Zdefiniuj termin Regulacja, ponieważ odnosi się on do genów

aby komórka działała prawidłowo, niezbędne białka muszą zostać zsyntetyzowane we właściwym czasie. Wszystkie komórki kontrolują lub regulują syntezę białek z informacji zakodowanych w ich DNA. Proces włączania genu do produkcji RNA i białka nazywa się ekspresją genów. Niezależnie od tego, czy w prostym organizmie jednokomórkowym, czy w złożonym organizmie wielokomórkowym, każda komórka kontroluje, kiedy i w jaki sposób jej geny są wyrażane., Aby do tego doszło, musi istnieć mechanizm kontrolujący, kiedy gen jest wyrażany w celu wytworzenia RNA i białka, ile białka jest wytwarzane i kiedy nadszedł czas, aby przestać wytwarzać to białko, ponieważ nie jest już potrzebne.

regulacja ekspresji genów oszczędza energię i przestrzeń. Wymagałoby to znacznej ilości energii dla organizmu do ekspresji każdego genu przez cały czas, więc jest bardziej energooszczędne, aby włączyć geny tylko wtedy, gdy są one wymagane., Ponadto, tylko wyrażenie podzbioru genów w każdej komórce oszczędza przestrzeń, ponieważ DNA musi być rozwijane z jego ściśle zwiniętej struktury do transkrypcji i tłumaczenia DNA. Komórki musiałyby być ogromne, gdyby każde białko ulegało ekspresji w każdej komórce przez cały czas.

Kontrola ekspresji genów jest niezwykle złożona. Nieprawidłowe działanie tego procesu jest szkodliwe dla komórki i może prowadzić do rozwoju wielu chorób, w tym raka.,

ekspresję genów

aby komórka działała prawidłowo, niezbędne białka muszą zostać zsyntetyzowane we właściwym czasie. Wszystkie komórki kontrolują lub regulują syntezę białek z informacji zakodowanych w ich DNA. Proces włączania genu do produkcji RNA i białka nazywa się ekspresją genów., Niezależnie od tego, czy w prostym organizmie jednokomórkowym, czy w złożonym organizmie wielokomórkowym, każda komórka kontroluje, kiedy i w jaki sposób jej geny są wyrażane. Aby do tego doszło, musi istnieć mechanizm kontrolujący, kiedy gen jest wyrażany w celu wytworzenia RNA i białka, ile białka jest wytwarzane i kiedy nadszedł czas, aby przestać wytwarzać to białko, ponieważ nie jest już potrzebne.

regulacja ekspresji genów oszczędza energię i przestrzeń., Wymagałoby to znacznej ilości energii dla organizmu do ekspresji każdego genu przez cały czas, więc jest bardziej energooszczędne, aby włączyć geny tylko wtedy, gdy są one wymagane. Ponadto, tylko wyrażenie podzbioru genów w każdej komórce oszczędza przestrzeń, ponieważ DNA musi być rozwijane z jego ściśle zwiniętej struktury do transkrypcji i tłumaczenia DNA. Komórki musiałyby być ogromne, gdyby każde białko ulegało ekspresji w każdej komórce przez cały czas.

Kontrola ekspresji genów jest niezwykle złożona., Nieprawidłowe działanie tego procesu jest szkodliwe dla komórki i może prowadzić do rozwoju wielu chorób, w tym raka.

Regulacja genów sprawia, że komórki różnią się

Regulacja genów polega na tym, że komórka kontroluje, które geny, spośród wielu genów w swoim genomie, są „włączone” (wyrażone). Dzięki regulacji genów, każdy typ komórki w organizmie ma inny zestaw aktywnych genów-pomimo faktu, że prawie wszystkie komórki ciała zawierają dokładnie to samo DNA., Te różne wzorce ekspresji genów powodują, że różne typy komórek mają różne zestawy białek, dzięki czemu każdy typ komórki jest wyjątkowo wyspecjalizowany do wykonywania swojej pracy.

na przykład jednym z zadań wątroby jest usuwanie toksycznych substancji, takich jak alkohol z krwiobiegu. W tym celu komórki wątroby ekspresują geny kodujące podjednostki (kawałki) enzymu zwanego dehydrogenazą alkoholową. Enzym ten rozkłada alkohol na nietoksyczną cząsteczkę. Neurony w mózgu człowieka nie usuwają toksyn z organizmu, więc zachowują te geny niewyrażone lub ” wyłączone.,”Podobnie, komórki wątroby nie wysyłają sygnałów za pomocą neuroprzekaźników, więc utrzymują geny neuroprzekaźników wyłączone (ryc. 1).

Rysunek 1. Różne komórki mają różne geny”.”

istnieje wiele innych genów, które wyrażają się różnie między komórkami wątroby i neuronami (lub dowolnymi dwoma typami komórek w organizmie wielokomórkowym, takim jak ty).

jak komórki „decydują”, które geny włączyć?

teraz jest podchwytliwe pytanie! Wiele czynników, które mogą wpływać na geny, które komórka wyraża., Różne typy komórek wyrażają różne zestawy genów, jak widzieliśmy powyżej. Jednak dwie różne komórki tego samego typu mogą również mieć różne wzorce ekspresji genów w zależności od ich środowiska i stanu wewnętrznego.

Ogólnie rzecz biorąc, możemy powiedzieć, że wzór ekspresji genów komórki jest determinowany przez informacje z wewnątrz i na zewnątrz komórki.

