Informasi

5.4: Regulasi Transkripsi - Biologi

5.4: Regulasi Transkripsi - Biologi


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Proses yang dijelaskan di atas diperlukan setiap kali gen apa pun ditranskripsi. Apa sakelar molekuler yang menghidupkan atau mematikan transkripsi? Meskipun ada banyak buku yang ditulis tentang topik yang satu ini, mekanisme dasar yang mengatur transkripsi bergantung pada interaksi yang sangat spesifik antara protein pengatur transkripsi dan urutan pengaturan pada DNA.

Kita tahu bahwa promotor menunjukkan di mana transkripsi dimulai, tetapi apa yang menentukan bahwa gen tertentu akan ditranskripsi? Selain urutan promotor yang diperlukan untuk inisiasi transkripsi, gen memiliki urutan pengaturan tambahan (urutan DNA pada molekul DNA yang sama dengan gen) yang mengontrol kapan gen ditranskripsi. Urutan pengatur terikat erat dan khusus oleh pengatur transkripsi, protein yang dapat mengenali urutan DNA dan mengikatnya. Pengikatan protein tersebut ke DNA dapat mengatur transkripsi dengan mencegah atau meningkatkan transkripsi dari promotor tertentu.

Regulasi pada Prokariota

Mari kita perhatikan contoh dari prokariota. Pada bakteri, gen sering dikelompokkan dalam kelompok, sehingga gen yang perlu diekspresikan pada saat yang sama berada di sebelah satu sama lain dan semuanya dikendalikan sebagai satu unit oleh promotor yang sama. Operon lac, ditunjukkan pada Gambar 5.4.2, adalah salah satu kelompok gen yang mengkode protein yang dibutuhkan untuk penyerapan dan pemecahan gula laktosa. Tiga gen operon lac, lac z, lac y dan lac a dikendalikan oleh satu promotor.

Sel bakteri umumnya lebih suka menggunakan glukosa untuk kebutuhan energinya, tetapi jika glukosa tidak tersedia, dan ada laktosa, bakteri akan mengambil laktosa dan memecahnya untuk energi. Karena protein untuk mengambil dan memecah laktosa hanya diperlukan ketika glukosa tidak ada dan laktosa tersedia, sel bakteri memerlukan cara untuk mengekspresikan gen operon lac hanya dalam kondisi tersebut. Pada saat laktosa tidak ada, sel tidak perlu mengekspresikan gen ini.

Bagaimana bakteri mencapai ini? Transkripsi klaster lac gen terutama dikendalikan oleh protein represor yang mengikat ke wilayah DNA di hilir urutan -10 dari promotor lac. Ingatlah bahwa promotor adalah tempat RNA polimerase harus mengikat untuk memulai transkripsi. Tempat di mana represor terikat disebut operator (berlabel O pada gambar). Ketika represor terikat pada posisi ini, secara fisik blok RNA polimerase dari menyalin gen, seperti kendaraan yang menghalangi jalan masuk Anda akan mencegah Anda menarik keluar.

Jelas, jika Anda ingin pergi, kendaraan yang menghalangi jalan Anda harus disingkirkan. Demikian juga, agar transkripsi terjadi, penekan harus dikeluarkan dari operator untuk membersihkan jalur RNA polimerase. Bagaimana cara melepas represor?

Ketika gula laktosa hadir, ia mengikat represor, mengubah konformasinya sehingga tidak lagi mengikat operator. Ketika represor tidak lagi terikat pada operator, "penghalang jalan" di depan RNA polimerase dihilangkan, memungkinkan transkripsi gen operon lac.

Karena pengikatan laktosa menginduksi ekspresi gen dalam operon lac, laktosa disebut penginduksi. (Secara teknis, penginduksinya adalah alolaktosa, molekul yang dibuat dari laktosa oleh sel, tetapi prinsipnya sama.)

Apa yang membuat sistem kontrol ini sangat efektif adalah bahwa gen dari operon lac mengkode protein yang memecah laktosa. Menghidupkan gen-gen ini membutuhkan kehadiran laktosa. Setelah laktosa dipecah, represor mengikat operator sekali lagi dan gen lac tidak lagi diekspresikan. Hal ini memungkinkan gen untuk diekspresikan hanya ketika dibutuhkan.

Tapi bagaimana kadar glukosa mempengaruhi ekspresi gen lac? Kami mencatat sebelumnya bahwa jika ada glukosa, laktosa tidak akan digunakan. Tingkat kontrol kedua diberikan oleh protein yang disebut CAP yang mengikat ke situs yang berdekatan dengan promotor dan merekrut RNA polimerase untuk mengikat promotor lac. Ketika glukosa habis, ada peningkatan kadar cAMP yang mengikat CAP. Kompleks CAP cAMP kemudian mengikat situs CAP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.4.3. Kombinasi pengikatan CAP dan pelepasan represor lac dari operator ketika kadar laktosa tinggi memastikan tingkat transkripsi operon lac yang tinggi tepat pada saat paling dibutuhkan. Pengikatan protein CAP dapat dianggap sebagai lampu hijau untuk RNA polimerase, sedangkan penghapusan represor seperti pengangkatan barikade di depannya. Ketika kedua kondisi terpenuhi, RNA polimerase mentranskripsi gen hilir.

Operon lac yang baru saja kami jelaskan adalah satu set gen yang diekspresikan hanya di bawah kondisi spesifik deplesi glukosa dan ketersediaan laktosa. Gen lain dapat diekspresikan kecuali kondisi tertentu terpenuhi. Contohnya adalah operon trp dalam sel bakteri, yang mengkodekan enzim yang diperlukan untuk sintesis asam amino triptofan. Gen-gen ini diekspresikan setiap saat, kecuali ketika triptofan tersedia dari lingkungan sel. Ini berarti bahwa gen-gen ini harus dicegah untuk diekspresikan dengan adanya triptofan. Hal ini dicapai dengan memiliki protein represor yang akan mengikat operator hanya dengan adanya triptofan.

