Gēnu ekspresija — definīcija, mehānismi un regulācija

Gēnu izpausme ir process, kurā gēna iedzimtā informācija — DNS bāzu pāru secība — tiek pārvērsta funkcionālā gēna produktā, piemēram, olbaltumvielā vai RNS. Pamatideja ir tāda, ka DNS tiek pārrakstīta RNS, kas pēc tam tiek tulkota olbaltumvielās; tomēr mūsdienu izpratnē gēnu ekspresija ietver arī gadījumus, kad funkcionāls produkts ir nebīstama RNS molekula (piemēram, miRNA vai lncRNA), kā arī visus starpposmus — RNS apstrādi, transportu, stabilitāti un olbaltumvielu pēcapstrādi. Olbaltumvielas veido daudzas šūnas un organisma struktūras, kā arī veic katalītisku lomu kā enzīmi.

Gēnu ekspresijas process var tikt modulēts (regulēts) vairākos līmeņos. Tas ietver gan transkripciju un translāciju, gan RNS apstrādi (piem., alternatīvā splicinga), RNS stabilitāti, olbaltumvielu salocīšanos un pēcapstrādi. Gēnu regulācija ieslēdz un izslēdz gēnus un tādējādi kontrolē šūnu diferenciāciju un morfogēzi. Regulācijas izmaiņas var kalpot arī par pamatu evolūcijas pārmaiņām: gēnu ekspresijas laika, vietas un apjoma kontrole var būtiski ietekmēt organisma attīstību un fenotipu.

Gēnu ekspresija var ļoti atšķirties starp audu veidiem — to sauc par audu specifisku ekspresiju. Citā nozīmē pastāv arī pleiotropija: viens gēns var ietekmēt vairākus dažādus fenotipus vai orgānu sistēmas, jo tā ekspresija, funkcija vai produkts darbojas dažādās vietās vai laikos attīstībā.

Mehānismi un regulācijas līmeņi

Transkripcijas regulācija: transkripcijas faktori (aktivatori, represori) saistās ar promotoriem, enhanceriem vai silenceriem un nosaka, vai gēns tiks pārrakstīts. Promotora pieejamība un faktoru kombinācijas ir būtiskas.
Epigenētiskā regulācija: DNS metilēšana, histonu modificēšana (acetilēšana, metilēšana u. c.) un hromatīna pārbūve ietekmē gēna pieejamību transkripcijai bez bāzes secības izmaiņām.
Posttranskripcijas regulācija: RNS apstrāde (splicing, 5' cap, poli(A) astes pievienošana), RNS rediģēšana, miRNA un citas mazas RNS molekulas ietekmē mRNS stabilitāti un translācijas efektivitāti.
Translācijas regula: iniciācija, ribosomu izvēle un 5' UTR/uORF elementi var regulēt, cik efektīvi mRNS tiek tulkotas olbaltumvielās.
Pēctranslācijas modifikācijas un proteīnu stabilitāte: fosforilēšana, glicosilēšana, ubikvitinācijas un proteāzes sistēmas regulē olbaltumvielu aktivitāti un noārdīšanos.
Signālsistēmu un vides ietekme: hormoni, barības vielas, temperatūra, stress un šūnu signālsistēmas (piem., kināžu kaskādes) var ātri mainīt gēnu ekspresiju.

Bioloģiskā nozīme

Gēnu ekspresijas precīza kontrole ir būtiska embrionālajai attīstībai, šūnu specializācijai, audu homestāzei un adaptācijai uz apkārtējo vidi. Nepareiza regulācija var izraisīt slimības — piemēram, vēzi (ar patoloģisku onkogēnu un onkoproteīnu ekspresiju), iedzimtas vielmaiņas slimības un neirodeģeneratīvas saslimšanas. Evolūcijā izmaiņas ekspresijas režīmos (piem., enhancera mutācijas vai jauni regulācijas elementi) bieži rada fenotipiskas atšķirības starp sugām.

Kā gēnu ekspresiju mēra

RT‑qPCR: kvantitatīva mRNS noteikšana konkrētiem gēniem.
RNA‑seq: visas šūnas vai audu transkriptoma sekvencēšana, kas ļauj noteikt mRNS līmeni un alternatīvo splicinga variantus.
Microarrays: paralēla daudzu gēnu ekspresijas profilu salīdzināšana (mazāk izmantotas nekā RNA‑seq).
In situ hibridizācija un imūnhistoķīmija: gēnu transkripta vai proteīna atrašanās vietas noteikšana audu sekcijās.
Western blot un masas spektrometrija: olbaltumvielu klātbūtne, daudzums un modifikācijas analīze.
Reportera gēni: GFP vai citu marķieru izmantošana, lai vizualizētu gēna ekspresiju dzīvās šūnās vai organismos.

Kopumā gēnu ekspresijas izpēte apvieno molekulārās bioloģijas, ģenētikas un bioinformātikas metodes, ļaujot saprast, kā no ģenoma informācijas rodas funkcionālas šūnu un organisma īpašības.

