Πώς εκφράζεται ένα γονίδιο για να παράγει μια πρωτεΐνη

Η έκφραση γονιδίου είναι μια κυτταρική διαδικασία με την οποία οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται σε ένα συγκεκριμένο γονίδιο χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μιας λειτουργικής πρωτεΐνης ή ενός μορίου RNA. Εμφανίζεται σε όλες τις γνωστές μορφές ζωής συμπεριλαμβανομένων των ευκαρυωτών, των προκαρυωτικών καθώς και των ιών. Η μεταγραφή ενός γονιδίου σε ένα μόριο mRNA και η μετάφραση του mRNA σε μια πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα μιας λειτουργικής πρωτεΐνης είναι γνωστά ως το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας. Η γονιδιακή έκφραση μπορεί να ρυθμιστεί σε διάφορα στάδια της διαδικασίας όπως η μεταγραφή, οι μετα-μεταγραφικές τροποποιήσεις, η μετάφραση και οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις. Η διαφορική έκφραση των γονιδίων επιτρέπει στο κύτταρο να παράγει την απαιτούμενη ποσότητα πρωτεϊνών για τη λειτουργία του κυττάρου.

Βασικές περιοχές που καλύπτονται

1. Τι είναι η γονιδιακή έκφραση
     – Ορισμός, Μεταγραφή, Μετάφραση
2. Πώς ρυθμίζεται η γονιδιακή έκφραση
     – Ορισμός, ρύθμιση σε ευκαρυώτες και προκαρυώτες

Βασικοί όροι:Ευκαρυώτες, Έκφραση Γονιδίων, mRNA, Προκαρυώτες, Πρωτεΐνη, Μεταγραφή, Μετάφραση

Τι είναι Gene Expression

Η γονιδιακή έκφραση είναι η διαδικασία με την οποία χρησιμοποιούνται γενετικές οδηγίες για τη σύνθεση γονιδιακών προϊόντων. Γενικά, οι πληροφορίες ρέουν από το DNA στο mRNA προς την πρωτεΐνη. Τα δύο κύρια στάδια της γονιδιακής έκφρασης είναι η μεταγραφή και η μετάφραση. Το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας φαίνεται στο σχήμα 1.

Εικόνα 1:Κεντρικό Δόγμα της Μοριακής Βιολογίας

Μεταγραφή

Η μεταγραφή αναφέρεται στη διαδικασία αντιγραφής των πληροφοριών ενός γονιδίου σε ένα νέο μόριο RNA. Είναι το πρώτο βήμα γονιδιακής έκφρασης τόσο στους ευκαρυώτες όσο και στους προκαρυώτες. Η RNA πολυμεράση είναι το ένζυμο που εμπλέκεται στη μεταγραφή. Τρεις διαφορετικοί τύποι RNA παράγονται κατά τη διάρκεια της μεταγραφής:αγγελιαφόρο RNA (mRNA), RNA μεταφοράς (tRNA) και ριβοσωμικό RNA (rRNA). Το mRNA μεταφέρει τη γενετική πληροφορία από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα. Το tRNA είναι ένα προσαρμοστικό RNA που χρησιμεύει ως φυσικός σύνδεσμος μεταξύ του mRNA και των αμινοξέων. Το rRNA σχηματίζει τα αναπόσπαστα μέρη του ριβοσώματος. Η διαδικασία μεταγραφής φαίνεται στην εικόνα 2 .

Εικόνα 2:Μεταγραφή

Ωστόσο, σε ορισμένους ιούς, το γενετικό υλικό είναι RNA αρνητικής αίσθησης. Εδώ, η εξαρτώμενη από RNA RNA πολυμεράση μεταγράφει το αρνητικό νόημα RNA σε mRNA.

Τροποποιήσεις μετά τη μεταγραφή

Οι μετα-μεταγραφικές τροποποιήσεις αναφέρονται στη διαδικασία μετατροπής του πρωτεύοντος μεταγραφήματος RNA σε ένα ώριμο μόριο mRNA. Εμφανίζονται κυρίως στην έκφραση του ευκαρυωτικού γονιδίου. Το μόριο mRNA που παράγεται από τη μεταγραφή είναι γνωστό ως πρωτεύον μεταγράφημα RNA ή προ-mRNA. Υποβάλλεται σε επεξεργασία για να παραχθεί το ώριμο μόριο mRNA κατά τη διάρκεια τεσσάρων βημάτων:κάλυψη 5', πολυαδενυλίωση και εναλλακτικό μάτισμα. Ο περιορισμός 5' είναι η προσθήκη ενός GTP στο 5' άκρο του μορίου pre-mRNA. Πολυαδενυλίωση είναι η προσθήκη μιας ουράς πολυ-Α στο 3' άκρο του μορίου pre-mRNA. Τόσο το κάλυμμα 5' όσο και η ουρά πολυ-Α εμποδίζουν την αποικοδόμηση του μορίου mRNA. Τα ευκαρυωτικά γονίδια αποτελούνται από ιντρόνια και εξόνια. Μόνο τα εσώνια κωδικοποιούνται για την αλληλουχία αμινοξέων ενός γονιδίου. Ως εκ τούτου, τα εξόνια αφαιρούνται κατά το μάτισμα RNA. Εναλλακτικό μάτισμα είναι η παραγωγή κωδικοποιητικών αλληλουχιών αρκετών πολυπεπτιδικών αλυσίδων με συνδυασμό διαφορετικών μοτίβων ιντρονίων. Η μετα-μεταγραφική τροποποίηση στο ευκαρυωτικό mRNA φαίνεται στο εικόνα 3 .

