Geenin toiminta

Tämän sivun aiheet:

• Transkriptio
• Transkriptio
• Geenin toiminnan yhteenveto

Soluissamme olevat kromosomit sisältävät valtavan määrän tietoa. On arvioitu, että ihmisellä on jossain noin 30 000 geeniä. Jokainen geeni koodaa RNA-molekyyliä, jota käytetään joko suoraan tai jota käytetään ohjaamaan proteiinin, kuten aiemmin esitetyn insuliinin, muodostumista. Tieto kulkee soluissamme yleensä ennustettavassa järjestyksessä tiedon varastointimuodosta (DNA) työmuodon (RNA) kautta lopputuotteeseen (proteiini). Lisätietoa tämän sivun aiheista löytyy myös useimmista biologian johdantokirjoista, suosittelemme Campbellin biologian 11. painosta.1 Tätä polkua käyttävät kaikki eliöt, ja se on esitetty kaaviokuvana alla.

Kuvassa DNA:ta käytetään oppaana tai mallina, jonka avulla tuotetaan lisää DNA:ta. Tätä replikaatioksi kutsuttua prosessia käsitellään tässä.

Prosessia, jossa DNA:n tiettyjä osia (geenejä) käytetään RNA:n tuottamiseen, kutsutaan transkriptioksi. Käsittelemme transkriptiota jonkin verran yksityiskohtaisemmin, koska tiettyjen geenien transkription muutoksilla on suuri merkitys syövän kehittymisessä.

Kriittinen merkitys on sillä, mitkä geenit ovat ”päällä” milloinkin. Vaihteleva ympäristö, jossa elämme, tarkoittaa, että eri geenien on oltava ”päällä” eri aikoina. Jos esimerkiksi ateria sisältää suuria määriä laktoosia, maidossa esiintyvää sokeria, elimistömme reagoi käynnistämällä (transkriboimalla) geenit, jotka johtavat laktoosia hajottavien entsyymien tuotantoon. Jos läsnä on jokin muu sokeri tai ravintoaine, oikeat geenit on kytkettävä päälle sen käsittelemiseksi.

Transkriptio

Transkription tavoitteena on tehdä geenistä RNA-kopio. Tämä RNA voi ohjata proteiinin muodostumista tai sitä voidaan käyttää suoraan solussa. Kaikki solut, joissa on tuma, sisältävät täsmälleen saman geneettisen informaation. Kuten edellä on todettu, vain pieni osa geeneistä käytetään todellisuudessa RNA:n valmistamiseen tietyssä solussa tiettynä ajankohtana. Transkriptioprosessi on hyvin tiukasti säädelty normaaleissa soluissa.

• Geenien on transkriboitava oikeaan aikaan.
• Geenistä tuotettua RNA:ta on valmistettava oikea määrä.
• Ainoastaan tarvittavien geenien tulee transkriboitua.
• Transkription sammuttaminen on yhtä tärkeää kuin sen käynnistäminen.

Voit kuvitella tämän hienostuneeksi tuotantolinjaksi, jollainen on tehtaassa. Haluaisit, että liukuhihna toimisi, kun tuotetta tarvitaan, ja sammuisi, kun tuotetta ei enää tarvita.

Ihmisen kromosomit sisältävät valtavan määrän tietoa. Jokainen kromosomi koostuu yhdestä äärimmäisen pitkästä DNA:n kappaleesta, joka koostuu miljoonista nukleotideista. Yksittäinen geeni vie vain pienen pätkän kromosomista.

Oheisessa animaatiossa on esitetty DNA:n järjestäytyminen kromosomissa. DNA on tiukasti kierretty ja silmukoitu, jotta se veisi vähemmän tilaa, aivan kuten kelaamalla lankaa kelalle. Alla esitetty kromosomi on kopioitu tai monistettu, ja sillä on tyypillinen X-muoto. Kromosomit näyttävät tältä ennen solunjakautumista.

Transkription vaiheet

Jotta transkriptio toimisi, on oltava jokin tapa tunnistaa, mistä prosessin pitäisi alkaa ja mihin sen pitäisi loppua. Tämä tapahtuu erityisten proteiinien avulla, jotka sitoutuvat transkriboitavien geenien alkuun. Näitä proteiineja kutsutaan transkriptiotekijöiksi.

