Przegląd

Ekspresja genów to proces, w którym DNA kieruje syntezą produktów funkcjonalnych, czyli białek. Komórki mogą regulować ekspresję genów na różnych etapach. Pozwala organizmom wytwarzać różne typy komórek i umożliwia komórkom przystosowanie się do czynników wewnętrznych i zewnętrznych.

Informacja genetyczna przepływa od DNA do RNA i białka

Gen to odcinek DNA, który służy jako plan dla funkcjonalnych RNA i białek. Ponieważ DNA składa się z nukleotydów, a białka składają się z aminokwasów, do przekształcenia informacji zakodowanych w DNA w białka potrzebny jest mediator. Tym mediatorem jest informacyjny RNA (mRNA). mRNA kopiuje plan z DNA w procesie zwanym transkrypcją. U eukariontów transkrypcja zachodzi w jądrze przez komplementarne parowanie zasad z matrycą DNA. mRNA jest następnie przetwarzane i transportowane do cytoplazmy, gdzie służy jako matryca do syntezy białek podczas translacji. U prokariontów, które nie mają jądra, procesy transkrypcji i translacji zachodzą w tym samym miejscu i prawie jednocześnie, ponieważ nowo powstałe mRNA jest podatne na szybką degradację.

Ekspresja genów może być regulowana na dowolnym etapie transkrypcji

Każda komórka organizmu zawiera to samo DNA, a co za tym idzie, ten sam zestaw genów. Jednak nie wszystkie geny w komórce są "włączone" lub wykorzystywane do syntezy białek. Mówi się, że gen ulega "ekspresji", gdy kodowane przez niego białko jest wytwarzane przez komórkę. Ekspresja genów jest regulowana w celu zapewnienia prawidłowego wytwarzania białek w określonych komórkach w określonym czasie. Różne mechanizmy wewnętrzne i zewnętrzne regulują ekspresję genów przed i podczas transkrypcji.

Struktura chromatyny - zagęszczonego DNA i związanych z nim białek histonowych - może być chemicznie modyfikowana tak, aby była otwarta lub zamknięta. Takie modyfikacje umożliwiają lub ograniczają dostęp maszynerii transkrypcyjnej do DNA. Modyfikacja chromatyny jest wewnętrznym mechanizmem wykorzystywanym podczas rozwoju do tworzenia różnych typów komórek (np. neuron kontra komórka mięśniowa) z tego samego genomu.

Białka wiążące DNA, zwane czynnikami transkrypcyjnymi, regulują transkrypcję poprzez wiązanie się z określonymi sekwencjami DNA w pobliżu lub w regionach kodujących geny. Czynniki transkrypcyjne, które sprzyjają inicjacji transkrypcji, nazywane są aktywatorami. Białka, które zapobiegają wiązaniu się maszynerii transkrypcyjnej z miejscem inicjacji transkrypcji, nazywane są represorami. Aktywatory lub represory transkrypcji reagują na bodźce zewnętrzne, takie jak cząsteczki sygnałowe, niedobory żywieniowe, temperatura i tlen.

Ekspresja genów może być regulowana potranskrypcyjnie i potranslacyjnie

Ekspresja genów może być regulowana przez potranskrypcyjne przetwarzanie mRNA. U eukariontów transkrybowane mRNA ulega splicingowi i innym modyfikacjom, które chronią końce nici RNA przed degradacją. Splicing usuwa introny - segmenty, które nie kodują białek - i łączy regiony kodujące białka zwane eksonami. Alternatywny splicing pozwala na ekspresję funkcjonalnie zróżnicowanych białek z tego samego genu. Regulacja ekspresji genów przez alternatywny splicing odgrywa ważną rolę w rozwoju narządów, przeżywalności i proliferacji komórek oraz adaptacji do czynników środowiskowych.

Ekspresja genów może być również zmieniona poprzez regulację translacji mRNA do białek. Translacja może być regulowana przez mikroRNA - małe, niekodujące RNA - które wiążą się z określoną sekwencją mRNA i blokują inicjację translacji lub degradują transkrybowane mRNA. Ponadto białka zwane represorami translacyjnymi mogą wiązać się z RNA i zakłócać inicjację translacji.

Ulegnięte polipeptydy są poddawane przetwarzaniu w celu wytworzenia funkcjonalnych białek. Dodanie lub usunięcie grup chemicznych może zmienić aktywność, stabilność i lokalizację białek w komórce. Na przykład dodanie lub usunięcie grup fosforylowych (–PO₃^2-) może aktywować lub dezaktywować białka. Podobnie dodanie grup ubikwityny powoduje degradację białek. Tak więc potranslacyjne modyfikacje białek są ostatnim etapem regulacji genów.