Regulasi pada Eukariota

Transkripsi pada eukariota juga diatur oleh pengikatan protein ke urutan DNA tertentu, tetapi dengan beberapa perbedaan dari skema sederhana yang diuraikan di atas. Untuk sebagian besar gen eukariotik, faktor transkripsi umum dan RNA polimerase (yaitu, kompleks transkripsi basal) diperlukan, tetapi tidak cukup, untuk transkripsi tingkat tinggi.

Pada eukariota, urutan pengaturan tambahan yang disebut enhancer dan protein yang mengikat enhancer diperlukan untuk mencapai tingkat transkripsi yang tinggi. Enhancer adalah urutan DNA yang mengatur transkripsi gen. Tidak seperti urutan regulasi prokariotik, enhancer tidak perlu berada di sebelah gen yang mereka kendalikan. Seringkali mereka jauh dari DNA. Seperti namanya, enhancer dapat meningkatkan (meningkatkan) transkripsi gen tertentu.

Bagaimana urutan DNA jauh dari gen yang ditranskripsi mempengaruhi tingkat transkripsi?

Enhancer bekerja dengan mengikat protein (aktivator transkripsional) yang pada gilirannya dapat berinteraksi dengan protein yang terikat pada promotor. Daerah penambah DNA, dengan aktivator transkripsional yang terkait dapat bersentuhan dengan kompleks transkripsi basal yang terikat pada kotak TATA yang jauh melalui perulangan DNA (halaman sebelumnya). Hal ini memungkinkan protein yang terikat pada enhancer untuk melakukan kontak dengan protein di kompleks transkripsi basal.

Salah satu cara aktivator transkripsi yang terikat pada enhancer meningkatkan transkripsi dari promotor yang jauh adalah dengan meningkatkan frekuensi dan efisiensi pembentukan kompleks transkripsi basal pada promotor.

Mekanisme lain dimana protein yang terikat pada enhancer dapat mempengaruhi transkripsi adalah dengan merekrut protein lain ke promotor yang dapat memodifikasi struktur kromatin di wilayah itu. Seperti yang kami catat sebelumnya, pada eukariota, DNA dikemas dengan protein untuk membentuk kromatin. Ketika DNA terkait erat dengan protein ini, sulit untuk mengakses transkripsi. Jadi protein yang dapat membuat DNA lebih mudah diakses oleh mesin transkripsi juga dapat berperan dalam sejauh mana transkripsi terjadi.

Selain enhancer, ada juga rangkaian regulasi negatif yang disebut peredam. Urutan pengaturan tersebut mengikat protein represor transkripsi. Aktivator dan represor transkripsi adalah protein modular - mereka memiliki bagian yang mengikat DNA dan bagian yang mengaktifkan atau menekan transkripsi dengan berinteraksi dengan kompleks transkripsi basal.


Regulasi kombinatorial faktor transkripsi dan microRNAs

Regulasi gen adalah faktor kunci dalam memperoleh pemahaman penuh tentang biologi molekuler. Cis-modulatory module (CRMs), yang terdiri dari beberapa situs pengikatan faktor transkripsi, telah dikonfirmasi sebagai regulator utama dalam ekspresi gen. Dalam beberapa tahun terakhir, regulator baru yang dikenal sebagai microRNA (miRNA) telah ditemukan memainkan peran penting dalam regulasi gen. Sementara itu, faktor transkripsi dan koregulasi microRNA telah diidentifikasi secara luas. Dengan demikian, hubungan antara CRM dan microRNA telah menarik minat para ahli biologi.

Hasil

Kami membangun modul regulasi kombinatorial baru berdasarkan CRM dan miRNA. Dengan menganalisis efeknya pada profil ekspresi gen, kami menemukan bahwa gen yang ditargetkan oleh CRM dan miRNA diekspresikan dengan cara yang sangat mirip. Selanjutnya, kami membangun jaringan regulasi yang terdiri dari CRM, miRNA, dan gen targetnya. Menyelidiki strukturnya, kami menemukan bahwa loop umpan maju adalah motif jaringan yang signifikan, yang memainkan peran penting dalam regulasi gen. Selain itu, kami menganalisis lebih lanjut efek miRNA dalam sel embrionik, dan kami menemukan bahwa mir-154, serta beberapa miRNA lainnya, memiliki efek pengaturan bersama yang signifikan dengan CRM dalam perkembangan embrio.

Kesimpulan

Berdasarkan ko-regulasi CRM dan miRNA, kami membangun jaringan regulasi kombinatorial baru yang ditemukan memainkan peran penting dalam regulasi gen, terutama selama perkembangan embrionik.


5.4 RNA Ditranskripsi dari Template DNA

Molekul RNA berasal dari cetakan DNA, melalui proses transkripsi. Artinya, satu untai RNA ditranskripsi dari salah satu untai heliks DNA. Yaitu, molekul DNA terurai di lokasi gen yang akan ditranskripsi. RNA polimerase mengkatalisis pembentukan molekul RNA (atau salinan) berdasarkan komplementaritas dengan DNA: di mana ada guanin (G) dalam DNA, sitosin komplementer (C) ditambahkan ke untai RNA. Namun, di mana ada adenin (A) dalam cetakan DNA, urasil (U) ditambahkan ke transkrip RNA. Misalnya, basa DNA TGCACA ditranskripsikan ke basa RNA ACGUGU.

RNA yang ditranskripsi kemudian berfungsi sebagai mRNA, tRNA, atau rRNA, dengan peran yang dijelaskan di atas. Either way, pada eukariota seperti tumbuhan, hewan, dan jamur, molekul RNA dibangun di inti sel. Setelah transkripsi, RNA meninggalkan nukleus untuk melanjutkan sintesis protein dalam sitoplasma sel.

Pada organisme prokariotik seperti bakteri, transkrip mRNA segera siap untuk perannya dalam pembentukan polipeptida. Tetapi pada eukariota, pemrosesan ekstensif diperlukan. Pemrosesan RNA melibatkan pengeditan beberapa nukleotida, menghilangkan daerah non-coding DNA, dan menyiapkan transkrip untuk dikenali oleh ribosom.

Gambar 5.4 Sebuah untai tunggal RNA ditranskripsi dari template DNA.


