Funkcja genu

Tematy na tej stronie:

• Transkrypcja
• Translacja
• Podsumowanie funkcji genów

Chromosomy wewnątrz naszych komórek zawierają ogromną ilość informacji. Szacuje się, że ludzie mają około 30 000 genów. Każdy gen koduje cząsteczkę RNA, która jest albo wykorzystywana bezpośrednio, albo służy jako przewodnik do tworzenia białka, takiego jak pokazana wcześniej insulina. Informacja w naszych komórkach generalnie przepływa w przewidywalnej kolejności od formy przechowywania informacji (DNA) poprzez formę roboczą (RNA) do produktu końcowego (białka). Dalsze informacje na tematy zawarte na tej stronie można również znaleźć w większości podręczników do biologii, polecamy Campbell Biology, 11th edition.1 Ta ścieżka jest używana przez wszystkie organizmy i jest przedstawiona poniżej.

Jak pokazano, DNA jest używane jako przewodnik lub szablon do produkcji większej ilości DNA. Ten proces, znany jako replikacja, jest tutaj omówiony.

Proces, w którym poszczególne odcinki DNA (geny) są wykorzystywane do produkcji RNA, jest znany jako transkrypcja. Zajmiemy się transkrypcją w sposób szczegółowy, ponieważ zmiany w transkrypcji niektórych genów są bardzo ważne w rozwoju raka.

Zestaw genów, które są „włączone” w danym czasie jest krytyczny. Zmienne środowisko, w którym żyjemy oznacza, że różne geny muszą być „włączone” w różnym czasie. Na przykład, jeśli posiłek zawiera duże ilości laktozy, cukru występującego w mleku, wtedy nasze ciała reagują włączeniem (transkrypcją) genów, które prowadzą do produkcji enzymów rozkładających laktozę. Jeśli obecny jest inny cukier lub składnik odżywczy, należy włączyć odpowiednie geny, aby go przetworzyć.

Transkrypcja

Celem transkrypcji jest wykonanie kopii RNA genu. To RNA może kierować tworzeniem białka lub być wykorzystywane bezpośrednio w komórce. Wszystkie komórki posiadające jądro zawierają dokładnie taką samą informację genetyczną. Jak już wspomniano, tylko niewielki procent genów jest faktycznie wykorzystywany do tworzenia RNA w danym momencie w danej komórce. Proces transkrypcji jest bardzo ściśle regulowany w normalnych komórkach.

• Geny muszą być transkrybowane w odpowiednim czasie.
• RNA wytwarzane z genu musi być wykonane w odpowiedniej ilości.
• Tylko wymagane geny powinny być przepisywane.
• Wyłączanie transkrypcji jest tak samo ważne jak jej włączanie.

Możesz to sobie wyobrazić jako wyrafinowaną linię produkcyjną, taką jak w fabryce. Chciałbyś, aby linia montażowa działała, gdy potrzebujesz produktu i wyłączała się, gdy już go nie potrzebujesz.

Ludzkie chromosomy zawierają ogromną ilość informacji. Każdy chromosom składa się z pojedynczego, niezwykle długiego kawałka DNA złożonego z milionów nukleotydów. Pojedynczy gen zajmuje tylko niewielki odcinek chromosomu.

Widoczna na poniższej animacji organizacja DNA w chromosomie. DNA jest ciasno zwinięte i zapętlone, aby zajmować mniej miejsca, podobnie jak w przypadku nawijania nici na szpulę. Chromosom pokazany poniżej został skopiowany lub powielony i ma charakterystyczny kształt litery X. Chromosomy wyglądają tak przed podziałem komórki.

Kroki transkrypcji

Aby transkrypcja mogła działać, musi istnieć jakiś sposób na określenie, gdzie proces powinien się rozpocząć i zakończyć. Jest to osiągane przez specjalne białka, które wiążą się z początkiem genów, które mają być transkrybowane. Białka te nazywane są czynnikami transkrypcyjnymi.