Transkriptioprosessi jakautuu useisiin vaiheisiin:

1. Transkriptiotekijä tunnistaa transkriboitavan geenin aloituskohdan (promoottorin).

2. RNA:ta valmistava entsyymi (RNA-polymeraasi) sitoutuu transkriptiotekijään ja tunnistaa aloituskohdan.

3. Entsyymi etenee DNA:ta pitkin tehden kopiota, kunnes saavutetaan geenin loppu.

4. Entsyymi putoaa pois ja RNA vapautuu. Tämä kopiointiprosessi voi toistua lukuisia kertoja.

5. Jos RNA on sellaista, joka koodaa proteiinia, se poistuu ytimestä ja siirtyy sytosoliin.

Muista, että yllä kuvattu geeni on itse asiassa DNA-molekyylin (kromosomin) varrella oleva nukleotidien pätkä.

Transkriptiotekijöiden epäasianmukainen toiminta on havaittu lähes kaikissa tunnetuissa syöpätyypeissä. Koska nämä tekijät ovat välttämättömiä solun järjestelmälliselle toiminnalle, väärin käyttäytyvällä osatekijällä voi olla merkittäviä vaikutuksia kaikkiin muihin solun osiin. Tuotantolinjaan liittyvää analogiaa toistamalla voidaan todeta, että huonosti käyttäytyvä transkriptiotekijä voi johtaa siihen, että liukuhihna käynnistyy, vaikka sen ei pitäisi, ja tuottaa liikaa tuotetta. Vaihtoehtoisesti liukuhihna ei ehkä ole päällä silloin, kun sitä tarvitaan, mikä johtaa tietyn tuotteen vajeeseen.

Transkriptiotekijät

Joitakin esimerkkejä transkriptiotekijöistä, jotka eivät toimi oikein ihmisen syövissä, ovat:

• p53 (TP53)- Geeni, joka koodaa p53-transkriptiotekijää (proteiinia), on mutaantunut yli puolessa kaikentyyppisistä syövistä. Proteiini, jota p53-geeni koodaa, on tärkeä, koska se kontrolloi sellaisten geenien transkriptiota, jotka osallistuvat siihen, että solut jakautuvat. Lisätietoja p53-geenistä löytyy kohdasta Kasvainsuppressorit.
• Rb – Tämän geenin proteiinituote on transkriptiotekijä, jolla on mielenkiintoinen tehtävä. Se toimii itse asiassa estämällä muita transkriptiotekijöitä. Näin Rb estää solunjakautumisen etenemiseen tarvittavien keskeisten geenien transkriptiota. Rb-proteiini kuvattiin alun perin geeniksi, joka mutatoitui retinoblastoomassa, silmän syövässä, josta geeni on saanut nimensä, mutta nykyään tiedetään, että sillä on merkitystä monissa eri syöpätyypeissä. Lisätietoja Rb-geenistä on kohdassa Kasvainsuppressorit.
• Estrogeenireseptori (ER) – Tämä proteiini sitoutuu soluun tunkeutuvaan estrogeeniin. Estrogeeni on munasarjojen tuottama steroidi(rasva)hormoni. Proteiinin ja hormonin yhdistelmä toimii sitten transkriptiotekijänä, joka käynnistää geenit, jotka mahdollistavat kohdesolujen jakautumisen. Reseptori on aktiivinen naisten sukuelinten, kuten rintojen ja munasarjojen, soluissa. Tämän vuoksi estrogeeni tunnistetaan tekijäksi, joka edistää tiettyjen näissä kudoksissa syntyvien syöpien kasvua.

Estrogeenin vaikutusmekanismi on esitetty alla.

Pieni vihreä pallo edustaa estrogeenia. Se on pieni hydrofobinen molekyyli ja se pääsee soluihin läpäisemällä lipidikalvon. Soluun päästyään estrogeeni sitoutuu reseptoriinsa (väriltään oranssi) ja kompleksi sitoutuu DNA:han ytimessä aiheuttaen geenien transkriptiota.

Moneita lääkkeitä on kehitetty estämään estrogeenin geenejä aktivoivaa toimintaa. Yleisesti määrätty esimerkki on tamoksifeeni, lääke, joka estää osittain estrogeenin toimintaa. Tamoksifeeni on värjätty vaaleanpunaiseksi alla olevassa animaatiossa.

Näiden lääkkeiden pitäisi hidastaa sellaisten syöpien kasvua, jotka kasvavat estrogeenin ja sen reseptorin vaikutuksesta. Lisätietoa estrogeenireseptoreista ja syövästä löytyy kohdasta Syövän hoidot.