Diagramma, kurā parādīts, kuros DNS, RNS un olbaltumvielu ceļa posmos var kontrolēt ekspresiju

Epigenētika

Bioloģijā epigenētika ir pētījums par iedzimtām fenotipa (izskata) vai gēnu ekspresijas izmaiņām, ko izraisa citi mehānismi, nevis izmaiņas pamatā esošajā DNS secībā.

Šīs izmaiņas var saglabāties šūnu dalīšanās procesā līdz cilvēka mūža beigām un var saglabāties arī vairākās paaudzēs. Tomēr organisma pamatā esošā DNS secība nemainās. Tā vietā ģenētiski faktori, kas nav ģenētiski, izraisa atšķirīgu organisma gēnu uzvedību (izpausmi).

Labākais piemērs eikarītu bioloģijā ir šūnu diferenciācijas process. Morfoģenēzes laikā totipotentās cilmes šūnas kļūst par dažādām embrija šūnu līnijām, kas savukārt kļūst par pilnībā diferencētām šūnām. Citiem vārdiem sakot, viena apaugļota olšūna - zigota - dalās un attīstās. Meitasuzņēmuma šūnas pārveidojas par nobrieduša embrija daudzajiem šūnu tipiem. Tās ir neironi, muskuļu šūnas, epitēlijs, asinsvadi utt. Tas notiek, aktivizējot dažus gēnus un inhibējot citus.

Epigenētiskās izmaiņas ir ilglaicīgas un parasti saglabājas arī pēc šūnu dalīšanās (mitozes). Izmaiņas notiek hromatīnā, kas ir hromosomā esošās DNS un to ieskaujošo histona olbaltumvielu kombinācija. Sīkāka informācija par to, kā tas notiek, vēl tiek noskaidrota, bet ir diezgan droši zināms, ka DNS un histonu apvalks ir galvenā iezīme.

Gēnu regulācija

Augšējā un zemākā regulācija

Paaugstināta regulācija palielina viena vai vairāku gēnu ekspresiju un līdz ar to arī šo gēnu kodēto olbaltumvielu ekspresiju. Samazināta regulācija ir process, kura rezultātā samazinās gēnu un olbaltumvielu ekspresija.

Indukcija pret represiju

Gēnu regulāciju var apkopot šādi:

Inducējamas sistēmas: inducējama sistēma ir izslēgta, ja vien nav kādas molekulas (ko sauc par induktoru), kas ļauj gēna ekspresiju.
Represīvās sistēmas: represīvā sistēma ir ieslēgta, izņemot gadījumus, kad ir kāda molekula (ko sauc par korespressoru), kas nomāc gēna aktivitāti. Par šo molekulu saka, ka tā nomāc ekspresiju.

Regulatīvās RNS

Ir vairākas RNS, kas regulē gēnus, proti, tās regulē gēnu transkripcijas vai translācijas ātrumu. Divi svarīgi piemēri ir šādi

miRNA

Mikro RNS (miRNS) darbojas, pievienojoties enzīmam un bloķējot mRNS (ziņneša RNS) vai paātrinot tās sadalīšanos. To sauc par RNR interferenci.

siRNA

Mazās interferējošās RNS (dažkārt tās sauc par klusējošām RNS) traucē konkrēta gēna ekspresiju. Tās ir diezgan mazas (20/25 nukleotīdi) divvirpienu molekulas. To atklāšana ir izraisījusi strauju pieaugumu biomedicīnas pētniecībā un zāļu izstrādē.

Eikariožu olbaltumvielas kodējoša gēna struktūra.

Saistītās lapas

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir gēnu izpausme?

A: Gēnu ekspresija ir process, kurā gēnā esošā iedzimtā informācija pārvēršas funkcionālā produktā, piemēram, olbaltumvielā vai RNS.

J: Kā notiek gēnu ekspresija?

A: Gēnu ekspresija notiek procesā, kurā DNS tiek pārrakstīta RNS, kas pēc tam tiek tulkota olbaltumvielās.

J: Ko olbaltumvielas dara šūnā vai organismā?

A: Olbaltumvielas veido daudzas šūnas vai organisma struktūras un visus enzīmus.

J: Kas ir gēnu regulācija?

A: Gēnu regulācija ir process, kurā gēni tiek izslēgti un ieslēgti, tādējādi kontrolējot šūnu diferenciāciju un morfogēzi.

J: Kā gēnu regulācija var kalpot par pamatu evolūcijas pārmaiņām?

A: Gēnu regulācija var kalpot par pamatu evolūcijas pārmaiņām, kontrolējot gēnu ekspresijas laiku, vietu un apjomu, tādējādi būtiski ietekmējot organisma attīstību.

J: Kas ir pleiotropisms?

A: Pleiotropisms ir parādība ģenētikā, kad gēna ekspresija dažādos audos var ievērojami atšķirties.

J: Kurus gēnu ekspresijas posmus var modulēt?

A: Gēnu ekspresijas laikā var modulēt gan transkripcijas, gan translācijas posmus, kā arī olbaltumvielas galīgo salikto stāvokli.