McAdams & Arkin 13, remdamasi teoriniais argumentais. Prognozę, kad tam tikrą baltymų gausą galima pasiekti su mažiausiu triukšmu, kai transkripcija yra didelė, o transliacija žema, patvirtino Ozbudak ir kt. 14 naudojant sintetines konstrukcijas su apibrėžtu transkripcijos ir vertimo greičiu. Bar-Even ir kt. 16 išmatavo triukšmą ir 43 gausą S. cerevisiae baltymų ir nustatė, kad triukšmo mastelis su baltymų gausa atitinka McAdams ir Arkin13 prognozes. Taip pat į S. cerevisiae, Newman ir kt. 17 pastebėjo ryšį tarp triukšmo ir mRNR gausos 2500+ genų.

Kitas skirtumas tarp normų derinių, suteikiančių tą patį pastovios būsenos baltymų gausą, yra mRNR kaina – tinkamumo sumažėjimas dėl mRNR gamybos 18, 19, 20, 21, 22 . Teoriniai tyrimai parodė, kad mRNR sintezės kaina suteikia pasirenkamą trūkumą13,18,19. Eksperimentai S. cerevisiae 21 rodo, kad nenaudingos mRNR ekspresija sumažina augimo greitį proporcingai transkripcijos greičiui (metodai). Į E. coli, baltymo ekspresija tam tikru gausumu iš didesnio mRNR skaičiaus sumažina tinkamumą 22 .

Manoma, kad triukšmas ir kaina yra svarbūs komponentai nustatant tinkamumą ir pasirenkant biologinį dizainą13,23,24,25,26,27. Visų pirma McAdams & Arkin 13 ir kiti 14 pasiūlė kompromisą tarp genų ekspresijos sąnaudų mažinimo ir triukšmo mažinimo baltymų gausoje. Išbandyti šią hipotezę buvo sunku iš dalies dėl to, kad iki šiol nebuvo galima išmatuoti centrinių dogmų rodiklių genomo mastu28. Kita kliūtis, kuri neleido patikrinti tikslios ekonomikos kompromiso genų ekspresijoje hipotezės, yra ta, kad neaišku, kaip tikslumo ir ekonomiškumo sąveika turėtų paveikti genų pasiskirstymą Crick erdvėje.

Čia mes sprendžiame baltymų ekspresijos taisyklių klausimą, analizuodami išsamius duomenis apie centrinių dogmų rodiklius iš kelių modelių organizmų 3, 17, 26, 29, 30, 31 ir teoriją apie evoliucinius kompromisus. Pastebime, kad maždaug pusė Crick erdvės yra tuščia: atrodo, kad genai nesuderina didelės transkripcijos su mažu vertimu. Šis išeikvotas regionas yra prieinamas sintetiniais konstruktais, todėl jo tuštuma nėra pagrįsta mechaniniais apribojimais. Tuščią Crick erdvę paaiškiname kompromisu tarp kainos ir genų ekspresijos triukšmo. Ši teorija tiksliai numato tuščio regiono ribą, kuri skiriasi 2 laipsniais tarp mūsų nagrinėjamų modelių organizmų. Šis metodas gali būti naudingas kuriant sintetines genų ekspresijos grandines ir siūlo taisykles dėl centrinių dogmų normų, kurios, atrodo, taikomos nuo bakterijų iki žmonių.


2. Medžiagos ir metodai

2.1. Klinikinių tyrimų mėginiai ir serumo mėginiai

Kaip aprašyta anksčiau [25], 45 pacientų (15 atsitiktinai atrinktų pacientų iš kiekvienos gydymo grupės), įtrauktų į II fazės klinikinį tyrimą, parafininiai blokai prostatektomijos mėginiams ir serumui buvo gauti iš universiteto sveikatos tinklo Toronte, Kanadoje. Atsitiktinių imčių tyrime, užregistruotame www.clinicaltrials.gov (<"type":"clinical-trial","attrs":<"text":"NCT00741364","term_id":"NCT00741364">> NCT00741364, dalyvavo 66 pacientams, kuriems buvo skiriamas vitaminas D3 (cholekalciferolis) 400, 10 000 arba 40 000 TV per dieną dozėmis 3𠄸 savaites prieš prostatektomiją, tuo metu buvo paimti švieži audiniai ir kriostyti. Aklųjų mėginių gerybines ir PCa sritis atskyrė patologas, skirtas lazerinio fiksavimo mikrodisekcijai (LCM). LCM buvo naudojamas atskirai surinkti gerybinį epitelį, PCa epitelį ir gerybinę stromą, naudojant anksčiau šiems mėginiams aprašytą procedūrą [25]. Serumo mėginiai buvo paimti atvykus ir paskutinio apsilankymo metu prieš anksčiau aprašytą [26].

