Inligting

13.2: Post-transkripsionele beheer van geenuitdrukking - Biologie

13.2: Post-transkripsionele beheer van geenuitdrukking - Biologie



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.

Nie te lank gelede nie het ons gedink dat baie min van die eukariotiese genoom ooit getranskribeer is. Nou weet ons dat ander RNA's 'n rol speel in geenregulering en die afbraak van verbruikte sellulêre DNA of ongewenste vreemde DNA. Dit word hieronder in detail bespreek.

A. Ribosome

Die ribosskakelaars is 'n bakteriële transkripsiemeganisme vir die regulering van geenuitdrukking. Alhoewel hierdie meganisme nie spesifiek post-transkripsie is nie, word dit hier ingesluit omdat die aksie plaasvind na transkripsie-inisiasie en die voltooiing van 'n mRNA staak. Wanneer die mRNA vir 'n ensiem in die guaniensintese-weg getranskribeer word, vou dit in stam-&-lus strukture. Ensiemsintese sal voortduur so lank as wat die sel guanien moet maak. Maar as guanien in die sel ophoop, sal oortollige guanien stamluselemente naby die 5'-kant van die mRNA bind, wat veroorsaak dat die RNA-polimerase en die gedeeltelik voltooide mRNA van die DNA dissosieer, wat transkripsie voortydig beëindig. Die basis van guanien riboswitch regulering van uitdrukking van 'n guanien sintese pad ensiem word hieronder getoon.

Die vermoë om gevoude stamlusstrukture aan die 5'-punte van bakteriële mRNA's te vorm blyk die evolusie van translasiereguleringstrategieë moontlik te maak. Terwyl guanieninteraksie met die stamlusstruktuur van 'n opkomende 5'-mRNA sy eie transkripsie kan staak, kan soortgelyke klein metaboliet/mRNA- en selfs proteïen/mRNA-interaksies ook translasie reguleer (in hierdie geval voorkom). Soos ons binnekort sal sien, speel 5'-mRNA-gevoude strukture ook 'n rol in eukariotiese translasieregulering.

B. CRISPR/Cas: RNA-proteïenkompleks van 'n prokariotiese aanpasbare immuunstelsel

In hoër organismes, die Immuniteitstelsel is aanpasbaar. Dit onthou vorige blootstelling aan 'n patogeen, en kan dus 'n reaksie op 'n tweede blootstelling aan dieselfde patogeen opbou. Die ontdekking van 'naanpasbare immuunstelsel' in baie prokariote (bakterieë, argebakterieë) was dus iets van 'n verrassing.

CRISPR (Cgeglans Rgereeld ektussenspasiëring Short Palindromies Repeat) RNA's is afgelei van faagtranskripsies wat met CRISPR-geassosieerde (Cas) proteïene in wisselwerking getree het. Hulle maak die CRISPR/Cas stelsel wat blykbaar ontwikkel het om virale infeksie te beveg deur faag-DNA vir vernietiging te rig. Wanneer virale DNA in 'n sel kom tydens 'n faaginfeksie, kan dit 'n CRISPR/Cas-geenreeks in die bakteriese genoom genereer, met spasieerder DNA-volgordes wat herhalings van die CRISPR-gene skei. Hierdie oorblyfsels van 'n fage-infeksie is die geheue van hierdie blrokariotiese immuunstelsel. Wanneer 'n fage probeer om 'n voorheen blootgestelde sel te herinfekteer, word spasieer-RNA's en Cas-gene getranskribeer. Na Cas-mRNA-vertaling sal die Cas-proteïen en spasieer-RNA's die inkomende faag-DNS betrek en teiken vir vernietiging om infeksie te voorkom. Dus, die CRISPR/Cas-stelsels (daar is meer as een!) onthou vorige faagaanvalle, en stuur daardie geheue na nageslagselle oor. Die CRISPR/Cas9-stelsel in Streptococcus pyogenes is een van die eenvoudigste van hierdie immuunverdedigingstelsels (hieronder geïllustreer).