Modifikasi Histon

Genom manusia mengkodekan lebih dari 20.000 gen, dengan ratusan hingga ribuan gen pada masing-masing dari 23 kromosom manusia. Seperti yang telah dibahas pada unit sebelumnya, DNA di dalam nukleus justru dililit, dilipat, dan dipadatkan menjadi kromatin sehingga akan masuk ke dalam nukleus. Ini juga diatur sehingga segmen tertentu dapat diakses sesuai kebutuhan agar tipe sel tertentu berfungsi.

Tingkat pertama organisasi, atau pengemasan, adalah penggulungan untaian DNA di sekitar protein histon. Histon mengemas dan mengurutkan DNA ke dalam unit struktural yang disebut kompleks nukleosom, yang dapat mengontrol akses protein ke daerah DNA (Gambar 5-2a). Di bawah mikroskop elektron, lilitan DNA di sekitar protein histon untuk membentuk nukleosom tampak seperti manik-manik kecil pada seutas tali (Gambar 5-2b).

Gambar 5-2: Nukleosom DNA . DNA dilipat di sekitar protein histon untuk membuat (a) kompleks nukleosom. Nukleosom ini mengontrol akses protein ke DNA yang mendasarinya. Jika dilihat melalui mikroskop elektron (b), nukleosom terlihat seperti manik-manik pada tali. (kredit "mikrograf": modifikasi karya Chris Woodcock)

Protein histon ini dapat bergerak di sepanjang string (DNA) untuk mengekspos bagian molekul yang berbeda. Jika DNA yang mengkode gen tertentu akan ditranskripsi menjadi RNA, nukleosom yang mengelilingi wilayah DNA tersebut dapat meluncur ke bawah DNA untuk membuka wilayah kromosom tertentu dan memungkinkan mesin transkripsi, termasuk faktor transkripsi dan RNA polimerase untuk memulai transkripsi. Pergerakan kompleks nukleosom dicapai oleh kompleks remodeling kromatin yang bergantung pada ATP yang menggunakan energi dari hidrolisis ATP untuk mendorong nukleosom di sepanjang DNA.

Gambar 5-3: Nukleosom dapat meluncur di sepanjang DNA . Ketika nukleosom ditempatkan berdekatan (atas), faktor transkripsi tidak dapat mengikat, dan ekspresi gen dimatikan. Ketika nukleosom ditempatkan berjauhan (bawah), DNA terpapar. Faktor transkripsi dapat mengikat, memungkinkan ekspresi gen terjadi. Modifikasi histon dan DNA mempengaruhi jarak nukleosom.

Seberapa dekat protein histon berasosiasi dengan DNA diatur oleh sinyal kimia yang ditemukan pada protein histon dan pada DNA. Sinyal ini adalah kelompok fungsional (alias tag) yang ditambahkan ke protein histon atau DNA dan menentukan apakah wilayah kromosom harus terbuka (eukromatik) atau tertutup (heterokromatik) (Gambar 5-3 menggambarkan modifikasi protein histon dan DNA). Tag ini tidak permanen tetapi dapat ditambahkan atau dihapus sesuai kebutuhan. Gugus kimia yang paling umum ditambahkan langsung ke asam nukleat adalah gugus metil, sedangkan yang ditambahkan ke protein histon termasuk gugus fosfat, metil, atau asetil. Gugus-gugus fungsional ini melekat pada asam amino spesifik dalam "ekor" histon di N-terminus protein dan, yang penting, tidak mengubah urutan basa DNA, tetapi mereka mengubah seberapa erat ikatan DNA di sekitar protein histon.

DNA adalah molekul bermuatan negatif, dan histon yang tidak dimodifikasi bermuatan positif. Oleh karena itu, perubahan muatan histon akan mengubah seberapa rapat molekul DNA tersebut. Misalnya, dengan menambahkan modifikasi kimia seperti gugus asetil, muatan histon menjadi kurang positif, dan pengikatan DNA ke histon sering dilonggarkan. Hal ini memungkinkan peningkatan aksesibilitas gen. Gugus fosfat bermuatan negatif, oleh karena itu, fosforilasi ekor histon menurunkan pengikatan protein histon bermuatan positif ke DNA, juga menghasilkan aksesibilitas gen. Metilasi ekor histon telah terbukti menekan dan mengaktifkan transkripsi gen, tergantung pada asam amino mana dari ekor histon yang dimodifikasi dan jumlah gugus metil yang ditambahkan. Untuk mempermudah, kita akan membahas metilasi sebagai gugus fungsi yang menghasilkan pembungkaman gen atau heterokromatin. Satu hipotesis tentang bagaimana metilasi menyebabkan peningkatan penggulungan DNA adalah bahwa gugus metil adalah molekul nonpolar dan molekul nonpolar cenderung beragregasi (atau mengikat) bersama-sama. Oleh karena itu, semakin banyak gugus metil pada histon, semakin besar kemungkinan histon akan saling berdekatan.

Kesamaan antara semua modifikasi pada ekor histon adalah bahwa modifikasi tersebut merelaksasi gulungan DNA di sekitar histon yang memungkinkan DNA menjadi lebih 'terbuka' dan dapat diakses oleh mesin transkripsi, atau modifikasi mengencangkan gulungan DNA yang menyebabkannya menjadi lebih 'tertutup' dan diam secara transkripsi (lihat Gambar 5-3). Oleh karena itu, mengubah keketatan interaksi histon-DNA membuka beberapa daerah kromatin untuk transkripsi dan menutup yang lain.


Isi

Unit transkripsi DNA yang mengkode protein mungkin mengandung a urutan pengkodean, yang akan diterjemahkan ke dalam protein, dan urutan peraturan, yang mengarahkan dan mengatur sintesis protein tersebut. Urutan pengaturan sebelum ("hulu" dari) urutan pengkodean disebut wilayah lima utama yang tidak diterjemahkan (5'UTR) urutan setelah ("hilir" dari) urutan pengkodean disebut tiga wilayah utama yang tidak diterjemahkan (3'UTR). [3]

Berbeda dengan replikasi DNA, transkripsi menghasilkan komplemen RNA yang mencakup nukleotida urasil (U) dalam semua kasus di mana timin (T) akan terjadi dalam komplemen DNA.

