Genová exprese je mechanismus, který spojuje všechny proces vedoucí k funkční genového produktu.
Transkripce je proces pro získání vlákno RNA z DNA prvku. Tento mechanismus zahrnuje několik proteinů, které otevřou komplementární řetězce DNA. Jakmile je to provedeno, RNA polymeráza syntetizuje vlákno RNA komplementární k vláknu templátové DNA. Syntetizovaný řetězec RNA se může vytáhnout a nechat řetězce DNA se spojit prostřednictvím proteinů.
Získaný řetězec RNA však není zralý, pokud gen obsahuje kódující části, exony, ale také nekódující části, introny. Tyto introny nejsou nutné k získání funkčního produktu genu. Musí být proto staženy. Tento proces, nazývaný sestřih, štěpí RNA tak, aby odstranil introny a přilepil exony vedle sebe. Tímto způsobem obsahuje řetězec RNA pouze kódující části genu. K zrání řetězce RNA ještě zbývají dva kroky.
RNA je nejprve modifikována na svém 5 'konci, aby se přidal methylguanosinový uzávěr. Tento uzávěr má několik rolí, ale je třeba především poznamenat, že kromě toho, že brání působení ribonukleázy na něj, kromě usnadnění jeho exportu do cytoplazmy a náboru ribozomů.
Poté je modifikován na svém 3 'konci, kde je k němu přidán poly-A (adeninový) ocas, takže také může usnadnit export RNA mimo jádro.
Konečným produktem získaným po všech těchto operacích je messenger RNA nebo mRNA.
PřekladJakmile je messenger RNA zralá, je exportována mimo jádro za účelem náboru ribozomů a pokračování v translaci.
Ve skutečnosti existují 4 typy dusíkatých bází: A, T (nebo U v RNA), G a C. Nukleotidy se proto čtou ve skupinách po 3, v kodonech. Každý kodon kóduje aminokyselinu nebo umožňuje zahájit nebo zastavit translaci.
Jakmile se ribozom usadí na řetězci mRNA, projde ním, dokud nenajde první kodon AUG, který umožňuje zahájení translace. Ribozom poté přečte každý kodon, což povede k produkci aminokyseliny. To má za následek produkci aminokyselinového řetězce, jinými slovy proteinu. Překlad končí, když ribozom narazí na stop kodon.
Na konci tohoto procesu tedy získáme funkční produkt genu: protein.
Kaskády genůJak jsme právě zmínili, cílem translace je produkce funkčního konečného produktu genu. Tento produkt, protein, může být v některých případech transkripčním faktorem používaným k transkripci jiného genu. Tento gen, jakmile je transkribován, může také produkovat stejný druh produktu, aby mohl přepsat jiný gen atd., Dokud nepřepisuje gen, který bude produkovat finální protein s jiným účelem. Mluvíme v tomto případě kaskády genů.
Jak jsme již řekli, lokus genu se nemění z člověka na člověka. U stejné osoby však mohou existovat dvě různé verze stejného genu na stejném chromozomu, jinými slovy, odlišná verze na každém chromatidu. Říká se tomu alela . Alela je tedy jednou verzí genu a může jich být několik. Gen, který je dědičnou charakteristikou, nám tedy každý z rodičů mohl přenést různé alely pro stejný gen - heterozygotnost nebo stejnou alelu - homozygotnost.
Homozygotnost a heterozygosita dvě podmínky, které hrají významnou roli v genové expresi. Proč? Protože existuje to, čemu se říká fenomén alelické dominance.
Pokud je jedinec heterozygotní, a proto má dvě různé verze stejného genu a je exprimována pouze jedna z těchto alel, je tato alela považována za dominantní. Naopak o nevyjádřené alele se říká, že je recesivní. Dominantní alela tedy musí být přítomna pouze v jedné kopii, aby byla exprimována, zatímco jedinec musí být homozygotní pro recesivní alelu, aby mohla být exprimována.
Kromě pouhé dominance však existují i jiné koncepty.
U následujících konceptů křížíme dva homozygotní rodiče, respektive pro dominantní alelu produkující specifický fenotyp a druhou pro recesivní alelu produkující odlišný fenotyp.
Existuje tzv. Neúplná dominance. V této situaci heterozygotní generace získaná z tohoto křížení vykazuje přechodný fenotyp. Není to ani dominantní fenotyp, ani recesivní fenotyp, ale spíše fenotyp mezi nimi.