Die CRISPR/Cas-geenskikking bestaan ​​uit die volgende komponente:

  • Cas: Gene inheems aan gasheerselle
  • CRISPR: 24-48 bp herhalings inheems aan gasheerselle
  • Spasieer-DNA: DNA tussen CRISPR-herhalings: tipies faag-DNA van vorige faaginfeksie of plasmiedtransformasie
  • leier DNA: Bevat promotor vir CRISPR/spasieer RNA transkripsie
  • tracr-geen: Kodeer transkripsie-aktiveerder (tracr) RNA (nie alle stelsels nie)

Kom ons kyk na CRISPR/Cas in aksie.

1. Die CRISPR/Cas-immuunrespons

Oorweeg die werkingsmeganisme van hierdie prokariotiese immuunstelsel. Die aksie begin wanneer aansteeklike faag-DNS in die sel kom, soos hieronder geteken.

Kom ons som op wat hier gebeur het:

a) Inkomende faag-DNA is opgespoor na fage-infeksie.

b) Dan word die tracr en Cas gene getranskribeer saam met die CRISPR/spacer area. Cas mRNA's word vertaal om die Cas-proteïen te maak. Onthou, die spasieer-DNA's in die CRISPR-streek is die nalatenskap van 'n vorige faaginfeksie.

c) CRISPR/spasieer-RNA vorm waterstofbindings met 'n komplementêre gebied van die tracr-RNA aangesien die twee RNA's met Cas-proteïene assosieer.

d) Cas-proteïen-endonukelase hidroliseer spasieer-RNA vanaf CRISPR-RNA-volgordes. Die spasieer-RNA's bly geassosieer met die kompleks terwyl die werklike, onvolmaakte palindromiese CRISPR-volgorde (getoon in blou in die illustrasie hierbo) afval.

ekn die volgende stappe, faag-afgeleide spasieerder RNA's, nou genoem lei RNA's (of gRNA's) ‘gids’ volwasse Cas9/tracrRNA/spasieerder RNA komplekseer na nuwe inkomende faag-DNA as gevolg van 'n fagaanval. Die assosiasie van die kompleks met die inkomende faag-DNS en daaropvolgende gebeure word hieronder geïllustreer.

Weereens, kom ons som op:

a) Spasieerder (d.w.s. gRNA) in die kompleks teiken inkomende faag-DNS.

b) Kashelikase ontwikkel inkomende faag-DNS by komplementêre streke.

c) gRNA H-bindings aan inkomende faag-DNS.

d) Cas-endonukleases skep 'n dubbelstring-breuk (hidrolitiese splitsing) by spesifieke plekke in inkomende faag-DNS. Omdat presiese plek DNA-string splitsing gelei word deur RNA molekules, word CRISPR/Cas endonukleases geklassifiseer as tipe V beperking ensieme.

e) Die inkomende faag-DNS word vernietig en 'n nuwe faaginfeksie word geaborteer.

Kyk hier om meer te wete te kom oor hoe bakterieë spasieer-DNA's verkry, en dus hoe hierdie primitiewe aanpasbare immuunstelsel 'onthou') in die eerste plek

2. Gebruik CRISPR/Cas om gene te redigeer/ingenieur

Vroeë studies het die reproduseerbare splitsing van inkomende faag-DNS by spesifieke nukleotiede getoon. Verskeie laboratoriums het vinnig besef dat dit moontlik is om die stelsel aan te pas om DNS by feitlik enige spesifieke nukleotied in 'n teiken DNS te sny! Dit het geblyk dat die stelsel beide in vivo en in vitro werk, wat feitlik onbeperkte potensiaal toelaat vir die redigering van gene en RNA's in 'n proefbuis ... of in enige sel. Hier is die basiese proses:

a) Ingenieur gDNA met 'n Cas-spesifieke DNS-volgorde wat 'n gewenste teiken in genomiese DNS teiken.

b) Versmelt die gDNA om DNA op te spoor om 'n enkelgids-DNA (sgDNA) te maak sodat dit as 'n enkelgidstranskripsie (sgRNA) gemaak kan word.

c) Konstrueer 'n CRISPR/Cas9-geen-skikking wat hierdie sgDNA vir sy oorspronklike spasieer-DNS vervang.

d) Plaas gemanipuleerde skikking in 'n plasmied langs gereguleerde promotors.

e) Transformeer selle deur 'elektroporasie' (werk vir byna enige seltipe!)

f) Aktiveer die promotor om die CRISPR/Cas9-gene te transkribeer...