• przykłady informacji z wnętrza komórki: białka, które odziedziczyła po komórce macierzystej, czy jej DNA jest uszkodzone i ile ma ATP.,
• przykłady informacji spoza komórki: sygnały chemiczne z innych komórek, sygnały mechaniczne z macierzy pozakomórkowej i poziomy składników odżywczych.

w jaki sposób te sygnały pomagają komórce „decydować”, jakie geny należy wyrazić? Komórki nie podejmują decyzji w tym sensie, że ty lub ja. Zamiast tego mają szlaki molekularne, które przekształcają informacje—takie jak Wiązanie sygnału chemicznego do jego receptora-w zmianę ekspresji genu.

jako przykład rozważmy, jak komórki reagują na czynniki wzrostu., Czynnik wzrostu to sygnał chemiczny z sąsiedniej komórki, który nakazuje komórce docelowej rosnąć i dzielić. Można powiedzieć, że komórka „zauważa” czynnik wzrostu i „decyduje” o podziale, ale w jaki sposób te procesy faktycznie zachodzą?

Rysunek 2. Czynnik wzrostu wywołujący podział komórek

• komórka wykrywa czynnik wzrostu poprzez fizyczne Wiązanie czynnika wzrostu z białkiem receptorowym na powierzchni komórki.,
• Wiązanie czynnika wzrostu powoduje zmianę kształtu receptora, wywołując szereg zdarzeń chemicznych w komórce, które aktywują białka zwane czynnikami transkrypcyjnymi.
• czynniki transkrypcyjne wiążą się z pewnymi sekwencjami DNA w jądrze i powodują transkrypcję genów związanych z podziałem komórki.
• produktami tych genów są różnego rodzaju białka, które powodują podział komórki (napędzają wzrost komórki i / lub popychają ją do przodu w cyklu komórkowym).,

to tylko jeden z przykładów tego, jak komórka może przekształcić źródło informacji w zmianę ekspresji genów. Istnieje wiele innych, i zrozumienie logiki regulacji genów jest obszarem trwających badań w biologii dzisiaj.

sygnalizacja czynnika wzrostu jest złożona i obejmuje aktywację różnych celów, w tym zarówno czynników transkrypcyjnych, jak i białek czynnika nie transkrypcyjnego.,

Prokariotyczna i eukariotyczna Regulacja genów

aby zrozumieć, w jaki sposób regulowana jest ekspresja genów, musimy najpierw zrozumieć, w jaki sposób Gen koduje funkcjonalne białko w komórce. Proces ten zachodzi zarówno w komórkach prokariotycznych, jak i eukariotycznych, tylko w nieco inny sposób.,

organizmy prokariotyczne są organizmami jednokomórkowymi, które nie posiadają jądra komórkowego, dlatego ich DNA swobodnie unosi się w cytoplazmie komórki. Aby zsyntetyzować białko, procesy transkrypcji i translacji zachodzą prawie jednocześnie. Gdy powstałe białko nie jest już potrzebne, transkrypcja zatrzymuje się. W rezultacie podstawową metodą kontrolowania, jaki rodzaj białka i ile każdego białka jest wyrażane w komórce prokariotycznej jest regulacja transkrypcji DNA. Wszystkie kolejne kroki są wykonywane automatycznie. Gdy więcej białka jest wymagane, więcej transkrypcji występuje., Dlatego w komórkach prokariotycznych Kontrola ekspresji genów jest głównie na poziomie transkrypcyjnym.

komórki eukariotyczne mają natomiast wewnątrzkomórkowe organelle, które zwiększają ich złożoność. W komórkach eukariotycznych DNA jest zawarte wewnątrz jądra komórki i tam jest transkrybowane do RNA. Nowo zsyntetyzowany RNA jest następnie transportowany z jądra do cytoplazmy, gdzie rybosomy przekształcają RNA w białko., Procesy transkrypcji i translacji są fizycznie oddzielone przez błonę jądrową; transkrypcja zachodzi tylko w jądrze, a translacja zachodzi tylko poza jądrem w cytoplazmie. Regulacja ekspresji genów może wystąpić na wszystkich etapach procesu (ryc. 1)., Regulacja może wystąpić, gdy DNA jest odwijane i poluzowane z nukleosomów do wiązania czynników transkrypcyjnych( poziom epigenetyczny), kiedy RNA jest transkrybowane (poziom transkrypcyjny), kiedy RNA jest przetwarzane i eksportowane do cytoplazmy po jego transkrypcji (poziom post-transcriptional), kiedy RNA jest tłumaczone na białko( poziom translacyjny), lub po białka zostało wykonane (poziom Post-translacyjny).

Rysunek 1., Transkrypcja prokariotyczna i translacja występują jednocześnie w cytoplazmie, a Regulacja zachodzi na poziomie transkrypcyjnym. Ekspresja genów eukariotycznych jest regulowana podczas transkrypcji i przetwarzania RNA, które odbywają się w jądrze, oraz podczas translacji białek, które odbywają się w cytoplazmie. Dalsza regulacja może nastąpić poprzez potranslacyjne modyfikacje białek.

różnice w regulacji ekspresji genów między prokariotami i eukariotami podsumowano w tabeli 1., Regulacja ekspresji genów jest szczegółowo omawiana w kolejnych modułach.

Sprawdź swoje zrozumienie

Odpowiedz na poniższe pytania, aby zobaczyć, jak dobrze rozumiesz tematy omówione w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie liczy się do twojej oceny w klasie i możesz ją powtórzyć nieograniczoną liczbę razy.

skorzystaj z tego quizu, aby sprawdzić swoje zrozumienie i zdecydować, czy (1) przestudiować poprzednią sekcję dalej, czy (2) przejść do następnej sekcji.