Hanya satu dari dua untai DNA yang berfungsi sebagai cetakan untuk transkripsi. Untai DNA antisense dibaca oleh RNA polimerase dari ujung 3' ke ujung 5' selama transkripsi (3' → 5'). RNA komplementer dibuat dalam arah yang berlawanan, dalam arah 5' → 3', sesuai dengan urutan untai indera dengan pengecualian beralih urasil untuk timin. Arah ini karena RNA polimerase hanya dapat menambahkan nukleotida ke ujung 3' dari rantai mRNA yang sedang tumbuh. Penggunaan hanya untai DNA 3' → 5' ini menghilangkan kebutuhan akan fragmen Okazaki yang terlihat dalam replikasi DNA. [3] Ini juga menghilangkan kebutuhan primer RNA untuk memulai sintesis RNA, seperti halnya dalam replikasi DNA.

NS non-template (sense) untai DNA disebut coding strand, karena urutannya sama dengan transkrip RNA yang baru dibuat (kecuali untuk substitusi urasil untuk timin). Ini adalah untai yang digunakan oleh konvensi saat menyajikan urutan DNA. [5]

Transkripsi memiliki beberapa mekanisme proofreading, tetapi mekanisme tersebut lebih sedikit dan kurang efektif dibandingkan dengan kontrol untuk menyalin DNA. Akibatnya, transkripsi memiliki kesetiaan penyalinan yang lebih rendah daripada replikasi DNA. [6]

Transkripsi dibagi menjadi inisiasi, pelarian promotor, pemanjangan, dan penghentian. [7]

Menyiapkan transkripsi Edit

Enhancer, faktor transkripsi, kompleks Mediator dan loop DNA dalam transkripsi mamalia Sunting

Pengaturan untuk transkripsi pada mamalia diatur oleh banyak elemen pengatur cis, termasuk promotor inti dan elemen promotor-proksimal yang terletak di dekat tempat awal transkripsi gen. Promotor inti yang dikombinasikan dengan faktor transkripsi umum cukup untuk mengarahkan inisiasi transkripsi, tetapi umumnya memiliki aktivitas basal yang rendah. [8] Modul pengaturan cis penting lainnya dilokalisasi di daerah DNA yang jauh dari lokasi awal transkripsi. Ini termasuk enhancer, peredam suara, isolator dan elemen tethering. [9] Di antara konstelasi elemen ini, enhancer dan faktor transkripsi terkait memiliki peran utama dalam inisiasi transkripsi gen. [10] Penambah yang terlokalisasi di wilayah DNA yang jauh dari promotor gen dapat memiliki efek yang sangat besar pada transkripsi gen, dengan beberapa gen mengalami peningkatan transkripsi hingga 100 kali lipat karena penambah yang diaktifkan. [11]

Enhancer adalah wilayah genom yang merupakan elemen pengatur gen utama. Enhancer mengontrol program transkripsi gen spesifik tipe sel, paling sering dengan mengulang melalui jarak jauh untuk mendekati secara fisik dengan promotor gen target mereka. [12] Meskipun ada ratusan ribu daerah DNA enhancer, [13] untuk jenis jaringan tertentu hanya enhancer spesifik yang didekatkan dengan promotor yang mereka atur. Dalam sebuah studi neuron kortikal otak, 24.937 loop ditemukan, membawa enhancer ke promotor target mereka. [11] Beberapa enhancer, masing-masing sering pada puluhan atau ratusan ribu nukleotida jauh dari gen target mereka, loop ke promotor gen target mereka dan dapat berkoordinasi satu sama lain untuk mengontrol transkripsi gen target umum mereka. [12]

Ilustrasi skematis di bagian ini menunjukkan enhancer yang berputar-putar untuk mendekati kedekatan fisik dengan promotor gen target. Loop distabilkan oleh dimer protein konektor (misalnya dimer CTCF atau YY1), dengan satu anggota dimer ditambatkan ke motif pengikatannya pada penambah dan anggota lainnya ditambatkan ke motif pengikatannya pada promotor (diwakili oleh zigzag merah dalam ilustrasi). [14] Beberapa faktor transkripsi spesifik fungsi sel (ada sekitar 1.600 faktor transkripsi dalam sel manusia [15] ) umumnya mengikat motif tertentu pada penambah [16] dan kombinasi kecil dari faktor transkripsi yang terikat penambah ini, ketika didekatkan ke promotor oleh loop DNA, mengatur tingkat transkripsi gen target. Mediator (kompleks yang biasanya terdiri dari sekitar 26 protein dalam struktur yang berinteraksi) mengkomunikasikan sinyal regulasi dari faktor transkripsi yang terikat DNA enhancer secara langsung ke enzim RNA polimerase II (pol II) yang terikat pada promotor. [17]

Enhancer, ketika aktif, umumnya ditranskripsi dari kedua untai DNA dengan RNA polimerase yang bekerja dalam dua arah yang berbeda, menghasilkan dua enhancer RNA (eRNA) seperti yang diilustrasikan pada Gambar. [18] Penambah tidak aktif mungkin terikat oleh faktor transkripsi tidak aktif. Fosforilasi faktor transkripsi dapat mengaktifkannya dan faktor transkripsi yang diaktifkan kemudian dapat mengaktifkan penambah yang terikat (lihat bintang merah kecil yang mewakili fosforilasi faktor transkripsi yang terikat pada penambah dalam ilustrasi). [19] Enhancer yang diaktifkan memulai transkripsi RNA-nya sebelum mengaktifkan transkripsi RNA messenger dari gen targetnya. [20]

