¿Cómo se logra la expresión selectiva de genes?
La llamada expresión genética se refiere a la forma en que las células transcriben y traducen la información genética almacenada en la secuencia de ADN en moléculas de proteínas biológicamente activas durante el proceso de vida. Diversas funciones en el organismo están codificadas por proteínas y enzimas. genes estructurales correspondientes (Figura 3-5).
1. El proceso de transcripción, catalizado por la ARN polimerasa, utilizando el ADN como plantilla para sintetizar el ARNm se llama transcripción. En el ADN bicatenario, la hebra que sirve como plantilla de transcripción se denomina hebra plantilla. (cadena plantilla), o hebra antisentido; la hebra que no sirve como plantilla de transcripción se denomina hebra codificante o hebra sentido. Una hebra de ADN que es complementaria a la plantilla de transcripción en el ADN bicatenario. Es decir, la hebra codificante. , que se diferencia del producto de transcripción solo en que t en el ADN se cambia a u en el ARN. En una doble hebra de ADN que contiene muchos genes, la hebra modelo de cada gen no siempre está en la misma hebra, es decir, se puede utilizar una hebra. como cadena molde para algunos genes o como cadena codificante para otros genes.
El procesamiento es necesario después de la transcripción. El procesamiento postranscripcional incluye:
(1) Empalme: los exones e intrones de un gen se transcriben en una molécula de ARN transcrito original. se llama pre-mrna (pre-mrna), también conocido como arn nuclear heterogéneo (hurna). Por lo tanto, la molécula de pre-ARNm tiene secuencias tanto de exón como de intrón, así como secuencias no traducidas antes y después de la región codificante. Estas secuencias de intrones deben ramificarse y las secuencias de exones deben conectarse para producir moléculas de ARNm maduras y funcionales. Este proceso se denomina empalme de ARN. La escisión se produce en gt en el extremo 3' del exón y en ag en la unión del extremo 3' del intrón y el siguiente exón.
(2) Capping: Casi todos los extremos del ARNm eucariota tienen una estructura de "sombrero". Aunque la transcripción del ARNm de eucariotas está dirigida por el nucleótido trifosfato de purina (pppag o pppg), el único nucleótido en el extremo 5' es siempre trifosfato de 7-metilguanosina (m7gppppagpnp). Esta estructura en el extremo 5' de mnra se llama tapa. Los ARNm de diferentes eucariotas tienen tapas diferentes.
Las funciones de la estructura de la tapa del ARNm: ① Puede ser reconocida por la pequeña subunidad del ribosoma, lo que provoca la unión del ARNm y los ribosomas. ② La estructura m7gppp puede bloquear eficazmente el extremo 5' del ARN para proteger; el ARNm del ácido nucleico 5' la degradación de Dicer mejora la estabilidad del ARNm
(3) Cola: la mayoría de los ARNm eucariotas tienen una cola poli (a) compuesta de 100 a 200 a en el extremo 3'. La cola poli(a) no está codificada por el ADN, pero el pre-ARNm postranscripción utiliza ATP como precursor y se polimeriza hasta el extremo 3' catalizado por la adenililtransferasa del ARN terminal, es decir, la poli(a) polimerasa. La cola no se añade al extremo 3' de la terminación de la transcripción, sino al extremo 3' de la transcripción. Una enzima específica reconoce la señal de reconocimiento de la cola aauaaa de 13 a 20 bases aguas arriba del punto de corte y la secuencia conservada aguas abajo del punto de corte. punto de corte gugugug, corta una sección aguas abajo del punto de corte y luego la cataliza mediante poli(a) polimerasa, agregando una cola de poli(a). Si esta señal de reconocimiento se muta, tanto la escisión como la poliadenilación se reducirán significativamente.
Las funciones de la cola de mrnapoly(a) son: ① Puede ayudar al transporte de mRNA desde el núcleo al citoplasma; ② Evita la degradación de las ribozimas en la célula y mejora la estabilidad del mRNA.
2. Proceso de traducción La transcripción y el procesamiento en las células eucariotas se llevan a cabo en el núcleo, pero el proceso de traducción se lleva a cabo en el citoplasma.
