Definieren Sie den Begriff Regulation, da er für Gene gilt
Damit eine Zelle richtig funktioniert, müssen notwendige Proteine zum richtigen Zeitpunkt synthetisiert werden. Alle Zellen steuern oder regulieren die Synthese von Proteinen aus Informationen, die in ihrer DNA kodiert sind. Der Prozess des Einschaltens eines Gens zur Herstellung von RNA und Protein wird als Genexpression bezeichnet. Ob in einem einfachen einzelligen Organismus oder einem komplexen multizellulären Organismus, jede Zelle steuert, wann und wie ihre Gene exprimiert werden., Damit dies geschieht, muss es einen Mechanismus geben, um zu kontrollieren, wann ein Gen exprimiert wird, um RNA und Protein herzustellen, wie viel von dem Protein hergestellt wird und wann es Zeit ist, die Herstellung dieses Proteins einzustellen, da es nicht mehr benötigt wird.
Die Regulation der Genexpression schont Energie und Raum. Es würde eine erhebliche Menge an Energie erfordern, damit ein Organismus jedes Gen jederzeit exprimieren kann, so dass es energieeffizienter ist, die Gene nur dann einzuschalten, wenn sie benötigt werden., Darüber hinaus spart nur das Exprimieren einer Teilmenge von Genen in jeder Zelle Platz, da DNA aus ihrer eng gewickelten Struktur abgewickelt werden muss, um die DNA zu transkribieren und zu übersetzen. Zellen müssten enorm sein, wenn jedes Protein die ganze Zeit in jeder Zelle exprimiert würde.
Die Steuerung der Genexpression ist äußerst komplex. Fehlfunktionen in diesem Prozess sind schädlich für die Zelle und können zur Entwicklung vieler Krankheiten, einschließlich Krebs, führen.,
Lernziele
- Diskutieren Sie, warum jede Zelle nicht alle ihre Gene exprimiert
- Vergleichen Sie die prokaryotische und eukaryotische Genregulation
Die Expression von Genen
Damit eine Zelle ordnungsgemäß funktioniert, müssen die erforderlichen Proteine zum richtigen Zeitpunkt synthetisiert werden. Alle Zellen steuern oder regulieren die Synthese von Proteinen aus Informationen, die in ihrer DNA kodiert sind. Der Prozess des Einschaltens eines Gens zur Herstellung von RNA und Protein wird als Genexpression bezeichnet., Ob in einem einfachen einzelligen Organismus oder einem komplexen multizellulären Organismus, jede Zelle steuert, wann und wie ihre Gene exprimiert werden. Damit dies geschieht, muss es einen Mechanismus geben, um zu kontrollieren, wann ein Gen exprimiert wird, um RNA und Protein herzustellen, wie viel von dem Protein hergestellt wird und wann es Zeit ist, die Herstellung dieses Proteins einzustellen, da es nicht mehr benötigt wird.
Die Regulation der Genexpression schont Energie und Raum., Es würde eine erhebliche Menge an Energie erfordern, damit ein Organismus jedes Gen jederzeit exprimieren kann, so dass es energieeffizienter ist, die Gene nur dann einzuschalten, wenn sie benötigt werden. Darüber hinaus spart nur das Exprimieren einer Teilmenge von Genen in jeder Zelle Platz, da DNA aus ihrer eng gewickelten Struktur abgewickelt werden muss, um die DNA zu transkribieren und zu übersetzen. Zellen müssten enorm sein, wenn jedes Protein die ganze Zeit in jeder Zelle exprimiert würde.
Die Steuerung der Genexpression ist äußerst komplex., Fehlfunktionen in diesem Prozess sind schädlich für die Zelle und können zur Entwicklung vieler Krankheiten, einschließlich Krebs, führen.
Genregulation macht Zellen anders
Die Genregulation ist, wie eine Zelle steuert, welche Gene aus den vielen Genen in ihrem Genom „aktiviert“ (exprimiert) werden. Dank der Genregulation hat jeder Zelltyp in Ihrem Körper einen anderen Satz aktiver Gene—obwohl fast alle Zellen Ihres Körpers genau dieselbe DNA enthalten., Diese unterschiedlichen Muster der Genexpression führen dazu, dass Ihre verschiedenen Zelltypen unterschiedliche Sätze von Proteinen haben, wodurch jeder Zelltyp einzigartig spezialisiert ist, um seine Arbeit zu erledigen.
Zum Beispiel besteht eine der Aufgaben der Leber darin, giftige Substanzen wie Alkohol aus dem Blutkreislauf zu entfernen. Zu diesem Zweck exprimieren Leberzellen Gene, die für Untereinheiten (Stücke) eines Enzyms namens Alkoholdehydrogenase kodieren. Dieses Enzym zerlegt Alkohol in ein ungiftiges Molekül. Die Neuronen im Gehirn einer Person entfernen keine Giftstoffe aus dem Körper, so dass sie diese Gene unausgesprochen oder „ausgeschaltet“ halten.,“In ähnlicher Weise senden die Zellen der Leber keine Signale mit Neurotransmittern, sodass die Neurotransmittergene ausgeschaltet bleiben (Abbildung 1).