2.2. Ląstelių kultūros

Pirminės žmogaus epitelio ir stromos ląstelės buvo išskirtos iš radikalių prostatektomijos audinių iš PCa pacientų Ilinojaus universitete Čikagos medicinos centre, kaip aprašyta anksčiau [6], remiantis Peehl sukurtu metodu [27]. Švieži audiniai iš periferinės zonos buvo atrinkti ir iškirpti 5 mm perforatoriumi patologo pagal Institucinės peržiūros tarybos patvirtintą protokolą. Galutinė audinio patologija buvo nustatyta pagal Hɮ ploną štampavimo pjūvį, o plotas turi būti 100 % gerybinis, kad būtų priskirta tokia klasifikacija. Trumpai tariant, audiniai buvo virškinami kolagenaze ir padengiami ant kolagenu padengtų lėkštelių PrEGM (Lonza, Walkersville, MD) epitelio ląstelių (PrE) augimui ir MCDB-105/10% FBS stromos ląstelių (PrS) augimui (Sigma𠄺ldrich). , Sent Luisas, MO). Ląstelių tipas buvo patvirtintas naudojant qRT-PCR, kad būtų galima išreikšti žinomus bazinių epitelio ląstelių žymenis (CK5+, p63+, AR−) arba stromos ląstelių žymenis (TIMP3+, AR+). Šiems eksperimentams buvo naudojamos 6 skirtingos pacientų gautos gerybinės PrE ląstelės ir padengtos antriniu būdu vienasluoksniais sluoksniais arba 3-D Matrigel. Siekiant užtikrinti vieną nuoseklų stromos ląstelių šaltinį, gerybinės keturių pacientų PrS ląstelės buvo sujungtos antriniu būdu ir užšaldytos keliose alikvotinėse dalyse. Tas pats mišrus PrS ląstelių telkinys buvo naudojamas visiems eksperimentams 3 arba 4 pertraukoje ir padengtas vienasluoksne arba ant 12 mm intarpų, kaip nurodyta.


TECHNINIS ĮGYVENDINIMAS

„FlyAtlas“ žiniatinklio programa naudoja „Java“ servlet tinklalapiams generuoti ir bendrauti su reliacine duomenų baze. „Java“ paketai iš „Apache Commons Mathematics Library“ (http://commons.apache.org/math/) naudojami „Profilio paieškos“ koreliacijoms apskaičiuoti (toliau). Atskira mažesnė serverio versija naudojama programinei prieigai kūrėjams suteikti.

Servleto egzempliorių išlikimas priklauso nuo naujų HTML puslapių, generuojamų iš HTML formos užklausų serveriui. Siekiant išvengti kai kurių suvaržymų, kuriuos tai gali sukelti sąsajos dizainui, „JavaScript“ naudojama norint pasiekti kintamuosius iš puslapio ir generuoti bei išsiųsti „paslėptą“ formą, kai vartotojas inicijuoja užklausą. Taigi, nors kliento žiniatinklio naršyklė nereikalauja Java, JavaScript turi būti įjungtas. „JQuery JavaScript“ biblioteka (http://jquery.com/) naudojama slėpimo/rodymo sąsajos funkcijoms kartu su „jqBarGraph“ papildiniu, skirtu „Profilio“ paieškos juostinėms diagramoms generuoti.

„Autosuggest“ naudoja AJAX: „JavaScript“ failą, pritaikytą iš paskelbto šaltinio (7), tinkintą „Java“ serverio failą ir „FlyAtlasDB“.


Turinys

Išraiškos profiliavimas yra logiškas kitas žingsnis po genomo sekos nustatymo: seka mums nurodo, ką ląstelė galėtų padaryti, o išraiškos profilis – ką ji iš tikrųjų daro tam tikru momentu. Genuose yra nurodymai, kaip sukurti pasiuntinio RNR (mRNR), tačiau bet kuriuo momentu kiekviena ląstelė gamina mRNR tik iš dalies savo nešiojamų genų. Jei mRNR gamybai naudojamas genas, jis laikomas „įjungta“, kitu atveju „išjungta“. Daugelis veiksnių lemia, ar genas įjungtas, ar išjungtas, pavyzdžiui, paros laikas, ar ląstelė aktyviai dalijasi, ar ne, jos vietinė aplinka ir cheminiai signalai iš kitų ląstelių. Pavyzdžiui, odos ląstelės, kepenų ląstelės ir nervų ląstelės įjungia (išreiškia) šiek tiek skirtingus genus, ir dėl to jie skiriasi. Todėl išraiškos profilis leidžia nustatyti ląstelės tipą, būseną, aplinką ir pan.

Ekspresijos profiliavimo eksperimentai dažnai apima santykinio mRNR kiekio, išreikšto dviem ar daugiau eksperimentinių sąlygų, matavimą. Taip yra todėl, kad pakitęs specifinės mRNR sekos lygis rodo, kad pasikeitė mRNR koduojamo baltymo poreikis, galbūt tai rodo homeostatinį atsaką arba patologinę būklę. Pavyzdžiui, didesnis alkoholio dehidrogenazę koduojančios mRNR kiekis rodo, kad tiriamos ląstelės ar audiniai reaguoja į padidėjusį etanolio kiekį jų aplinkoje. Panašiai, jei krūties vėžio ląstelės išreiškia didesnį mRNR kiekį, susietą su tam tikru transmembraniniu receptoriumi, nei įprastos ląstelės, gali būti, kad šis receptorius vaidina svarbų vaidmenį sergant krūties vėžiu. Vaistas, kuris trukdo šiam receptoriui, gali užkirsti kelią krūties vėžiui arba jį gydyti. Kuriant vaistą, galima atlikti genų ekspresijos profiliavimo eksperimentus, padedančius įvertinti vaisto toksiškumą, galbūt ieškant besikeičiančių citochromo P450 genų, kurie gali būti vaistų metabolizmo biomarkeris, ekspresijos lygiai. [2] Genų ekspresijos profiliavimas gali tapti svarbiu diagnostikos testu. [3] [4]