Εικόνα 3:Μεταγραφικές Τροποποιήσεις

Τα περισσότερα προκαρυωτικά γονίδια εμφανίζονται σε συστάδες γνωστά ως οπερόνια. Τα οπερόνια αποτελούνται από πολλά, λειτουργικά σχετιζόμενα γονίδια που ρυθμίζονται από έναν μόνο υποκινητή. Μεταγράφουν για να παράγουν ένα πολυκιστρονικό μόριο mRNA που συνθέτει αρκετές λειτουργικά σχετιζόμενες πρωτεΐνες.

Μετάφραση

Η μετάφραση αναφέρεται στη διαδικασία όπου ο γενετικός κώδικας που μεταφέρεται από ένα μόριο mRNA αποκωδικοποιείται, παράγοντας μια πολυπεπτιδική αλυσίδα μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης. Εμφανίζεται στο κυτταρόπλασμα από ριβοσώματα. Ένα σύστημα τριών αμινοξέων εμπλέκεται στον προσδιορισμό κάθε αμινοξέος στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Τα τρία νουκλεοτίδια στο mRNA που αντιπροσωπεύουν ένα αμινοξύ είναι γνωστά ως κωδικόνιο. Το πλήρες σύστημα κωδικονίων είναι γνωστό ως γενετικός κώδικας. Διαφορετικά μόρια tRNA περιέχουν αντικωδικόνια που σταθεροποιούνται με κάθε κωδικόνιο στο mRNA. Ως εκ τούτου, φέρουν το αντίστοιχο αμινοξύ για τη σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Η μετάφραση φαίνεται στην εικόνα 4.

Εικόνα 4:Μετάφραση

Μεταφραστικές τροποποιήσεις

Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις είναι η ομοιοπολική και ενζυματική τροποποίηση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας μιας λειτουργικής πρωτεΐνης. Προστίθενται διαφορετικοί πολυσακχαρίτες, λιπιδικές ή ανόργανες ομάδες προκειμένου να παραχθεί μια λειτουργική πρωτεΐνη. Αυτές οι τροποποιήσεις είναι γνωστές ως γλυκοζυλίωση, φωσφορυλίωση, θείωση κ.λπ. Μπορούν επίσης να προστεθούν διαφορετικοί συμπαράγοντες για τη ρύθμιση της λειτουργίας της πρωτεΐνης. Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις της πρωτεΐνης ινσουλίνης φαίνονται στο σχήμα 5 .

Εικόνα 5:Μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις

Πώς ρυθμίζεται η γονιδιακή έκφραση

Το κύτταρο ρυθμίζει τη γονιδιακή έκφραση είτε για να αυξήσει είτε να μειώσει τον αριθμό των πρωτεϊνών που παράγονται μέσα στο κύτταρο. Στους ευκαρυώτες, μπορεί να επιτευχθεί μέσω των διαφόρων σταδίων γονιδιακής έκφρασης όπως η μεταγραφή, οι μετα-μεταγραφικές τροποποιήσεις, η μετάφραση και οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις. Ωστόσο, στους προκαρυώτες, η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης επιτυγχάνεται κατά την έναρξη της γονιδιακής έκφρασης.

Συμπέρασμα

Η παραγωγή λειτουργικών πρωτεϊνών μέσα στο κύτταρο επιτυγχάνεται μέσω της έκφρασης γονιδίων στο γονιδίωμα. Τα δύο κύρια στάδια της γονιδιακής έκφρασης είναι η μεταγραφή και η μετάφραση σε όλα τα είδη ζωντανών οργανισμών συμπεριλαμβανομένων των ευκαρυωτών, των προκαρυωτικών και των ιών. Η μεταγραφή είναι η παραγωγή ενός μορίου mRNA που βασίζεται στην νουκλεοτιδική αλληλουχία του γονιδίου. Η μετάφραση είναι η παραγωγή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας που βασίζεται στην αλληλουχία κωδικονίων του μορίου mRNA. Στους ευκαρυώτες, η γονιδιακή έκφραση μπορεί να ρυθμιστεί τόσο σε μεταγραφικό όσο και σε μεταφραστικό επίπεδο. Ωστόσο, η γονιδιακή έκφραση στα προκαρυωτικά ρυθμίζεται κατά την έναρξη της μεταγραφής.

Αναφορά:

1. "10.3.1 Γονιδιακή έκφραση και πρωτεϊνοσύνθεση." Φυτά σε δράση , Διαθέσιμο εδώ.

Εικόνα Ευγενική προσφορά:

1. “Central Dogma of Molecular Biochemistry with Enzymes” By Dhorspool at en.wikipedia (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. “Process of transcription (13080846733)” By Genomics Education Program – Process of transcription (CC) 2.0) μέσω Commons Wikimedia
3. "Εικόνα 15 03 02" Από CNX OpenStax – (CC BY 4.0) μέσω Commons Wikimedia
4. "0324 Μετάφραση DNA και Κωδόνια" Από OpenStax –  (CC BY 4.0) μέσω Commons Wikimedia
5. "Insulin path" Από Ανέβηκε από Fred the Oyster (CC BY-SA 4.0) μέσω Commons Wikimedia