Proces transkrypcji dzieli się na kilka etapów:

1. Faktor transkrypcyjny rozpoznaje miejsce startu (promotor) genu, który ma być transkrybowany.

2. Enzym wytwarzający RNA (polimeraza RNA) wiąże się z czynnikiem transkrypcyjnym i rozpoznaje region startowy.

3. Ezym postępuje w dół DNA wykonując kopię aż do osiągnięcia końca genu.

4. Enzym odpada i RNA jest uwalniany. Ten proces kopiowania może być powtarzany wielokrotnie.

5. Jeśli RNA jest jednym z tych, które kodują białko, opuści ono jądro i trafi do cytozolu.

Pamiętaj, że przedstawiony powyżej gen jest w rzeczywistości odcinkiem nukleotydów wzdłuż cząsteczki DNA (chromosomu).

Nieprawidłowa aktywność czynników transkrypcyjnych została zidentyfikowana w prawie wszystkich znanych typach nowotworów. Ponieważ czynniki te są niezbędne do uporządkowanej działalności komórki, źle zachowujący się składnik może mieć ważne skutki dla wszystkich innych części komórki. Powracając do analogii z linią produkcyjną, źle działający czynnik transkrypcyjny może doprowadzić do tego, że linia montażowa będzie włączona, kiedy nie powinna, tworząc zbyt wiele produktu. Alternatywnie, linia może nie być włączona, kiedy jest potrzebna, prowadząc do deficytu określonego produktu.

Faktory transkrypcyjne

Kilka przykładów czynników transkrypcyjnych, które nieprawidłowo funkcjonują w ludzkich nowotworach to:

• p53 (TP53)- Gen kodujący czynnik transkrypcyjny (białko) p53 jest zmutowany w ponad połowie wszystkich nowotworów dowolnego typu. Białko, które koduje gen p53 jest ważne, ponieważ kontroluje transkrypcję genów, które są zaangażowane w powodowanie podziału komórek. Więcej informacji na temat genu p53 można znaleźć w części poświęconej supresorom nowotworowym.
• Rb – Produkt białkowy tego genu jest czynnikiem transkrypcyjnym o interesującej funkcji. W rzeczywistości działa on poprzez blokowanie innych czynników transkrypcyjnych. W ten sposób Rb zapobiega transkrypcji kluczowych genów wymaganych do postępu podziału komórki. Początkowo opisano go jako gen zmutowany w retinoblastoma, nowotworze oka, od którego gen wziął swoją nazwę. Obecnie wiadomo, że białko Rb odgrywa rolę w wielu różnych typach nowotworów. Więcej informacji na temat genu Rb można znaleźć w części poświęconej supresorom nowotworowym.
• Receptor estrogenowy (ER) – Białko to wiąże się z estrogenem, który wchodzi do komórki. Estrogen jest hormonem steroidowym (lipidowym) produkowanym przez jajniki. Połączenie białka i hormonu działa jak czynnik transkrypcyjny, który włącza geny umożliwiające podział komórek docelowych. Receptor jest aktywny w komórkach żeńskich narządów rozrodczych, takich jak piersi i jajniki. Z tego powodu estrogen jest uznawany za czynnik zwiększający wzrost niektórych nowotworów powstających w tych tkankach.

Mechanizm działania estrogenu przedstawiono poniżej.

Mała zielona kulka reprezentuje estrogen. Jest to mała hydrofobowa cząsteczka, która dostaje się do komórek poprzez przejście przez błonę lipidową. Raz w komórce, estrogen wiąże się z receptorem (kolor pomarańczowy) i kompleks wiąże się z DNA w jądrze powodując geny być transcribed.

Several leki zostały opracowane, aby spróbować zablokować gen-aktywacji funkcji estrogenu. Powszechnie przepisywany przykład jest tamoksyfen, lek, który częściowo hamuje aktywność estrogenów. Tamoksyfen jest zabarwiony na różowo w poniższej animacji.

Leki te powinny spowolnić wzrost nowotworów, które rosną w odpowiedzi na obecność estrogenu i jego receptora. Więcej informacji na temat receptorów estrogenowych i raka można znaleźć w części poświęconej leczeniu raka.