Žmogaus genome yra maždaug 25 000 genų, kurie kartu gamina maždaug 1 000 000 skirtingų baltymų. Taip yra dėl alternatyvaus sujungimo, taip pat dėl ​​to, kad ląstelės atlieka svarbius baltymų pakeitimus po transliacijos modifikavimo po to, kai pirmą kartą juos sukonstruoja, todėl tam tikras genas yra daugelio galimų konkretaus baltymo versijų pagrindas. Bet kokiu atveju, vienu masės spektrometrijos eksperimentu galima nustatyti apie 2000 baltymų [5] arba 0,2 % viso. Nors žinios apie tikslius baltymus, kuriuos gamina ląstelė (proteomika) yra svarbesni nei žinojimas, kiek pasiuntinio RNR pagaminama iš kiekvieno geno, genų ekspresijos profiliavimas suteikia kuo globalesnį vaizdą viename eksperimente. Tačiau proteomikos metodika tobulėja. Kitose rūšyse, pavyzdžiui, mielėse, per kiek daugiau nei valandą galima nustatyti daugiau nei 4000 baltymų. [6]

Kartais mokslininkas jau turi idėją, kas vyksta, hipotezę ir atlieka išraiškos profiliavimo eksperimentą, turėdamas mintį galimai paneigti šią hipotezę. Kitaip tariant, mokslininkas daro konkrečias prognozes apie išraiškos lygius, kurie gali pasirodyti klaidingi.

Dažniau ekspresijos profiliavimas vyksta anksčiau nei pakankamai žinoma apie tai, kaip genai sąveikauja su eksperimentinėmis sąlygomis, kad egzistuotų patikrinama hipotezė. Neturint hipotezės, nėra ko paneigti, tačiau išraiškos profiliavimas gali padėti nustatyti kandidato hipotezę būsimiems eksperimentams. Dauguma ankstyvųjų išraiškos profiliavimo eksperimentų ir daugelis dabartinių turi tokią formą [7], kuri yra žinoma kaip klasės atradimas. Populiarus požiūris į klasių atradimą apima panašių genų ar mėginių grupavimą kartu naudojant vieną iš daugelio esamų klasterizacijos metodų, tokių kaip tradicinis k-means arba hierarchinis klasterizavimas arba naujesnis MCL. [8] Be klasterizacijos algoritmo pasirinkimo, vartotojas paprastai turi pasirinkti tinkamą artumo matą (atstumą arba panašumą) tarp duomenų objektų. [9] Aukščiau pateiktame paveikslėlyje pavaizduota dvimačio klasterio išvestis, kurioje panašūs mėginiai (eilutės, aukščiau) ir panašūs genų zondai (stulpeliai) buvo išdėstyti taip, kad jie būtų arti vienas kito. Paprasčiausia klasės atradimo forma būtų išvardyti visus genus, kurie pasikeitė daugiau nei tam tikru dydžiu tarp dviejų eksperimentinių sąlygų.

Klasės prognozavimas yra sunkesnis nei klasės atradimas, tačiau tai leidžia atsakyti į tiesioginės klinikinės reikšmės klausimus, pavyzdžiui, kokia tikimybė, kad šis pacientas reaguos į šį vaistą, atsižvelgiant į šį profilį? Tam reikia daugybės profilių, kurie atsakė ir neatsakė, pavyzdžių, taip pat kryžminio patvirtinimo metodų, kad būtų galima juos atskirti.

Apskritai ekspresijos profiliavimo tyrimai praneša apie tuos genus, kurie pasikeitusiomis eksperimentinėmis sąlygomis parodė statistiškai reikšmingus skirtumus. Paprastai tai yra nedidelė genomo dalis dėl kelių priežasčių. Pirma, skirtingos ląstelės ir audiniai išreiškia genų pogrupį kaip tiesioginę ląstelių diferenciacijos pasekmę, todėl daugelis genų yra išjungiami. Antra, daugelis genų koduoja baltymus, kurių išgyvenimui reikia labai specifiniais kiekiais, todėl daugelis genų nesikeičia. Trečia, ląstelės naudoja daug kitų mechanizmų, skirtų reguliuoti baltymus, be mRNR kiekio keitimo, todėl šie genai gali išlikti nuosekliai išreikšti net tada, kai baltymų koncentracija didėja ir mažėja. Ketvirta, finansiniai suvaržymai riboja ekspresijos profiliavimo eksperimentus iki nedidelio skaičiaus to paties geno stebėjimų identiškomis sąlygomis, todėl sumažėja statistinė eksperimento galia, todėl eksperimento metu neįmanoma nustatyti svarbių, bet subtilių pokyčių. Galiausiai, norint aptarti kiekvieno reguliuojamo geno biologinę reikšmę, reikia įdėti daug pastangų, todėl mokslininkai dažnai diskutuoja apie pogrupį. Naujesni mikrogardelių analizės metodai automatizuoja tam tikrus biologinės reikšmės priskyrimo ekspresijos profiliavimo rezultatams aspektus, tačiau tai išlieka labai sudėtinga problema.