Die toepassings is kragtig ... en omstrede!

3. Die Mag en die kontroversie

Die toepassing van geenredigering met CRISPR/Cas-stelsels het reeds studies van geenfunksie in vitro, in selle en in heel organismes vergemaklik. Klik hier vir 'n beskrywing van CRISPR/Cas-toepassings wat reeds op die mark is! Die doeltreffendheid van spesifieke geenredigering met behulp van CRISPR/Cas-stelsels hou groot belofte in vir die begrip van basiese geenstruktuur en -funksie, vir die bepaling van die genetiese basis van siekte, en om die soektog na geenterapieë te versnel. Hier is net 'n paar voorbeelde van hoe CRISPR/Cas-benaderings toegepas word.

  • 'n Mens kan 'n sgRNA ontwerp met gewenste mutasies wat spesifieke plekke in chromosomale DNA teiken. Kloon dan sgRNA in die CRISPR/Cas9-skikking op 'n plasmied. Na transformasie van toepaslike selle vorm die gemanipuleerde CRISPR/Cas9 'n kompleks met teiken-DNS-volgordes. Nadat beide stringe van die teiken-DNS geknip is, kan DNA-herstel die gemuteerde gidsreekse in die teiken-DNS invoeg. Die gevolg is verlies of verkryging van DNA-volgordes by spesifieke, presiese werwe, of Presisie gene redigering. Dit is die vermoë om dit in lewende selle te doen wat die basiese en kliniese navorsingsgemeenskappe opgewonde gemaak het.
  • Voor die transformasie van selle, ingenieur die CRISPR/Cas9 geen-skikking op die plasmied om beide uit te skakel endonuklease aktiwiteite vanaf die Cas-proteïen. By transkripsie van die skikking in getransformeerde selle, die CRISPR/Cas9-sgRNA vind steeds 'n sgRNA-geteikende geen. Met 'n gebrek aan CAS-proteïen-endonuklease-aktiwiteite, sit die kompleks wat vorm net daar blokkeer transkripsie. Hierdie tegniek word soms na verwys as CRISPRI (CRIPER inmenging), na analogie van RNAi. Toegepas op organismes (en nie net in vitro of op selle nie), boots dit die veel moeiliker na uit slaan mutasie-eksperimente wat gebruik is in studies van gedrag van selle of organismes wat nie in staat is om 'n spesifieke proteïen uit te druk nie.
  • Daar is nou verskeie werkende CRISPR/Cas-stelsels wat daartoe in staat is Presisie gene redigering. Hulle is opwindend vir hul spoed, akkuraatheid, hul vooruitsigte vir vinnige, geteikende geenterapieë om siektes te beveg, en hul moontlikhede om hele bevolkings te verander (sogenaamde Gene Drive). Deur gemodifiseerde gene in die kiemlynselle van teikenorganismes in te voeg, kan geenaandrywing hele malariamuskietpopulasies skadeloos maak, om plaagdoderweerstand in bv. insekte, skakel onkruiddoderweerstand by ongewenste plante uit, of skakel indringerspesies geneties uit. Vir meer inligting, klik Gene drive; vir 'n maklike lees oor hierdie proses en die kontroversies rondom toepassings van CRISPR-tegnologieë op veral muskiete, kyk na J. Adler, (2016) 'n Wêreld Sonder Muskiete. Smithsonian, 47(3) 36-42, 84.
  • Dit is selfs moontlik om 'n hele chromosoom uit selle te verwyder. Hierdie bietjie globale genetiese ingenieurswese maak staat op die identifisering van veelvuldige unieke volgordes op 'n enkele chromosoom en dan hierdie terreine te rig op CRISPR/Cas. Wanneer die stelsel geaktiveer word, word die chromosoom op daardie plekke gesny, wat dit buite die kapasiteit van DNA-herstelmeganismes fragmenteer om die situasie reg te stel. Klik hier om meer te wete te kom.