Metilasi dan demetilasi pulau CpG Sunting

Regulasi transkripsi pada sekitar 60% promotor juga dikendalikan oleh metilasi sitosin dalam dinukleotida CpG (di mana 5' sitosin diikuti oleh 3' guanin atau situs CpG). 5-methylcytosine (5-mC) adalah bentuk termetilasi dari sitosin basa DNA (lihat Gambar). 5-mC adalah penanda epigenetik yang ditemukan terutama di dalam situs CpG. Sekitar 28 juta dinukleotida CpG terjadi dalam genom manusia. [21] Di sebagian besar jaringan mamalia, rata-rata 70% hingga 80% sitosin CpG mengalami metilasi (membentuk 5-metilCpG atau 5-mCpG). [22] Sitosin termetilasi dalam urutan 5'sitosin-guanin 3' sering terjadi dalam kelompok, yang disebut pulau CpG. Sekitar 60% dari urutan promotor memiliki pulau CpG sementara hanya sekitar 6% dari urutan enhancer yang memiliki pulau CpG. [23] Pulau CpG merupakan urutan regulasi, karena jika pulau CpG termetilasi dalam promotor gen, ini dapat mengurangi atau membungkam transkripsi gen. [24]

Metilasi DNA mengatur transkripsi gen melalui interaksi dengan protein methyl binding domain (MBD), seperti MeCP2, MBD1 dan MBD2. Protein MBD ini mengikat paling kuat ke pulau CpG yang sangat termetilasi. [25] Protein MBD ini memiliki domain pengikatan metil-CpG serta domain represi transkripsi. [25] Mereka mengikat DNA termetilasi dan memandu atau mengarahkan kompleks protein dengan remodeling kromatin dan/atau aktivitas modifikasi histon ke pulau CpG termetilasi. Protein MBD umumnya menekan kromatin lokal seperti dengan mengkatalisis pengenalan tanda histon represif, atau menciptakan lingkungan kromatin represif secara keseluruhan melalui remodeling nukleosom dan reorganisasi kromatin. [25]

Seperti disebutkan di bagian sebelumnya, faktor transkripsi adalah protein yang mengikat urutan DNA tertentu untuk mengatur ekspresi gen. Urutan pengikatan faktor transkripsi dalam DNA biasanya sekitar 10 atau 11 nukleotida. Seperti yang diringkas pada tahun 2009, Vaquerizas et al. menunjukkan ada sekitar 1.400 faktor transkripsi berbeda yang dikodekan dalam genom manusia oleh gen yang membentuk sekitar 6% dari semua gen penyandi protein manusia. [26] Sekitar 94% dari situs pengikatan faktor transkripsi (TFBS) yang terkait dengan gen yang responsif terhadap sinyal terjadi pada enhancer sementara hanya sekitar 6% dari TFBS tersebut terjadi pada promotor. [16]

Protein EGR1 adalah faktor transkripsi tertentu yang penting untuk regulasi metilasi pulau CpG. Situs pengikatan faktor transkripsi EGR1 sering terletak di urutan penambah atau promotor. [27] Ada sekitar 12.000 situs pengikatan untuk EGR1 dalam genom mamalia dan sekitar setengah dari situs pengikatan EGR1 terletak di promotor dan setengahnya lagi di enhancer. [27] Pengikatan EGR1 ke situs pengikatan DNA targetnya tidak sensitif terhadap metilasi sitosin dalam DNA. [27]

Sementara hanya sejumlah kecil protein faktor transkripsi EGR1 yang dapat dideteksi dalam sel yang tidak distimulasi, translasi EGR1 gen menjadi protein pada satu jam setelah stimulasi meningkat secara drastis. [28] Ekspresi protein faktor transkripsi EGR1, dalam berbagai jenis sel, dapat dirangsang oleh faktor pertumbuhan, neurotransmiter, hormon, stres dan cedera. [28] Di otak, ketika neuron diaktifkan, protein EGR1 diatur ke atas dan mereka mengikat (merekrut) enzim TET1 yang sudah ada sebelumnya yang sangat diekspresikan dalam neuron. Enzim TET dapat mengkatalisis demetilasi 5-metilsitosin. Ketika faktor transkripsi EGR1 membawa enzim TET1 ke situs pengikatan EGR1 pada promotor, enzim TET dapat mendemetilasi pulau CpG termetilasi pada promotor tersebut. Setelah demetilasi, promotor ini kemudian dapat memulai transkripsi gen target mereka. Ratusan gen dalam neuron diekspresikan secara berbeda setelah aktivasi neuron melalui perekrutan EGR1 dari TET1 ke urutan regulasi termetilasi dalam promotornya. [27]

Metilasi promotor juga diubah sebagai respons terhadap sinyal. Tiga mamalia DNA methyltransferasess (DNMT1, DNMT3A, dan DNMT3B) mengkatalisis penambahan gugus metil ke sitosin dalam DNA. Sementara DNMT1 adalah metiltransferase “pemeliharaan”, DNMT3A dan DNMT3B dapat melakukan metilasi baru. Ada juga dua isoform protein sambatan yang dihasilkan dari DNMT3A gen: DNA methyltransferase protein DNMT3A1 dan DNMT3A2. [29]

Isoform splice DNMT3A2 berperilaku seperti produk dari gen awal-langsung klasik dan, misalnya, diproduksi secara kuat dan sementara setelah aktivasi neuron. [30] Dimana DNA methyltransferase isoform DNMT3A2 mengikat dan menambahkan gugus metil ke sitosin tampaknya ditentukan oleh modifikasi histon pasca translasi. [31] [32] [33]

Di sisi lain, aktivasi saraf menyebabkan degradasi DNMT3A1 disertai dengan pengurangan metilasi setidaknya satu promotor target yang dievaluasi. [34]

Inisiasi Edit

Transkripsi dimulai dengan pengikatan RNA polimerase, bersama dengan satu atau lebih faktor transkripsi umum, ke urutan DNA spesifik yang disebut sebagai "promotor" untuk membentuk "kompleks tertutup" RNA polimerase-promotor. Dalam "kompleks tertutup" DNA promotor masih sepenuhnya beruntai ganda. [7]

RNA polimerase, dibantu oleh satu atau lebih faktor transkripsi umum, kemudian melepas kira-kira 14 pasangan basa DNA untuk membentuk "kompleks terbuka" promotor RNA polimerase. Dalam "kompleks terbuka" DNA promotor sebagian terlepas dan beruntai tunggal. DNA untai tunggal yang terbuka disebut sebagai "gelembung transkripsi". [7]