Existuje také to, čemu se říká společná dominance. V této situaci výsledná dceřinná generace vyjadřuje oba fenotypy, spíše než přechodný fenotyp. Zásadním příkladem je krevní skupina jednotlivce. V tomto případě existují 3 alely: A, B a o. Alely A a B jsou dominantní alely, protože v případě heterozygotů A / o nebo B / o je exprimována pouze alela A nebo B. U heterozygotů A / B však budou vyjádřeny obě alely, neexistuje dominance nad ostatními.
Během translace jsou nukleotidy čteny ve skupinách po třech, což umožňuje syntézu odpovídající aminokyseliny. Je však možné, že řetězec DNA templátu byl před transkripcí poškozen. Existují čtyři typy bodových mutací: přechod, transverze, inzerce a delece. Transverze a přechod spočívají v nahrazení jednoho nukleotidu jiným. Tento druh mutace nemusí nic změnit, například mít velký dopad na tělo. Vzhledem k tomu, že genetický kód je nadbytečný, existuje několik možných kombinací pro stejnou aminokyselinu. Mutace, ke které došlo, tedy může vést k syntéze stejné výchozí aminokyseliny. Na druhou stranu, jinak se syntetizovaná aminokyselina může lišit, a tím změnit produkovaný protein. To je například případ srpkovité anémie. Alfa řetězec hemoglobinu je normální, zatímco beta řetězec se mění v jedné poloze: aminokyselina valin je nahrazena glutaminem. Výsledkem je deformace červených krvinek, která má prodloužený srpkovitý tvar, což může vést k vážným cévním problémům.
Pokud jde o inzerce a delece, jedná se o mutace vedoucí k závažným změnám ve struktuře konečného proteinu, protože čtecí rámec je zcela posunut.
Alternativní sestřihBěhem zrání mRNA procházíme fází sestřihu. Během tohoto kroku, jakmile jsou introny odštěpeny, jsou exony slepeny dohromady, ale jejich pořadí může být změněno. To se pak označuje jako alternativní sestřih. Díky tomu může jediný gen umožnit syntézu několika různých proteinů.
Heterotopie je změna v místě exprese genu. Některé vývojové geny jsou skutečně exprimovány lokálně, což vede k vývoji různých struktur. Například v Drosophila najdeme na antero-zadní ose geny vedoucí k vývoji hlavy, nohou, hrudníku, křídel atd. a v tomto pořadí. Tímto způsobem můžeme změnou polohy určitých vývojových genů v Drosophile skončit například s nohama místo antén.
Heterotypie označuje výraz něčeho jiného. Nejlepším příkladem je stále srpkovitá anémie, kdy se produkuje další aminokyselina, která způsobuje deformaci buněk.
A konečně, heterochronie označuje změnu v načasování exprese genu. Gen by proto mohl být exprimován dříve, později, po delší nebo kratší dobu. Tento jev vede k přímým modifikacím fenotypů jedince. Můžeme vzít například případ člověka. Je to proto, že lidské tělo se vyvíjí rychleji než jeho reprodukční orgány, což je dokonalým příkladem peramorfózy, což je kategorie heterochronie.
Genová možnostKoncept možnosti genů je jedním z jevů, které jsou dokonalým příkladem pro geny v evoluci a vývoji. Tento koncept přináší myšlenku, že gen, který má funkci ve vývoji, se může vyvíjet a hrát ve vývoji novou roli. Například gen Distal-less umožňuje vytvoření orgánu letové rovnováhy za letu, křídel u netopýra, chapadel u chobotnice a paží u hvězdic. - volba je tedy fenomén, který má velký vliv na vývoj a konečný fenotyp jedince, ale mohl by být také jedním z mnoha vysvětlení vývoje druhů v čase.
Exprese genu nezávisí jednoduše na sekvenci nukleotidů mezi „start“ kodonem a „stop“ kodonem mRNA, kterou překládá.
Některé další sekvence, jako jsou promotory a enhancery (enhancery), jsou skutečně nezbytné pro správnou expresi genů.
Promotory jsou sekvence nukleotidů umístěných přibližně deset nebo sto nukleotidů před startovacím kodonem. Právě k této sekvenci se ribozom váže, aby zahájil překlad transkriptu. K překladu musí mít mRNA absolutně promotorovou oblast těsně před startovacím kodonem.
Zesilovač je sekvence nukleotidů, ke kterým jsou připojeny transkripční faktory. Na rozdíl od promotorů nemusí být nutně umístěny těsně před startovacím kodonem. Ve skutečnosti může být enhancer několik set tisíc bází před startovacím kodonem, nebo dokonce úplně jinde v sekvenci DNA, ale spojen pomocí 3D konformace.