Al was dit om geen ander rede as die doeltreffendheid en eenvoud daarvan nie, het presisiegeenredigering met CRISPR/Cas-tegnieke etiese kwessies laat ontstaan. Dit is duidelik dat die potensiaal bestaan ​​vir misbruik, of selfs vir gebruik sonder enige voordelige doel. Dit is betekenisvol dat, soos in alle besprekings van biologiese etiek, wetenskaplikes baie betrokke is by die gesprek. Ten spyte van die kontroversie, sal ons ongetwyfeld voortgaan om gene met CRISPR/Cas te redigeer, en ons kan soek na 'n nabye toekoms Nobelprys vir die ontdekking en toepassing daarvan! As jy nog steeds bekommernisse het, sal RNA-redigering dalk die antwoord wees. Kyk na die skakel by Waarom RNA redigeer? vir 'n oorsig van die moontlikhede!

Laastens, "muise en mans" (en vroue en babas ook) het teenliggaampies teen Cas9-proteïene, wat vooraf blootstelling aan mikrobiese CRISPR/Cas9-antigene voorstel. Hierdie waarneming kan kliniese toepassings van die tegnologie beperk! Sien onsekere toekoms van CRISPR-Cas9-tegnologie.

C. Die klein RNA's: miRNA en siRNA in eukariote

Mikro-RNA's (miRNA's) en klein interfererende RNA's (siRNA's) word gevind in C. elegans, 'n klein aalwurm (rondewurm) wat vinnig 'n model geword het vir studies van sel- en molekulêre biologie en ontwikkeling. Die besondere besienswaardighede C. elegans is dat (a) sy genoom ~21 700 gene het, vergelykbaar met die ~25 000 gene in 'n menslike genoom!; (b) dit die produkte van hierdie gene gebruik om 'n volwasse wurm te produseer wat bestaan ​​uit net 1031 selle wat georganiseer is in al die belangrikste organe wat in hoër organismes voorkom; (c) Dit is moontlik om die embrioniese oorsprong van elke enkele sel in sy liggaam na te spoor! C. elegans word hieronder geïllustreer.

1. Klein interfererende RNA (siRNA)

siRNA is die eerste keer gevind in plante sowel as in C. elegans. SiRNA's (en miRNA's) is egter algemeen in baie hoër organismes. siRNAs is so genoem omdat hulle inmeng met die funksie van ander RNA's vreemd aan die sel of organisme. Hul optrede is gedoop RNA-inmenging (RNAi). Vir hul ontdekking van siRNA's het A. Z. Fire en C. C. Mello die 2006 Nobelprys in Fisiologie of Geneeskunde gedeel. Die werking van siRNA wat vreemde DNA teiken, word hieronder geïllustreer.

Wanneer selle vreemde dubbelstring-RNA's (bv. sommige virale RNA-genome) as uitheems herken, word die DICER a nuklease genoem hidroliseer hulle. Die gevolglike kort dubbelstrengige hidrolise produkte (die siRNAs) kombineer met RNAi ekgeïnduseer Sverswakking Complex, of RISC proteïene. Die antisense siRNA-string in die gevolglike siRNA-RISC kompleks bind aan komplementêre streke van vreemde RNA's, wat hulle teiken vir afbraak. Sellulêre gebruik van RISC om geenuitdrukking op hierdie manier te beheer, kan moontlik afgelei wees van die gebruik van RISC-proteïene deur miRNA's as deel van 'n sellulêre verdedigingsmeganisme, wat vervolgens bespreek word.