Palyginti trumpas genų sąrašų, paskelbtų iš ekspresijos profiliavimo eksperimentų, ilgis riboja, kiek skirtingose ​​laboratorijose atlikti eksperimentai sutampa. Įtraukus išraiškos profiliavimo rezultatus į viešai prieinamą „microarray“ duomenų bazę, mokslininkai gali įvertinti išraiškos modelius už paskelbtų rezultatų ribų, o galbūt nustatyti panašumą su savo darbu.

Tiek DNR mikrogardelės, tiek kiekybinė PGR išnaudoja pirmenybinį komplementarių nukleorūgščių sekų surišimą arba „bazių poravimą“, ir abu yra naudojami genų ekspresijos profiliavimui, dažnai serijiniu būdu. Nors didelio našumo DNR mikromatricoms trūksta kiekybinio qPCR tikslumo, kelių dešimčių genų genų ekspresijai išmatuoti naudojant qPCR užtrunka maždaug tiek pat laiko, kaip ir viso genomo matavimui naudojant DNR mikrogardelius. Taigi dažnai prasminga atlikti pusiau kiekybinius DNR mikromatricos analizės eksperimentus, kad būtų galima nustatyti kandidatų genus, tada atlikti kai kurių įdomiausių kandidatų genų qPCR, kad būtų patvirtinti mikromatricos rezultatai. Kiti eksperimentai, pvz., kai kurių skirtingai išreikštų genų baltymų produktų Western blot, daro išvadas, pagrįstas ekspresijos profiliu, įtikinamesnėmis, nes mRNR lygiai nebūtinai koreliuoja su išreikšto baltymo kiekiu.

Mikrogardelių duomenų analizė tapo intensyvių tyrimų sritimi. [10] Vien teiginys, kad genų grupė buvo reguliuojama bent dvigubai, kažkada tai buvo įprasta praktika, neturi tvirto statistinio pagrindo. Kai kiekvienoje grupėje yra penki ar mažiau pakartojimų, būdingi mikromasyvams, vienas išskirtinis stebėjimas gali sukurti akivaizdų skirtumą, didesnį nei du kartus. Be to, savavališkas dvigubos juostos nustatymas nėra biologiškai pagrįstas, nes pašalinama daugybė genų, turinčių akivaizdžią biologinę reikšmę.

Užuot identifikavus skirtingai išreikštus genus, naudojant kartos pokyčio ribą, galima naudoti įvairius statistinius testus arba omnibus testus, pvz., ANOVA, kuriuose atsižvelgiama ir į kartos pokytį, ir į kintamumą, kad būtų sukurta p reikšmė – įvertinimas, kaip dažnai stebėti duomenis vien atsitiktinai. P-reikšmių taikymą mikromasyvams apsunkina daugybė daugelio palyginimų (genų). Pavyzdžiui, paprastai manoma, kad p reikšmė 0,05 rodo reikšmingumą, nes ji įvertina 5 % tikimybę, kad duomenys bus pastebėti atsitiktinai. Tačiau kai mikromasyvoje yra 10 000 genų, 500 genų būtų identifikuojami kaip reikšmingi, kai p < 0,05, net jei tarp eksperimentinių grupių nebūtų skirtumų. Vienas iš akivaizdžių sprendimų yra laikyti reikšmingais tik tuos genus, kurie atitinka daug griežtesnį p vertės kriterijų, pvz., galima atlikti p-reikšmių Bonferroni pataisą arba naudoti klaidingą aptikimo greičio skaičiavimą, kad būtų koreguojamos p reikšmės proporcingai skaičiui. lygiagrečių bandymų. Deja, šie metodai gali sumažinti reikšmingų genų skaičių iki nulio, net jei genai iš tikrųjų yra skirtingai išreikšti. Dabartinė statistika, pvz., „Rank“ produktai, siekia rasti pusiausvyrą tarp klaidingo genų atradimo dėl atsitiktinės variacijos ir skirtingai išreikštų genų neatradimo. Dažniausiai cituojami metodai apima mikrogardelių reikšmingumo analizę (SAM) [11], o Bioconductor siūlo daugybę metodų ir įvairių bioinformatikos įmonių analizės paketų.