Existují dva typy zesilovačů: aktivátory, když stimulují expresi genu, nebo represory (tlumič), když na něj působí negativně. Genetické analýzy ukázaly, že u lidí existuje mnohem více zesilovačů než genů. Jelikož je enhancer zodpovědný za aktivaci nebo potlačení aktivity genu, toto pozorování vyvolává otázku, jak fungují.
Je třeba poznamenat, že ačkoli se výzkum diskutovaný po tomto článku zabývá experimenty na zesilovačích spojených s vývojovými geny, každý gen má alespoň jeden zesilovač.
Nadbytečnost zesilovačůStudie vývoje končetin u myší odhadovala v průměru tři zesilovače na gen spojené s vývojem končetiny a osm zesilovačů na gen spojené s náborem transkripčních faktorů spojených se stejnou aktivitou. Studie určila, že určité enhancery odpovědné za nábor transkripčních faktorů spojených s vývojem končetin během embryonálního vývoje (inaktivace CRISPR) jsou neaktivní. Deaktivace zesilovačů jeden po druhém a pozorování vývoje končetin myší skutečně neměly abnormální vývoj. Byl tedy učiněn závěr, že deaktivace zesilovače nebrání normální expresi genu, a proto je jiný zesilovač schopen převzít stejnou roli.
Studie však zjistila, že vyřazením několika zesilovačů, jejichž aktivita umožňuje expresi stejného genu, je tentokrát ovlivněn vývoj končetin. Proto se zdá, že enhancery jsou do určité míry nadbytečné, protože odstranění jednoho nebrání vývoji, ale odstranění dvou může způsobit vývojové abnormality. V případě mutace ovlivňující zesilovač zajišťuje redundance funkci ovlivněného zesilovače.
Silné a slabé zesilovačeI přes nadbytečnou aktivitu zesilovačů ne každý pracuje se stejnou silou. Ve skutečnosti se mezi několika zesilovači, které mají stejný cíl, říká, že některé jsou silné a jiné slabé. Většinu času rozlišujeme kategorii zesilovačů podle vzdálenosti od promotoru: silný (také nazývaný primární), pokud jsou dva blízko u sebe, slabý (také nazývaný stín), pokud je vzdálenost větší. Studie provedená na myších embryích pomocí bakteriálních umělých chromozomů se snažila charakterizovat fungování těchto dvou kategorií. Ukázalo by se, že silní kouzelníci přicházejí do kontaktu s promotérem častěji, a tak často spolu soutěží. Takže se dvěma silnými enhancery je množství transkripčních faktorů, pro které je jejich aktivita běžná, menší, než když je jeden z nich deaktivován. Slabé zesilovače, obvykle umístěné trochu dále od promotoru, a proto s nimi méně často v kontaktu, působí aditivně; to znamená, že přítomnost několika slabých zesilovačů s nadbytečnou aktivitou zvyšuje koncentraci transkripčních faktorů s nimi spojených.
Síla zesilovače nezávisí pouze na jeho vzdálenosti od promotoru, ale také na jeho poloze v těle. Stejná studie skutečně zjistila, že síla zesilovače se může měnit v závislosti na množství transkripčního faktoru v jeho blízkosti. Stejný zesilovač tedy může být silný v přední poloze embrya a slabý v zadní poloze kvůli koncentraci určitého transkripčního faktoru. Například zesilovač genu „hrbáč“ (zodpovědný za segmentaci v Drosophila) je silný nebo slabý v závislosti na koncentraci bikoidního transkripčního faktoru.
Redundance a rozdíl v síle zesilovačů jsou nezbytné pro jejich fungování, když čelí stresu, a umožňují jim nadále vykonávat svou vývojovou funkci. Tým vědců skutečně čelil embryím Drosophila při extrémních teplotách a sledoval vývoj trichomů v larválním stádiu. Pozorování byla prováděna na normálních embryích nebo pomocí slabého zesilovače genu shavenbaby (odpovědného za výskyt trichomů na larvě ) deaktivovaného knock- outem a za podmínek ideální teploty pro růst nebo extrémy. Bylo zjištěno, že absence tohoto zesilovače nemá za optimálních podmínek žádný dopad. Když se však embryo vyvíjí za extrémních podmínek, je zapotřebí slabý zesilovač. Trichomy se tedy na larvě vyvíjejí normálně. Na druhou stranu při jeho nepřítomnosti dochází ke ztrátě trichomů, což je účinek, který lze zvrátit transgenní reimplantací tohoto zesilovače. Byl vyvozen závěr, že v situaci stresu, kdy silný zesilovač již nemůže správně plnit svůj úkol, je zeslabovač zesílen a umožňuje normální vývoj larvy Drosophila.