RNA polimerase, dibantu oleh satu atau lebih faktor transkripsi umum, kemudian memilih a situs awal transkripsi dalam gelembung transkripsi, berikatan dengan NTP yang memulai dan NTP yang memanjang (atau primer RNA pendek dan NTP yang memanjang) yang melengkapi urutan situs awal transkripsi, dan mengkatalisis pembentukan ikatan untuk menghasilkan produk RNA awal. [7]

Pada bakteri, holoenzim RNA polimerase terdiri dari lima subunit: 2 subunit , 1 subunit , 1 subunit ', dan 1 subunit . Pada bakteri, ada satu faktor transkripsi RNA umum yang dikenal sebagai faktor sigma. Enzim inti RNA polimerase berikatan dengan faktor transkripsi umum bakteri (sigma) untuk membentuk holoenzim RNA polimerase dan kemudian berikatan dengan promotor. [7] (RNA polimerase disebut holoenzim ketika subunit sigma melekat pada enzim inti yang terdiri dari 2 subunit , 1 subunit , 1 subunit β' saja). Tidak seperti eukariota, nukleotida awal dari mRNA bakteri yang baru lahir tidak dibatasi dengan nukleotida guanin yang dimodifikasi. Nukleotida inisiasi dari transkrip bakteri mengandung 5′ trifosfat (5′-PPP), yang dapat digunakan untuk pemetaan luas genom dari situs inisiasi transkripsi. [35]

Pada archaea dan eukariota, RNA polimerase mengandung subunit yang homolog dengan masing-masing dari lima subunit RNA polimerase pada bakteri dan juga mengandung subunit tambahan. Dalam archaea dan eukariota, fungsi faktor transkripsi umum bakteri sigma dilakukan oleh beberapa faktor transkripsi umum yang bekerja sama. [7] Dalam archaea, ada tiga faktor transkripsi umum: TBP, TFB, dan TFE. Pada eukariota, dalam transkripsi yang bergantung pada RNA polimerase II, ada enam faktor transkripsi umum: TFIIA, TFIIB (seorang ortolog dari TFB archaeal), TFIID (faktor multisubunit di mana subunit kunci, TBP, adalah ortolog dari TBP archaeal), TFIIE (seorang ortolog dari TFE archaeal), TFIIF, dan TFIIH. TFIID merupakan komponen pertama yang berikatan dengan DNA akibat pengikatan TBP, sedangkan TFIIH merupakan komponen terakhir yang direkrut. Dalam archaea dan eukariota, kompleks tertutup promotor RNA polimerase biasanya disebut sebagai "kompleks prainisiasi". [36]

Inisiasi transkripsi diatur oleh protein tambahan, yang dikenal sebagai aktivator dan represor, dan, dalam beberapa kasus, koaktivator atau korepresor terkait, yang memodulasi pembentukan dan fungsi kompleks inisiasi transkripsi. [7]

Promotor melarikan diri Sunting

Setelah ikatan pertama disintesis, RNA polimerase harus lepas dari promotor. Selama ini ada kecenderungan untuk melepaskan transkrip RNA dan menghasilkan transkrip yang terpotong. Ini disebut inisiasi yang gagal, dan umum untuk eukariota dan prokariota. [37] Inisiasi yang gagal terus terjadi sampai produk RNA dengan panjang ambang kira-kira 10 nukleotida disintesis, di mana pelepasan promotor terjadi dan kompleks elongasi transkripsi terbentuk.

Secara mekanis, pelepasan promotor terjadi melalui pengurutan DNA, menyediakan energi yang dibutuhkan untuk memutuskan interaksi antara holoenzim RNA polimerase dan promotor. [38]

Pada bakteri, secara historis dianggap bahwa faktor sigma pasti dilepaskan setelah pembersihan promotor terjadi. Teori ini telah dikenal sebagai model pelepasan wajib. Namun, data selanjutnya menunjukkan bahwa setelah dan setelah izin promotor, faktor sigma dilepaskan menurut model stokastik yang dikenal sebagai model rilis stokastik. [39]

Pada eukariota, pada promotor yang bergantung pada RNA polimerase II, setelah pembersihan promotor, TFIIH memfosforilasi serin 5 pada domain terminal karboksi RNA polimerase II, yang mengarah pada perekrutan enzim capping (CE). [40] [41] Mekanisme yang tepat tentang bagaimana CE menginduksi clearance promotor pada eukariota belum diketahui.

Perpanjangan Sunting

Satu untai DNA, untai templat (atau untai noncoding), digunakan sebagai cetakan untuk sintesis RNA. Saat transkripsi berlangsung, RNA polimerase melintasi untai cetakan dan menggunakan pasangan basa yang saling melengkapi dengan cetakan DNA untuk membuat salinan RNA (yang memanjang selama traversal). Meskipun RNA polimerase melintasi untai template dari 3' → 5', untai pengkode (non-templat) dan RNA yang baru terbentuk juga dapat digunakan sebagai titik referensi, sehingga transkripsi dapat digambarkan terjadi 5' → 3'. Ini menghasilkan molekul RNA dari 5' → 3', salinan persis dari untai pengkode (kecuali timin diganti dengan urasil, dan nukleotida terdiri dari gula ribosa (5-karbon) di mana DNA memiliki deoksiribosa (satu oksigen lebih sedikit). atom) di tulang punggung gula-fosfatnya). [ kutipan diperlukan ]

Transkripsi mRNA dapat melibatkan beberapa RNA polimerase pada template DNA tunggal dan beberapa putaran transkripsi (amplifikasi mRNA tertentu), sehingga banyak molekul mRNA dapat dengan cepat diproduksi dari satu salinan gen. [ kutipan diperlukan ] Tingkat elongasi karakteristik pada prokariota dan eukariota adalah sekitar 10-100 nts/dtk. [42] Dalam eukariota, bagaimanapun, nukleosom bertindak sebagai hambatan utama untuk menyalin polimerase selama transkripsi elongasi. [43] [44] Dalam organisme ini, jeda yang disebabkan oleh nukleosom dapat diatur oleh faktor pemanjangan transkripsi seperti TFIIS. [44]