Pasgemaakte siRNA's is gebruik om uitdrukking van spesifieke gene te deaktiveer om hul funksie te bestudeer in vivo en in vitro. Beide siRNA's en miRNA's word ondersoek as moontlike terapeutiese hulpmiddels om in te meng met RNA's waarvan die uitdrukking tot kanker of ander siektes lei.

Vir 'n voorbeeld, kyk na 'n Youtube-video van onverwagte resultate van 'n RNAi-eksperiment by hierdie skakel. In die eksperiment wat beskryf is, is RNAi gebruik om embrioniese uitdrukking van die ortodentikel (odt) geen wat normaalweg benodig word vir die groei van horings in 'n miskruier. Die effek hiervan uitklopmutasie was, soos verwag, om horinggroei te voorkom. Wat egter onverwags was, was die ontwikkeling van 'n oog in die middel van die kewer se kop ('derde oog' in die mikrograaf).

Die 3de oog lyk nie net soos 'n oog nie, maar is 'n funksionele een. Dit is gedemonstreer deur die voorkoming van normale oogontwikkeling in odt-uitklop mutante. Die 3de oog het verskyn ..., en was reageer op lig! Hou in gedagte dat dit 'n kewer met 'n 3de oog was, nie Drosophila! Om Justin Kumar van die Universiteit van Indiana aan te haal, wat alhoewel nie by die navorsing betrokke was nie, gesê het dat "...lesse geleer uit Drosophila is dalk nie so algemeen van toepassing as wat ek of ander Drosofiliste wil glo nie ... Die vermoë om RNAi in nie-tradisionele modelstelsels te gebruik is 'n groot vooruitgang wat waarskynlik sal lei tot 'n meer gebalanseerde siening van ontwikkeling."

2. Mikro-RNA's (miRNA)

miRNAs teiken ongewenste endogeen sellulêre RNA's vir degradasie. Hulle word getranskribeer vanaf gene wat nou bekend is dat hulle wyd in eukariote versprei is. Die pad vanaf pre-miRNA-transkripsie deur verwerking en teiken-mRNA-afbraak word op die volgende bladsy geïllustreer.

Soos hulle getranskribeer word, vou pre-miRNA's in 'n stamlusstruktuur wat verlore gaan tydens sitoplasmiese verwerking. Soos SiRNA's, kombineer volwasse miRNA's met RISC-proteïene. Die RISC proteïen-miRNA-kompleks teiken ou of nie-meer-nodige mRNA's of mRNA's wat tydens transkripsie beskadig is.

'n Geskatte 250 miRNA's in mense kan voldoende wees om H-bind aan diverse teiken-RNA's; slegs teikens met sterk komplementariteit tot 'n RISC-proteïen-miRNA-kompleks sal afgebreek word.

D. Lang nie-koderende RNA's

Lang nie-koderende RNA's (lncRNA's) is nog 'n ander klas eukariotiese RNA's. Dit sluit transkripsies van antisense, introniese, intergeniese, pseudogene en retroposon-DNS in. Retroposons is een soort transposon, of mobiele DNA-element; pseudogene is herkenbare gene met mutasies wat hulle nie-funksioneel maak. Terwyl sommige lncRNA's dalk toevallige transkripsies is wat die sel eenvoudig vernietig, speel ander 'n rol in die regulering van geenuitdrukking.

'n Onlangs ontdekte lncRNA is XistAR wat saam met die Xist geenproduk nodig is om te vorm Barr liggame. Barr-liggame vorm in menslike vrouens wanneer een van die X-chromosome in somatiese selle geïnaktiveer word. Vir 'n oorsig van lncRNA's, sien Lee, J.T. (2012. Epigenetiese regulering deur lang nie-koderende RNA's; Science 338, 1435-1439).