Pasirinkus kitą testą, paprastai nustatomas skirtingas reikšmingų genų sąrašas [12], nes kiekvienas testas veikia pagal tam tikras prielaidas ir skirtingai pabrėžia tam tikras duomenų ypatybes. Daugelis bandymų prasideda nuo normalaus duomenų pasiskirstymo prielaidos, nes tai atrodo kaip protingas atskaitos taškas ir dažnai gaunami rezultatai, kurie atrodo reikšmingesni. Kai kuriuose bandymuose atsižvelgiama į bendrą visų genų stebėjimų pasiskirstymą, kad būtų galima įvertinti bendrą matavimų kintamumą [13], o kiti žiūri į kiekvieną geną atskirai. Daugelis šiuolaikinių mikromasyvų analizės metodų apima įkrovos (statistikos), mašininio mokymosi arba Monte Karlo metodus. [14]

Didėjant kartotinių matavimų skaičiui mikromatricos eksperimente, įvairūs statistiniai metodai duoda vis panašesnius rezultatus, tačiau dėl skirtingų statistinių metodų suderinamumo masyvo rezultatai atrodo mažiau patikimi. MAQC projekte [15] pateikiamos rekomendacijos, padedančios mokslininkams pasirinkti standartiškesnius metodus (pvz., naudojant p-reikšmę ir kartotinį pokytį kartu pasirenkant skirtingai išreikštus genus), kad skirtingose ​​laboratorijose atlikti eksperimentai būtų geriau suderinti.

Skirtingai nuo skirtingai išreikštų atskirų genų analizės, kitos rūšies analizė yra skirta diferencinei ekspresijai arba iš anksto nustatytų genų rinkinių trikdymui ir vadinama genų rinkinių analize. [16] [17] Genų rinkinio analizė parodė keletą pagrindinių pranašumų, palyginti su atskirų genų diferencinės ekspresijos analize. [16] [17] Genų rinkiniai yra genų grupės, kurios pagal dabartines žinias yra funkciškai susijusios. Todėl genų rinkinio analizė laikoma žiniomis pagrįstu analizės metodu.[16] Dažniausiai naudojami genų rinkiniai apima tuos, kurie gaunami iš KEGG kelių, genų ontologijos terminų, genų grupių, turinčių kitas funkcines anotacijas, pvz., bendruosius transkripcijos reguliatorius ir kt. Tipiški genų rinkinio analizės metodai apima genų rinkinio praturtinimo analizę (GSEA), [16] ], kuris įvertina genų rinkinių reikšmę, remiantis mėginių etikečių permutacija, ir Generally Applicable Gene-set Enrichment (GAGE), [17], kuris tikrina genų rinkinių reikšmę, pagrįstą genų etikečių permutacija arba parametriniu pasiskirstymu.

Nors statistika gali nustatyti, kurie genų produktai keičiasi eksperimentinėmis sąlygomis, biologinė išraiškos profiliavimo prasmė priklauso nuo žinojimo, kurį baltymą gamina kiekvienas geno produktas ir kokią funkciją šis baltymas atlieka. Genų anotacija suteikia funkcinę ir kitą informaciją, pavyzdžiui, kiekvieno geno vietą konkrečioje chromosomoje. Kai kurios funkcinės anotacijos yra patikimesnės nei kitos, kai kurių jų nėra. Genų anotacijų duomenų bazės reguliariai keičiasi, o įvairios duomenų bazės nurodo tą patį baltymą skirtingais pavadinimais, atspindinčius kintantį baltymų funkcijos supratimą. Standartizuotos genų nomenklatūros naudojimas padeda išspręsti problemos pavadinimo aspektą, tačiau tikslus transkriptų atitikimas genams [18] [19] išlieka svarbus veiksnys.

Nustačius tam tikrą reguliuojamų genų rinkinį, kitas ekspresijos profiliavimo žingsnis apima modelių paiešką reguliuojamame rinkinyje. Ar iš šių genų pagaminti baltymai atlieka panašias funkcijas? Ar jie chemiškai panašūs? Ar jie gyvena panašiose ląstelės dalyse? Genų ontologijos analizė suteikia standartinį būdą šiems ryšiams apibrėžti. Genų ontologijos prasideda labai plačiomis kategorijomis, pvz., „medžiagų apykaitos procesas“ ir suskirstomos į mažesnes kategorijas, pvz., „angliavandenių apykaitos procesas“ ir galiausiai į gana griežtas kategorijas, tokias kaip „inozitolis ir darinys fosforilinimas“.

Genai, be biologinės funkcijos, cheminių savybių ir ląstelės vietos, turi ir kitų savybių. Galima sudaryti genų rinkinius, pagrįstus artumu kitiems genams, ryšiui su liga ir ryšiais su vaistais ar toksinais. Molekulinių parašų duomenų bazė [20] ir lyginamoji toksikogenomikos duomenų bazė [21] yra išteklių pavyzdžiai, leidžiantys įvairiais būdais skirstyti genus į kategorijas.

Reguliuojami genai skirstomi į kategorijas pagal tai, kas jie yra ir ką jie daro, gali atsirasti svarbūs genų ryšiai. [23] Pavyzdžiui, galime pamatyti įrodymų, kad tam tikras genas sukuria baltymą, kad sukurtų fermentą, kuris aktyvuoja baltymą, kad įjungtų antrą geną mūsų sąraše. Šis antrasis genas gali būti transkripcijos faktorius, reguliuojantis dar vieną geną iš mūsų sąrašo. Stebėdami šiuos ryšius galime pradėti įtarti, kad jie atspindi daug daugiau nei atsitiktinės rezultato asociacijos ir kad jie visi yra mūsų sąraše dėl pagrindinio biologinio proceso. Kita vertus, gali būti, kad atsitiktinai pasirinkus genus, būtų galima rasti daug, kurie, atrodo, turi kažką bendro. Šia prasme mums reikia griežtų statistinių procedūrų, kad patikrintume, ar kylančios biologinės temos yra reikšmingos, ar ne. Čia atsiranda genų rinkinio analizė [16] [17].