Perpanjangan juga melibatkan mekanisme proofreading yang dapat menggantikan basis yang dimasukkan secara tidak benar. Pada eukariota, ini mungkin terkait dengan jeda singkat selama transkripsi yang memungkinkan faktor pengeditan RNA yang sesuai untuk mengikat. Jeda ini mungkin intrinsik untuk RNA polimerase atau karena struktur kromatin. [ kutipan diperlukan ]

Penghentian Sunting

Bakteri menggunakan dua strategi berbeda untuk terminasi transkripsi – terminasi Rho-independen dan terminasi Rho-dependent. Dalam penghentian transkripsi Rho-independen, transkripsi RNA berhenti ketika molekul RNA yang baru disintesis membentuk loop jepit rambut kaya G-C diikuti oleh run of Us. When the hairpin forms, the mechanical stress breaks the weak rU-dA bonds, now filling the DNA–RNA hybrid. This pulls the poly-U transcript out of the active site of the RNA polymerase, terminating transcription. In the "Rho-dependent" type of termination, a protein factor called "Rho" destabilizes the interaction between the template and the mRNA, thus releasing the newly synthesized mRNA from the elongation complex. [45]

Transcription termination in eukaryotes is less well understood than in bacteria, but involves cleavage of the new transcript followed by template-independent addition of adenines at its new 3' end, in a process called polyadenylation. [46]


Gene expression is controlled by a number of features – regulation of transcription and translation:

In eukaryotes, transcription or target genes can be stimulated or inhibited when specific transcriptional factors move from the cytoplasm into the nucleus. As only target genes are transcribed, it means that specific proteins are made. Each type of body cell has different target cells so they give different characteristics i.e. a nerve cell is different to a red blood cell. Transcription factors can change the rate of transcription and the process is as follows:

  • The transcription factors move in by diffusion into the nucleus from the cytoplasm.
  • When in the nucleus they may bind to promoter sequence (the sequence which is the start of the target gene).
  • The transcription factors either increase or decrease the rate of transcription depending if they have bound onto the promoter sequence.

Some transcription factors are called activators where they increase the rate of transcription. This is done by the transcription factors helping the RNA polymerase to bind to the promoter sequence to activate transcription. Others are called repressors where they decrease the rate of transcription. This is done by the transcription factors binding to the promoter sequence preventing RNA polymerase from binding. This stops transcription.

Oestrogen can initiate the transcription of target genes. NB: Sometimes it can cause a transcription factor to be a repressor. You don’t need to know this for the AQA exam. A transcription factor may be bound to an inhibitor stopping it from binding to the promoter sequence. Oestrogen binds to the transcription factor making an oestrogen-oestrogen receptor complex and changes the site where the inhibitor is joined on (called DNA binding site). This means that the inhibitor is detached allowing the transcription factor to attach to the promoter sequence. NB: You don’t need to know the name of the inhibitor. Also the DNA binding site on the transcription factor stays changed whilst the oestrogen has bound to it.

In eukaryotes and some prokaryotes, translation of the mRNA produced from target genes can be inhibited by RNA interference known as RNAi. Short RNA molecules such as micro RNA, known as miRNA, and small interference RNA, known as siRNA, form an RNA Induced Silencing Complex, known as RISC, with proteins. NB: The small RNA molecules known to be double stranded in the revision guides or in textbooks this is confusing so it is better to start the process as miRNA and siRNA being single stranded. RNA forms a complex with a protein which is an enzyme called RNA hydrolase. miRNA does not form a complex with RNA hydrolase but another protein. These RNA molecules can each make a RISC with more then one protein and the proteins involved do not need to be known for AQA. The complexes each attach to their target mRNA sequence and preventing translation in different ways. This is how it is done for each small RNA molecules:

  • siRNA/miRNA in plants:
  • The bases on the siRNA attach to the bases on the mRNA by complementary base pairing.
  • RNA hydrolase hydrolyses the mRNA strand into fragments preventing translation to occur as the whole polypeptide chain will not be made

NB: It is not necessary to know that the fragments are degraded in the processing body. If you want to learn this there is no harm.

  • miRNA in mammals:
  • The bases on the miRNA attach to the bases on the mRNA by complementary base pairing.
  • Ribosomes are prevented from attaching to the mRNA strand stopping translation from occurring.

NB: Again here, it is not necessary to know that mRNA is degraded or stored in the processing body.

Epigenetics involves heritable changes in gene function, without changes to the DNA base sequence. These changes are caused by changes in the environment (more exposure to pollution) that inhibit transcription by:

  • Increased methylation of DNA:A methyl group (known as an epigenetic mark) attaches to cytosine that has to be part of the nucleotide that is attached to guanine by a phosphodiester bond. NB: You may be confused right now but look at the diagram below of one strand of DNA and notice which of the cytosine nucleotides the methyl group joins on to. Notice that the nucleotide on the far right of the strand and the third one from the left does not have a methyl group as they are not next to a nucleotide with guanine as the base. The joining of the methyl group should not be confused by joining on to cytosine which is complementary to guanine on the other strand as this is wrong. Also the methyl group – CH3 – does not change the base sequence but the structure. As the structure has changed, it has become harder for enzymes to attach to the DNA stopping the expression of a gene. If the tumour suppressor gene is not transcribed it can cause cancer.

  • Decreased of associated histones: An acetyl group – COCH3 – is another epigenetic mark which attaches to histone proteins to make the chromatin (mixture of DNA wound around histone proteins) less condensed for easy genetic expression to occur. The problem originates when histone deacetylase breaks the bond between the histone protein and acetyl group. The DNA becomes highly condensed making hard for enzymes to carry out the gene expression. NB: Histone deacetylase can be abbreviated into HDAC but it is best that you stay with the full name.

Epigenetic changes to the DNA are fortunately reversible therefore they are good targets by drugs to stop the effects of epigenetic occurring. These drugs can either stop DNA methylation or can inhibit histone deacetylase allowing the acetyl groups to remain attached to the DNA.


7.4 Regulation of Gene Expression

Each of your cells has at least 20,000 genes. In fact, all of your cells have the same genes. Do all of your cells make the same proteins? Tidak! If they did, then all your cells would be alike (and you’d be a blob that couldn’t do anything except, well, be a blob). Instead, you have cells with different structures and functions. This is because different cells make different proteins. They do this by using, or expressing, different genes. Using a gene to make a protein is called gene expression.