'n Selfs meer onlangse artikel (by lncRNAs en smORFs) som die ontdekking op dat sommige lang nie-koderende RNA's kort oop leesrame bevat (smORF'e) wat eintlik in kort peptiede van 30+ aminosure vertaal word! Wie weet? Die menslike genoom kan inderdaad meer as 21 000-25 000 proteïenkoderende gene bevat!

E. Sirkelvormige RNA's (sirkel-RNA)

Alhoewel dit meer as 20 jaar gelede ontdek is, word sirkelvormige RNA's (circRNA's) in verskillende eukariotiese seltipes gemaak. Klik Circular RNAs (circRNA) om meer te wete te kom oor hierdie eienaardige resultaat van alternatief splitsing. Aanvanklik was circRNAs moeilik om te isoleer. Toe hulle geïsoleer is, het circRNA's "geskarrel" eksoniese rye bevat en is dus gedink dat dit nie-funksionele foute van mRNA-splyting was.

Trouens, circRNAs is redelik stabiel. Hul vlakke kan styg en daal in patrone wat daarop dui dat hulle funksionele molekules is. Vlakke van een circRNA, genoem kringRims1, styg spesifiek tydens neurale ontwikkeling. In muise versamel ander circRNAs tydens sinapsvorming, wat waarskynlik beïnvloed hoe hierdie neurone uiteindelik sal ontwikkel en funksioneer. Dit lyk dus nie of circRNA's 'molekulêre foute' is nie. In werklikheid, foute in hul eie sintese kan met siekte gekorreleer word! Spekulasie oor die funksies van circRNAs sluit ook rolle in geenregulering in, veral die gene of mRNAs waaruit hulle self afgelei is.

F. "Gemors DNA" in Perspektief

Nie lank gelede nie, het ons gedink dat minder as 5% van 'n eukariotiese genoom getranskribeer is (d.w.s. in mRNA, rRNA en tRNA), en dat baie van die nie-getranskribeerde genoom 'n strukturele funksie dien ... of geen funksie nie. Laasgenoemde, gemerk rommel-DNS, het nie-beskrywende intergeniese volgordes, pseudogene, 'dooie' transposons, lang stukke introniese DNS, ens ingesluit. Gemors-DNS was dus DNS waarsonder ons kon klaarkom. Daar is gedink dat gemors-DNA's toevallige ryers in ons genome was, wat rylopers op die evolusionêre pad opgetel het.

Terwyl miRNA-gene 'n klein deel van 'n eukariotiese genoom is, dui hul ontdekking en dié van meer volop lnc-RNA's 'n veel groter hoeveelheid funksionele DNA in die genoom voor. Is daar dalk in werklikheid nie iets soos "rommel-DNA" nie? Die debat oor hoeveel van ons genomiese DNA 'n oorblyfsel is van vorige evolusionêre eksperimente en sonder genetiese doel duur voort. Lees alles daaroor by Junk DNA - nie so nutteloos na alles nie en Slegs 8,2% van menslike DNA is funksioneel.

Miskien moet ons heroorweeg wat dit beteken vir DNS om "rommel" te wees of om sonder "genetiese doel" te wees. Instandhouding van meer as 90% van ons eie DNA met geen bekende genetiese doel, kom sekerlik teen 'n energiekoste. Terselfdertyd is al daardie DNS kors vir toekomstige seleksie, 'n bron van die diversiteit wat nodig is vir langtermyn-oorlewing. Dieselfde natuurlike seleksie wat 'ryloper' DNS-volgordes optel, soos ons gesien het, kan dit een of ander tyd aan die werk sit!

G. Die RNA-metieloom

Noem dit 'n RNA epi-transkriptoom as jy wil! Onthou dat metielgroepe die splitsing van ribosomale RNA's vanaf eukariotiese 45S pre-RNA transkripsies rig. tRNA's onder andere transkripsies, word ook post-transkripsie gemodifiseer. Bekend sedert die 1970's, is gedink dat sulke wysigings nie-funksioneel was nie. Maar is hulle?


Kyk die video: Post-transcriptional regulation. Biomolecules. MCAT. Khan Academy (September 2022).