Abbildung 1. Verschiedene Zellen haben unterschiedliche Gene “ eingeschaltet.“
Es gibt viele andere Gene, die zwischen Leberzellen und Neuronen (oder zwei beliebigen Zelltypen in einem vielzelligen Organismus wie Ihnen) unterschiedlich exprimiert werden.
Wie „entscheiden“ Zellen, welche Gene eingeschaltet werden sollen?
Jetzt gibt es eine knifflige Frage! Viele Faktoren, die beeinflussen können, welche Gene eine Zelle exprimiert., Verschiedene Zelltypen exprimieren verschiedene Sätze von Genen, wie wir oben gesehen haben. Zwei verschiedene Zellen desselben Typs können jedoch je nach Umgebung und innerem Zustand auch unterschiedliche Genexpressionsmuster aufweisen.
Im Großen und Ganzen können wir sagen, dass das Genexpressionsmuster einer Zelle durch Informationen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle bestimmt wird.
- Beispiele für Informationen aus dem Inneren der Zelle: die Proteine, die sie von ihrer Mutterzelle geerbt hat, ob ihre DNA geschädigt ist und wie viel ATP sie hat.,
- Beispiele für Informationen von außerhalb der Zelle: chemische Signale von anderen Zellen, mechanische Signale von der extrazellulären Matrix und Nährstoffspiegel.
Wie helfen diese Hinweise einer Zelle zu „entscheiden“, welche Gene exprimiert werden sollen? Ich treffe keine Entscheidungen in dem Sinne, wie du oder ich es tun würden. Stattdessen haben sie molekulare Wege, die Informationen—wie die Bindung eines chemischen Signals an seinen Rezeptor—in eine Veränderung der Genexpression umwandeln.
Betrachten wir als Beispiel, wie Zellen auf Wachstumsfaktoren reagieren., Ein Wachstumsfaktor ist ein chemisches Signal von einer benachbarten Zelle, das eine Zielzelle anweist zu wachsen und sich zu teilen. Wir könnten sagen, dass die Zelle den Wachstumsfaktor „bemerkt“ und „entscheidet“, sich zu teilen, aber wie treten diese Prozesse tatsächlich auf?
Abbildung 2. Wachstumsfaktor, der die Zellteilung auslöst
- Die Zelle erkennt den Wachstumsfaktor durch physikalische Bindung des Wachstumsfaktors an ein Rezeptorprotein auf der Zelloberfläche.,
- Die Bindung des Wachstumsfaktors bewirkt, dass der Rezeptor seine Form ändert und eine Reihe chemischer Ereignisse in der Zelle auslöst, die Proteine aktivieren, die als Transkriptionsfaktoren bezeichnet werden.
- Die Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte DNA-Sequenzen im Zellkern und verursachen die Transkription zellteilungsbezogener Gene.
- Die Produkte dieser Gene sind verschiedene Arten von Proteinen, die die Zellteilung bewirken (das Zellwachstum antreiben und/oder die Zelle im Zellzyklus vorantreiben).,
Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie eine Zelle eine Informationsquelle in eine Veränderung der Genexpression umwandeln kann. Es gibt viele andere, und das Verständnis der Logik der Genregulation ist heute ein Bereich der laufenden Forschung in der Biologie.
Die Wachstumsfaktorsignalisierung ist komplex und beinhaltet die Aktivierung einer Vielzahl von Zielen, einschließlich Transkriptionsfaktoren und Nicht-Transkriptionsfaktorproteinen.,
Zusammenfassung: die Expression von Genen
- Genregulation ist der Prozess der Steuerung, welche Gene in einer Zelle, die DNA exprimiert werden (verwendet, um ein funktionales Produkt wie ein protein).
- Verschiedene Zellen in einem vielzelligen Organismus können sehr unterschiedliche Sätze von Genen exprimieren, obwohl sie die gleiche DNA enthalten.
- Der Satz von Genen, die in einer Zelle exprimiert werden, bestimmt den Satz von Proteinen und funktionellen RNAs, die er enthält, und verleiht ihm seine einzigartigen Eigenschaften.,
- Bei Eukaryoten wie Menschen umfasst die Genexpression viele Schritte, und die Genregulation kann bei jedem dieser Schritte auftreten. Viele Gene werden jedoch hauptsächlich auf der Ebene der Transkription reguliert.