Go ahead and be expressive! Your genes are!

How Gene Expression is Regulated

Ekspresi gen diatur untuk memastikan bahwa protein yang benar dibuat kapan dan di mana mereka dibutuhkan. Regulation may occur at any point in the expression of a gene, from the start of transcription to the processing of a protein after translation. The focus in this lesson is the regulation of transcription. Seperti yang ditunjukkan pada Angka below, transcription is controlled by regulatory proteins. The proteins bind to regions of DNA, called regulatory elements, which are located near promoters. After regulatory proteins bind to regulatory elements, they can interact with RNA polymerase, the enzyme that transcribes DNA to mRNA. Regulatory proteins are typically either activators or repressors.

  • Activators promote transcription by enhancing the interaction of RNA polymerase with the promoter.
  • Repressors prevent transcription by impeding the progress of RNA polymerase along the DNA strand.

Other factors may also be involved in the regulation of transcription, but these are typically the key players.

Regulation of Transcription. Regulatory proteins bind to regulatory elements to control transcription. The regulatory elements are embedded within the DNA.

Regulasi Gen Prokariotik

Transcription is regulated differently in prokaryotes and eukaryotes. In general, prokaryotic regulation is simpler than eukaryotic regulation.

The Role of Operons

Regulation of transcription in prokaryotes typically involves operons. NS operon is a region of DNA that consists of one or more genes that encode the proteins needed for a specific function. The operon also includes a promoter and an operator. NS operator is a region of the operon where regulatory proteins bind. It is located near the promoter and helps regulate transcription of the operon genes.

The Lac Operon

A well-known example of operon regulation involves the lac operon in E. coli bacteria (see Angka below and the video at the link below). The lac operon consists of a promoter, an operator, and three genes that encode the enzymes needed to digest lactose, the sugar found in milk. The lac operon is regulated by lactose in the environment. http://www.youtube.com/watch?v=oBwtxdI1zvk

  • When lactose is absent, a repressor protein binds to the operator. The protein blocks the binding of RNA polymerase to the promoter. As a result, the lac genes are not expressed.
  • When lactose is present, the repressor protein does not bind to the operator. This allows RNA polymerase to bind to the promoter and begin transcription. As a result, the lac genes are expressed, and lactose is digested.

Why might it be beneficial to express genes only when they are needed? (Hint: synthesizing proteins requires energy and materials.)

Eukaryotic Gene Regulation

In eukaryotic cells, the start of transcription is one of the most complicated parts of gene regulation. There may be many regulatory proteins and regulatory elements involved. Regulation may also involve enhancers. Enhancers are distant regions of DNA that can loop back to interact with a gene’s promoter.

The TATA Box

Different types of cells have unique patterns of regulatory elements that result in only the necessary genes being transcribed. That’s why a skin cell and nerve cell, for example, are so different from each other. However, some patterns of regulatory elements are common to all genes, regardless of the cells in which they occur. An example is the TATA box. This is a regulatory element that is part of the promoter of most eukaryotic genes. A number of regulatory proteins bind to the TATA box, forming a multi-protein complex. It is only when all of the appropriate proteins are bound to the TATA box that RNA polymerase recognizes the complex and binds to the promoter. Once RNA polymerase binds, transcription begins.

Regulation During Development

The regulation of gene expression is extremely important during the development of an organism. Regulatory proteins must turn on certain genes in particular cells at just the right time so the organism develops normal organs and organ systems. Homeobox genes are an example of genes that regulate development. They code for regulatory proteins that switch on whole series of major developmental genes. In insects, homeobox genes called hox genes ensure that body parts such as limbs develop in the correct place. Angka below shows how a mutation in a hox gene can affect an insect’s development.

Gene Expression and Cancer

The mutations that cause cancer generally occur in two types of regulatory genes: tumor-suppressor genes and proto-oncogenes (see Angka di bawah). These genes produce regulatory proteins that control the cell cycle. When the genes mutate, cells with mutations divide rapidly and without limits.

TED Ed: The Cancer Gene We All Have:

TED Ed: How does cancer spread through the body?

  • Gene transcription is controlled by regulatory proteins that bind to regulatory elements on DNA. The proteins usually either activate or repress transcription.
  • Regulation of transcription in prokaryotes typically involves an operon, such as the lac operon in E. coli. The lac operon is regulated by proteins that behave differently depending on whether lactose is present.
  • Regulation of transcription in eukaryotes is generally more complex. It involves unique regulatory elements in different cells as well as common regulatory elements such as the TATA box. Regulation is especially important during development. It may involve regulatory genes such as homeobox genes that switch other regulatory genes on or off. Mutations in regulatory genes that normally control the cell cycle cause cancer.

Pertanyaan Tinjauan Pelajaran

Mengingat

1. What is gene expression?

2. Describe how regulatory proteins regulate gene expression.

3. Identify the TATA box and its function in transcription.

4. What is a homeobox gene?

Apply Concepts

5. Draw a diagram to show how the lac operon is regulated.

6. Sketch how an insect with a mutated hox gene might look. Explain your sketch.

Berpikir kritis

7. Why is gene regulation especially important during development?

Poin untuk Dipertimbangkan

Scientists know more about human chromosomes and genes than they know about the genetic material of most other species. In fact, scientists have identified all of the approximately 20,000-25,000 genes in human DNA.


Tonton videonya: Sintesis Protein - Transkripsi dan Translasi - DNA (Juni 2022).


Komentar:

  1. Mikhail

    Ke halaman yang dingin. selamat natal untukmu! sangat terhormat dan semoga tahun baru sukses dan bahagia!

  2. Nishakar

    Menurut pendapat saya, dia salah. Saya yakin. Kita perlu berdiskusi. Tuliskan kepada saya di PM.

  3. Talkis

    your sentence simply excellent

  4. Esmak

    Somewhere I already noticed a similar topic oh well

  5. Akinokasa

    Accept bad turnover.

  6. Nef

    The incomparable message is very interesting to me :)



Menulis pesan