Ważność czynników transkrypcyjnych dla podziału komórek została podkreślona kilkakrotnie. Rak wynika z niekontrolowanego podziału komórek, więc następny proces omówiony jest podział komórek. Ważne jest, aby zrozumieć, jak ten proces normalnie funkcjonuje, abyśmy mogli docenić to, co się dzieje, gdy coś pójdzie nie tak.

Tłumaczenie

Po wyprodukowaniu messenger RNA (mRNA) w opisanym właśnie procesie transkrypcji, mRNA jest przetwarzane w jądrze, a następnie uwalniane do cytozolu.

MRNA jest następnie rozpoznawane przez podjednostki rybosomalne obecne w cytosolu, a wiadomość jest „odczytywana” przez rybosom w celu wytworzenia białka. Informacja o kierunku powstawania białka jest zakodowana w sekwencji nukleotydów, z których zbudowany jest mRNA. Grupy trzech nukleotydów (zwane kodonami) są „odczytywane” przez rybosom i prowadzą do dodania określonego aminokwasu do rosnącego polipeptydu (białka). Proces ten jest przedstawiony schematycznie w poniższej animacji.

Po uformowaniu białka uzyskuje ono swój aktywny stan sfałdowany i jest zdolne do pełnienia swoich funkcji w komórce. Prawidłowe składanie, transport, aktywność i ewentualne niszczenie białek to procesy silnie regulowane.

Geny, które kontrolują te procesy, są często uszkodzone i nie funkcjonują prawidłowo w komórkach nowotworowych.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć w rozdziale 1 książki The Biology of Cancer autorstwa Roberta A. Weinberg.

Podsumowanie funkcji genów

Główny dogmat

• DNA w naszych chromosomach zawiera geny, które zostają przepisane na RNA.
• Istnieje kilka różnych rodzajów RNA (tRNA, mRNA, rRNA, itd.). Są one zbudowane z tych samych elementów, ale mają różne funkcje, lokalizacje i struktury.
• Messenger RNA (mRNA) może być przetłumaczony na białko. Standardowy przepływ informacji jest następujący:
  • DNA→RNA→białko
• Zestaw genów, które są „włączone” w danym momencie jest krytyczny. Różne geny muszą być „włączone” w różnym czasie, w zależności od potrzeb i funkcji danej komórki.

Transkrypcja

• Celem transkrypcji jest stworzenie kopii RNA genu.
• Faktory transkrypcyjne wiążą się z punktem początkowym genów w celu zidentyfikowania miejsca, w którym rozpoczyna się transkrypcja.
• p53, Rb, receptor estrogenowy są czynnikami transkrypcyjnymi, które nieprawidłowo funkcjonują w nowotworach.
• Proces transkrypcji dzieli się na kilka odrębnych etapów:
  1. Faktor transkrypcyjny rozpoznaje i wiąże się z miejscem startu genu (promotorem).
  2. Anim enzym tworzący RNA (polimeraza RNA) wiąże się z czynnikiem transkrypcyjnym.
  3. Enzym tworzy kopię RNA genu.
  4. Enzym odpada i RNA zostaje uwolnione.
  5. RNA albo pozostanie w jądrze, albo wyjdzie do cytozolu.

Translacja

• Celem translacji jest wytworzenie białka przy użyciu informacji zakodowanej w mRNA.
• Proces translacji dzieli się na kilka etapów:
  1. mRNA opuszcza jądro i jest rozpoznawane i wiązane przez podjednostki rybosomalne w cytozolu.
  2. Rybosom „odczytuje” RNA po trzy nukleotydy (jeden kodon) na raz.
  3. Rybosom wstawia aminokwas odpowiadający kodonowi do rosnącego białka.
  4. Rybosom napotyka kodon stop i kończy syntezę białka.
  5. Białko wchodzi w wysoce regulowany proces fałdowania i uzyskuje w pełni sfałdowaną strukturę.
• Geny, które kontrolują prawidłowe składanie, transport, aktywność i ostateczne zniszczenie białek są często uszkodzone lub nieprawidłowo funkcjonują w nowotworach.

• 1. Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). Campbell Biology (11th ed.). Pearson.

.