Priežasties ir pasekmės ryšiai Redaguoti

Gana paprasta statistika leidžia įvertinti, ar sąrašuose esančių genų asociacijos yra didesnės, nei būtų galima tikėtis atsitiktinai. Ši statistika yra įdomi, net jei ji labai supaprastina to, kas iš tikrųjų vyksta. Štai pavyzdys. Tarkime, kad eksperimente yra 10 000 genų, iš kurių tik 50 (0,5 %) vaidina žinomą vaidmenį gaminant cholesterolį. Eksperimentas identifikuoja 200 reguliuojamų genų. Iš jų 40 (20 %) taip pat yra cholesterolio genų sąraše. Remiantis bendru cholesterolio genų paplitimu (0,5 %), tikimasi, kad kiekvienam 200 reguliuojamų genų bus vidutiniškai 1 cholesterolio genas, tai yra 0,005 karto 200. Šis lūkestis yra vidurkis, todėl tikimasi pamatyti daugiau nei vieną Laikas. Kyla klausimas, kaip dažnai dėl atsitiktinumo pamatytume 40 vietoj 1.

Remiantis hipergeometriniu pasiskirstymu, galima būtų pabandyti maždaug 10^57 kartus (10 po to seka 56 nuliai), prieš išrenkant 39 ar daugiau cholesterolio genų iš 10 000, atsitiktinai nubrėžus 200 genų. Nesvarbu, ar kreipiame daug dėmesio į tai, kokia be galo maža tikimybė tai pastebėti atsitiktinai, galima daryti išvadą, kad reguliuojamas genų sąrašas yra praturtintas [24] genais, turinčiais žinomą cholesterolio asociaciją.

Dar galima daryti prielaidą, kad eksperimentinis gydymas reguliuoja cholesterolio kiekį, nes atrodo, kad gydymas selektyviai reguliuoja su cholesteroliu susijusius genus. Nors tai gali būti tiesa, yra keletas priežasčių, kodėl tvirtos išvados, pagrįstos vien praturtėjimu, padarymas yra nepagrįstas tikėjimo šuolis. Viena anksčiau paminėta problema yra susijusi su pastebėjimu, kad genų reguliavimas gali neturėti tiesioginės įtakos baltymų reguliavimui: net jei šių genų užkoduoti baltymai nedaro nieko kito, kaip tik gamina cholesterolį, rodymas, kad jų mRNR yra pakitusi, mums tiesiogiai nepasako vyksta baltymų lygiu. Visiškai įmanoma, kad šių su cholesteroliu susijusių baltymų kiekis eksperimentinėmis sąlygomis išlieka pastovus. Antra, net jei baltymų lygis keičiasi, galbūt jų visada yra pakankamai, kad cholesterolis susidarytų kuo greičiau, ty kitas baltymas, kurio nėra mūsų sąraše, yra greitį lemiantis žingsnis gaminant. cholesterolio. Galiausiai, baltymai paprastai atlieka daug vaidmenų, todėl šie genai gali būti reguliuojami ne dėl bendro ryšio su cholesterolio gamyba, bet dėl ​​bendro vaidmens visiškai nepriklausomame procese.

Turint omenyje pirmiau minėtus įspėjimus, nors patys genų profiliai neįrodo priežastinio ryšio tarp gydymo ir biologinio poveikio, jie suteikia unikalių biologinių įžvalgų, kurias dažnai būtų labai sunku pasiekti kitais būdais.

Modelių naudojimas reguliuojamiems genams rasti Redaguoti

Kaip aprašyta aukščiau, pirmiausia galima nustatyti reikšmingai reguliuojamus genus, o tada rasti modelius, palyginus reikšmingų genų sąrašą su genų rinkiniais, kurie, kaip žinoma, turi tam tikrų asociacijų. Taip pat galima išspręsti problemą atvirkštine tvarka. Štai labai paprastas pavyzdys. Tarkime, kad yra 40 genų, susijusių su žinomu procesu, pavyzdžiui, polinkiu sirgti diabetu. Žvelgiant į dvi raiškos profilių grupes, vieną pelėms, maitinamoms daug angliavandenių turinčia dieta, o kitą pelėms, maitinamoms mažai angliavandenių turinčia dieta, galima pastebėti, kad visi 40 diabeto genų yra išreikšti aukštesniu lygiu daug angliavandenių turinčioje grupėje nei mažai angliavandenių turinčioje grupėje. Nepriklausomai nuo to, ar kuris nors iš šių genų būtų patekęs į reikšmingai pakitusių genų sąrašą, stebint visus 40 aukštyn ir nė vieno žemyn, mažai tikėtina, kad tai yra atsitiktinumo rezultatas: prognozuojama, kad 40 galvų iš eilės apverčiama maždaug vieną kartą. per trilijoną bandymų naudojant sąžiningą monetą.