Prokaryotische und eukaryotische Genregulation
Um zu verstehen, wie die Genexpression reguliert wird, müssen wir zuerst verstehen, wie ein Gen für ein funktionelles Protein in einer Zelle kodiert. Der Prozess tritt sowohl in prokaryotischen als auch in eukaryotischen Zellen auf, nur auf etwas andere Weise.,
Prokaryotische Organismen sind einzellige Organismen, denen ein Zellkern fehlt, und ihre DNA schwimmt daher frei im Zellzytoplasma. Um ein Protein zu synthetisieren, treten die Prozesse der Transkription und Translation fast gleichzeitig auf. Wenn das resultierende Protein nicht mehr benötigt wird, stoppt die Transkription. Infolgedessen ist die primäre Methode zur Kontrolle, welche Art von Protein und wie viel von jedem Protein in einer prokaryotischen Zelle exprimiert wird, die Regulation der DNA-Transkription. Alle nachfolgenden Schritte erfolgen automatisch. Wenn mehr Protein benötigt wird, tritt mehr Transkription auf., Daher ist in prokaryotischen Zellen die Kontrolle der Genexpression meist auf Transkriptionsebene.
Eukaryotische Zellen haben dagegen intrazelluläre Organellen, die zu ihrer Komplexität beitragen. In eukaryotischen Zellen ist die DNA im Zellkern enthalten und wird dort in RNA transkribiert. Die neu synthetisierte RNA wird dann aus dem Kern in das Zytoplasma transportiert, wo Ribosomen die RNA in Protein übersetzen., Die Prozesse der Transkription und Translation sind physikalisch durch die Kernmembran getrennt; Transkription tritt nur innerhalb des Kerns auf, und Translation tritt nur außerhalb des Kerns im Zytoplasma auf. Die Regulation der Genexpression kann in allen Phasen des Prozesses erfolgen (Abbildung 1)., Die Regulation kann auftreten, wenn die DNA von Nukleosomen abgewickelt und gelockert wird, um Transkriptionsfaktoren zu binden (epigenetische Ebene), wenn die RNA transkribiert wird (Transkriptionsebene), wenn die RNA verarbeitet und nach der Transkription in das Zytoplasma exportiert wird (Posttranskriptionsebene), wenn die RNA in Protein übersetzt wird (Translationsebene) oder nachdem das Protein hergestellt wurde (Posttranskriptionsebene).
Abbildung 1., Prokaryotische Transkription und Translation treten gleichzeitig im Zytoplasma auf, und die Regulation erfolgt auf Transkriptionsebene. Die eukaryotische Genexpression wird während der Transkription und RNA-Verarbeitung, die im Kern stattfinden, und während der Proteintranslation, die im Zytoplasma stattfindet, reguliert. Eine weitere Regulation kann durch posttranslationale Modifikationen von Proteinen erfolgen.
Die Unterschiede in der Regulation der Genexpression zwischen Prokaryoten und Eukaryoten sind in Tabelle 1 zusammengefasst., Die Regulation der Genexpression wird in nachfolgenden Modulen ausführlich diskutiert.
Evolution der Genregulation
Prokaryotische Zellen können die Genexpression nur regulieren, indem sie die Menge der Transkription steuern., Als sich eukaryotische Zellen entwickelten, nahm die Komplexität der Kontrolle der Genexpression zu. Zum Beispiel kam mit der Entwicklung von eukaryotischen Zellen die Kompartimentierung wichtiger zellulärer Komponenten und zellulärer Prozesse. Eine Kernregion, die die DNA enthält, wurde gebildet. Transkription und Translation wurden physisch in zwei verschiedene zelluläre Kompartimente getrennt. Es wurde daher möglich, die Genexpression durch Regulierung der Transkription im Kern und auch durch Kontrolle der RNA-Spiegel und der Proteintranslation außerhalb des Kerns zu kontrollieren.,
Einige zelluläre Prozesse entstanden aus dem Bedürfnis des Organismus, sich zu verteidigen. Zelluläre Prozesse wie Gen-Silencing entwickelt, um die Zelle vor viralen oder parasitären Infektionen zu schützen. Wenn die Zelle die Genexpression für kurze Zeit schnell abschalten könnte, könnte sie eine Infektion überleben, wenn andere Organismen dies nicht könnten. Daher entwickelte der Organismus einen neuen Prozess, der ihm zum Überleben verhalf, und er konnte diese neue Entwicklung an die Nachkommen weitergeben.
Praxisfragen
Die Kontrolle der Genexpression in eukaryotischen Zellen erfolgt auf welcher Ebene (n)?,
- only the transcriptional level
- epigenetic and transcriptional levels
- epigenetic, transcriptional, and translational levels
- epigenetic, transcriptional, post-transcriptional, translational, and post-translational levels
Posttranslationale Kontrolle bezieht sich auf:
- Regulation der Genexpression nach Transkription
- Regulation der Genexpression nach Translation
- Kontrolle der epigenetischen Aktivierung
- Zeitraum zwischen Transkription und Translation
Überprüfen Sie Ihr Verständnis
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