Transkriptiotekijöiden merkitystä solujen jakautumiselle on korostettu useaan otteeseen. Syöpä on seurausta hallitsemattomasta solujen jakautumisesta, joten seuraavaksi käsitellään solujen jakautumista. On tärkeää ymmärtää, miten tämä prosessi normaalisti toimii, jotta voimme ymmärtää, mitä tapahtuu, kun asiat menevät pieleen.

Translaatio

Kun sanansaattaja-RNA (mRNA) on tuotettu äsken kuvatun transkriptioprosessin avulla, mRNA:ta prosessoidaan ytimessä ja vapautetaan sitten sytosoliin.

Sytosolissa olevat ribosomaaliset alayksiköt tunnistavat mRNA:n, ja ribosomi ”lukee” viestin proteiinin tuottamiseksi. Proteiinin muodostuksen suuntaa koskeva tieto on koodattu mRNA:n muodostavien nukleotidien sekvenssiin. Ribosomi ”lukee” kolmen nukleotidin ryhmät (joita kutsutaan koodoneiksi) ja johtaa tietyn aminohapon lisäämiseen kasvavaan polypeptidiin (proteiiniin). Prosessi on esitetty kaavamaisesti alla olevassa animaatiossa.

Kun proteiini on muodostunut, se saa aktiivisen taitetun tilansa ja pystyy suorittamaan tehtäviään solussa. Proteiinien asianmukainen taittuminen, kuljetus, aktiivisuus ja mahdollinen tuhoutuminen ovat kaikki hyvin säänneltyjä prosesseja.

Geenit, jotka kontrolloivat näitä prosesseja, ovat usein vaurioituneet eivätkä toimi kunnolla syöpäsoluissa.

Lisätietoa tästä aiheesta löytyy luvusta 1 teoksessa Syövän biologia (The Biology of Cancer), kirjoittanut Robert A. Weinberg.

Geenien toiminnan yhteenveto

Keskeinen dogmi

• Kromosomeissamme oleva DNA sisältää geenejä, jotka transkriboituvat RNA:ksi.
• RNA:ta on useita eri tyyppejä (tRNA:ta, mRNA:ta, rRNA:ta jne.). Ne koostuvat samoista rakennuspalikoista, mutta niillä on erilaiset tehtävät, sijainnit ja rakenteet.
• Messenger-RNA (mRNA) voidaan kääntää proteiiniksi. Tavallinen tiedonkulku on:
  • DNA→RNA→Proteiini
• Kriittistä on, mitkä geenit ovat ”päällä” milloinkin. Eri geenien on oltava ”päällä” eri aikoina riippuen kunkin solun tarpeista ja toiminnoista.

Transkriptio

• Transkription tavoitteena on tehdä geenistä RNA-kopio.
• Transkriptiotekijät sitoutuvat geenien aloituskohtaan, jotta tunnistetaan kohta, josta transkriptio alkaa.
• p53, Rb, estrogeenireseptori ovat kaikki transkriptiotekijöitä, jotka eivät toimi kunnolla syövässä.
• Transkriptioprosessi jakautuu useisiin eri vaiheisiin:
  1. Transkriptiotekijä tunnistaa geenin aloituskohdan (promoottori) ja sitoutuu siihen.
  2. RNA:ta muodostava entsyymi (RNA-polymeraasi) sitoutuu transkriptiotekijään.
  3. Ensiymi tekee geenistä RNA-kopion.
  4. Ensiymi putoaa pois ja RNA vapautuu.
  5. RNA jää joko tumaan tai poistuu sytosoliin.

Translaatio

• Translaation tavoitteena on valmistaa proteiini käyttäen mRNA:ssa koodattua tietoa.
• Translaatioprosessi jakautuu useisiin vaiheisiin:
  1. mRNA lähtee ytimestä, ja ribosomaaliset alayksiköt tunnistavat ja sitovat sen sytosolissa.
  2. Ribosomi ”lukee” RNA:n kolme nukleotidia (yksi kodoni) kerrallaan.
  3. Ribosomi lisää kodonia vastaavan aminohapon kasvavaan proteiiniin.
  4. Ribosomi kohtaa stop-kodonin ja lopettaa proteiinisynteesin.
  5. Proteiini siirtyy pitkälle säädeltyyn laskostumisprosessiin ja saa täysin laskostuneen rakenteen.
• Geenit, jotka kontrolloivat proteiinien asianmukaista laskostumista, kuljetusta, aktiivisuutta ja lopullista tuhoutumista, ovat usein vaurioituneet tai toimintahäiriöisiä syövässä.

• 1. Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). Campbellin biologia (11. painos). Pearson.