Ląstelių tipui genų grupė, kurios kombinuotas ekspresijos modelis yra išskirtinai būdingas tam tikrai būklei, sudaro šios būklės geno parašą. Idealiu atveju geno parašas gali būti naudojamas norint tiksliai parinkti pacientų grupę, sergančią tam tikra ligos būsena, kad būtų lengviau pasirinkti gydymo būdus. [25] [26] Genų rinkinio praturtinimo analizė (GSEA) [16] ir panašūs metodai [17] naudojasi šios rūšies logika, tačiau naudoja sudėtingesnę statistiką, nes komponentų genai realiuose procesuose elgiasi sudėtingiau nei tiesiog judant aukštyn ar žemyn kaip grupė, o genų judėjimas aukštyn ir žemyn yra reikšmingas, o ne tik kryptis. Bet kokiu atveju ši statistika matuoja, kaip skiriasi kai kurių mažų genų rinkinių elgesys, palyginti su genais, kurie nėra toje mažoje grupėje.

GSEA naudoja Kolmogorovo Smirnov stiliaus statistiką, kad sužinotų, ar kokie nors anksčiau apibrėžti genų rinkiniai pasižymėjo neįprastu elgesiu dabartiniame ekspresijos profilyje. Dėl to kyla daugybės hipotezių tikrinimo iššūkis, tačiau yra pagrįstų metodų, kaip jį išspręsti. [27]

Ekspresijos profiliavimas suteikia naujos informacijos apie tai, ką genai veikia įvairiomis sąlygomis. Apskritai „microarray“ technologija sukuria patikimus išraiškos profilius. [28] Iš šios informacijos galima sukurti naujas hipotezes apie biologiją arba patikrinti esamas. Tačiau dėl šių eksperimentų dydžio ir sudėtingumo dažnai atsiranda įvairių interpretacijų. Daugeliu atvejų išraiškos profiliavimo rezultatų analizavimas reikalauja daug daugiau pastangų nei pradinių eksperimentų atlikimas.

Dauguma tyrėjų naudoja kelis statistinius metodus ir tiriamąją duomenų analizę prieš paskelbdami savo išraiškos profiliavimo rezultatus, derindami savo pastangas su bioinformatiku ar kitu DNR mikromatricų ekspertu. Geras eksperimentinis planas, tinkama biologinė replikacija ir tolesni eksperimentai vaidina pagrindinį vaidmenį sėkminguose ekspresijos profiliavimo eksperimentuose.


Frederickas Griffithas ir transformuojantis agentas

Šiuolaikinės biologijos pradžioje nebuvo žinoma, kad genetinės medžiagos šaltinis yra DNR. Tiesą sakant, daugelis mokslininkų manė, kad DNR yra per paprasta atlikti šį darbą. Mokslininkai manė, kad baltymai su 20 skirtingų aminorūgščių yra genetinės informacijos nešėjai. Bandydamas sukurti vakciną nuo bakterijų sukeltos pneumonijos, Frederickas Griffithas pirmasis 1928 m. atsitiktinai aprašė genetinės transformacijos procesą. Griffithas paėmė virulentišką bakterijų padermę (lygios išvaizdos), kuri sukėlė pneumoniją, ir suleido jas pelėms. . Tai sukeltų pelių mirtį. Jis taip pat pastebėjo, kad šiurkščių bakterijų injekcija nesukelia jokios ligos. Karščiu nužudęs lygiąsias bakterijas, jis atrado, kad ligai progresuoti reikalingos gyvos virulentiškos padermės bakterijos. Galiausiai jis pastebėjo, kad sušvirkštus karščiu nužudytas virulentines bakterijas su gyvomis nevirulentinės padermės bakterijomis, pelėms išsivystė pneumonija ir mirtis. Iš šio eksperimento a transformuojantis agentas Nustatyta, kad gebėjimas perduoti bruožą yra tų negyvų ląstelių turinyje. Tačiau niekas tuo metu nežinojo, kad šis agentas yra DNR.


Šią svetainę tvarko Jeremy Seto. Dėl pataisymų ar komentarų susisiekite su jseto [at] citytech.cuny.edu. Jeremy Seto reklamjuostės dizainas iš originalių ir viešųjų vaizdų. Tinkinti šios svetainės vaizdai rasti adresu https://github.com/jeremyseto/bio-oer.


Biologija OER

  • Biologija (taip pat galima įsigyti popieriuje)
    • Leidėjas: „OpenStax“ (2018 m.)
    • ISBN-10: 1947172514
    • ISBN-13: 978-1947172517

    Savaitė Paskaitos Tema su nuoroda į Openstax puslapius Openlab priedas
    1. PAGRINDAI
    Įvadas į kursą
    Gyvenimo apibrėžimas, charakteristikos ir hierarchija
    Ekologijos sritis: buveinė, populiacija, bendruomenė, ekosistema
    Mokslinis metodas
    Evoliucija ir klasifikacija
    Sistematika, taksonomija, filogenija
    Biologijos pagrindai
    2. GYVENIMO KILMĖ IR EVOLIUCIJA
    Darvinas ir evoliucija
    Gyvybės kilmė
    Geologinė laiko skalė
    Korinio ryšio istorija
    Karalystės ir domenai
    Evoliucija ir geologinis laikas
    II 3. NEORGANINĖ chemija I
    Medžiagų apibrėžimas, klasifikavimas ir savybės
    Atominė struktūra
    Periodinė lentelė
    Izotopai
    Elektronai ir energija
    Energija
    Cheminės reakcijos: eksergoninės ir endergoninės
    Aktyvinimo energija
    Oksidacija ir redukcija
    Chemija
    4. NEORGANINĖ chemija II
    Elementai, junginiai, molekulės ir mišiniai
    Ryšiai: silpni ir stiprūs
    III 5. VANDUO ir pH
    H svarba ir savybės2O
    Rūgštys, bazės, pH, buferiai
    Vanduo
    6. ORGANINĖ CHEMIJA
    Anglies svarba
    Organiniai ir neorganiniai junginiai
    Angliavandeniliai
    Funkcinės grupės
    Izomerai
    Organinė chemija
    IV 7. Egzaminas I (1-6 paskaitos imtinai)
    Savaitė Paskaitos Tema su nuoroda į Openstax puslapius Openlab priedas
    8. MAKROMOLEKULĖS
    Monomerai ir polimerai
    Dehidratacijos sintezė ir hidrolizė
    Angliavandeniai
    Lipidai
    Makromolekulės I
    V 9. MAKROMOLEKULĖS II
    Baltymai
    Nukleino rūgštys
    ATP
    Fermentai ir medžiagų apykaitos keliai
    Makromolekulės II
    10. LĄSTELĖS

    Ląstelių teorija
    Ląstelių tyrimo metodai
    Korinio ryšio dydžio apribojimai
    Ląstelių sudėtis
    Prokariotinės ir eukariotinės ląstelės
    Ląstelių evoliucija
    Anaerobinės ir aerobinės ląstelės Endosimbiozės Daugialąsčių virusai, bakterijos ir archejos

    Eukariotinės ląstelės struktūra ir funkcijos

    Ankstyvosios raidos stadijos
    Vystymosi procesai
    Žmogaus embriono ir vaisiaus vystymasis


    Padėkos

    Dėkojame daktarei Xue Zhang už pagalbą atliekant baltymų komplekso analizę.

    Finansavimas

    Šį darbą iš dalies parėmė NIH Intramural Research Program, NHLBI, tarptautinio nepilnamečių diabeto tyrimų fondo (subsidijos 1-2008-1026, 5-2012-220, 17-2012-621, 2-SRA-2015-109-). QR į MJH) Amerikos diabeto asociacija (suteikimas 7-12-BS-075 MJH) Nacionaliniai sveikatos institutai (suteikia R01AI078713 MJH, DP3DK098161 MJH/CJG, R01DK080100 XW ir Nacionalinis mokslo tobulinimo centras, Nacionalinis tarptautinis institutas sveikatos stipendijos 8UL1TR000055) ir Viskonsino vaikų ligoninės fondo.

    Duomenų ir medžiagų prieinamumas

    Autorių indėlis 02019 m

    SG, XW, MJH sukūrė tyrimą. SJ ir MJH parengė duomenis. SJ ir SG atliko statistinę analizę. NW, SG ir XW atliko ko-raiškos tinklo analizę, YC atliko kelio analizę, visi dalyvavo rengiant rankraštį. XW vadovavo rankraščio rašymui. Visi autoriai perskaitė ir patvirtino galutinį rankraštį.

    Konkuruojantys interesai

    Autoriai pareiškia, kad neturi konkuruojančių interesų.

    Sutikimas publikuoti

    Etikos patvirtinimas ir sutikimas dalyvauti

    Šiam tyrimui etikos patvirtinimo nereikėjo. Du tyrimus, kuriuose buvo gauti čia analizuoti duomenys, patvirtino Viskonsino vaikų ligoninės institucinė apžvalgos taryba (IRB 01�), o tiriamųjų arba jų tėvų / teisėtų globėjų buvo gautas raštiškas informuotas sutikimas.


    Geriausias būdas suprasti genetiką yra išspręsti su medžiaga susijusias problemas. Nuorodos į problemas, kurias tikimasi išspręsti, pateikiamos toliau esančioje mokymo programoje. Daug klausimų kyla iš praėjusių egzaminų. Pateikiami trumpi atsakymai, tačiau prieš žiūrėdami į atsakymus turėtumėte pabandyti išspręsti problemas. Jūsų atsakymus į praėjusios savaitės klausimus rinksime rugsėjo antradieniais. Jūsų atsakymų nevertinsime, bet pateiksime atsiliepimus apie juos. Taip pat galite rasti problemų Griffiths ir kt. naudinga. Atsakymai į šias problemas yra teksto gale arba Lavett (rezervuota bibliotekoje).

    Medžiaga, kuri platinama klasėje, taip pat bus prieinama šioje svetainėje.


    Žiūrėti video įrašą: 서울시간호직공무원 하이스코어 생물 심화 이론 유전자 발현의 조절 (Gruodis 2022).