Utilizando el ARNm como plantilla y el ARNt como vehículo de administración, los aminoácidos activados se ensamblan en cadenas polipeptídicas de proteínas en el ribosoma (también conocido como ribosoma) bajo la acción de enzimas, cofactores y energía relevantes. , llamado traducción, este proceso se puede dividir aproximadamente en tres etapas (Figura 3-6):
(1) La iniciación de la cadena peptídica: bajo la acción de muchos factores de iniciación, primero, la subunidad pequeña del ribosoma se une al codón de iniciación en el ARNm, y luego el formilmetionil ARNt (ARNt Fmet) se une para formar el complejo de iniciación. A través del anticodón uac del ARNt, el codón de inicio aug en el ARNm se reconoce y se empareja entre sí. Luego, la subunidad grande del ribosoma se combina con la subunidad pequeña para formar un complejo estable, completando así la función inicial. ]
(2) La extensión y longitud de la cadena peptídica: hay dos puntos de unión en el ribosoma: la posición p y la posición a, que pueden unirse a dos aminoacil tRNA al mismo tiempo. Cuando el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm desde 5'→3', lee los codones en secuencia. Primero, trnafmet se une a la posición p, y luego el segundo aminoacil tRNA ingresa a la posición a. En este momento, bajo la catálisis de la peptidil transferasa, se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos en la posición p y en la posición a. El primer ARNt perdió el aminoácido que transportaba y se desprendió de la posición p, dejando la posición p vacía. El aminoacil ARNt en la posición a se mueve a la posición p bajo la acción de la translocasa y el GTP, dejando la posición a descargada. El ribosoma mueve un codón desde el extremo 5' al extremo 3' del ARNm. El tercer aminoacil ARNt ingresa en la posición a, forma un enlace peptídico con el aminoácido en la posición p y acepta la cadena peptídica en la posición p. El ARNt en la posición p se libera y la cadena peptídica en la posición a se mueve. a la posición p nuevamente, y así sucesivamente, la cadena peptídica continúa extendiéndose hasta que aparece el codón de parada del ARNm y ningún aminoacil ARNt puede unirse a él, por lo que termina la extensión de la cadena peptídica.
(3) Terminación de la cadena peptídica: La señal de terminación es el codón de parada (uaa, uag o uga) en el ARNm. Cuando el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm, la cadena polipeptídica continúa extendiéndose. Cuando aparece la señal de terminación en la posición A, ya no hay ningún aminoacil ARNt para conectarse y la síntesis de la cadena polipeptídica entra en la etapa de terminación. Bajo la acción del factor de liberación, el enlace éster del peptidil tRNA se separa, por lo que se libera la cadena polipeptídica completa y la subunidad grande del ribosoma, y luego la subunidad pequeña también se separa del mRNA.
(4) Procesamiento postraduccional: los polipéptidos liberados de los ribosomas necesitan procesamiento y modificación adicionales para formar proteínas biológicamente activas. El procesamiento de cadenas peptídicas postraduccionales incluye escisión de cadenas peptídicas, hidroxilación, fosforilación, acetilación, glicosilación de ciertos aminoácidos, etc. Los eucariotas escinden la metionina después de la traducción de la naciente cadena peptídica de la mano. Existe un tipo de gen cuyo producto de traducción precursor contiene una variedad de secuencias de aminoácidos y puede cortarse en diferentes proteínas o péptidos, llamados poliproteínas. Por ejemplo, la insulina se sintetiza primero como un producto de traducción primario de 86 aminoácidos, llamado proinsulina. La proinsulina consta de tres segmentos a, b y c. Después del procesamiento, el segmento del péptido c inactivo se corta y se forma un enlace disulfuro. se forma entre un péptido y un péptido b, de modo que se obtiene insulina activa compuesta por 51 aminoácidos.
3. La relatividad entre exones e intrones en el proceso de expresión. A juzgar por las definiciones de intrones y exones, los dos no pueden confundirse. Sin embargo, no todos los exones eucariotas son "explícitos" (codifican aminoácidos), excepto los exones del ARNt. Los genes y los genes de ARNr están completamente "ocultos", el primer y último exón de casi todos los genes estructurales solo tienen una parte de la secuencia de nucleótidos que codifica los aminoácidos, y también hay exones que no codifican ningún aminoácido, como los exones. la secuencia de nucleótidos del primer exón del gen g6pd humano.
Ahora se ha descubierto que los exones de un gen pueden ser intrones de otro gen, por lo que esto también es cierto. Tomando como ejemplo el gen de la amilasa del ratón, el gen derivado del hígado y el gen derivado de las glándulas salivales son iguales. El gen de la amilasa incluye 4 exones. La amilasa producida en el hígado no retiene el exón 1, mientras que la amilasa en la glándula salival retiene la secuencia de 50 pb del exón 1, pero el exón 2 está separado de las dos secciones anteriores y siguientes. se cortan juntos y, después de dicho empalme, el exón 2 se convierte en un intrón en el gen de la amilasa salival.
4． El mismo gen puede producir diferentes productos génicos en diferentes tejidos. El mismo gen puede codificar proteínas similares derivadas de diferentes tejidos. Este fenómeno se debe en primer lugar a la especificidad tisular de los potenciadores en los genes, que pueden interactuar con proteínas en diferentes tejidos. -Se unen factores específicos, por lo que el mismo gen en diferentes tejidos producirá diferentes transcripciones y procesamiento postranscripcional. Además, los genes eucarióticos pueden tener un único sitio poli(a), por lo que se pueden producir pre-ARNm con diferentes extremos 3' en diferentes células, lo que da como resultado diferentes métodos de corte y empalme. Dado que a las transcripciones de la mayoría de los genes eucariotas primero se les añade una cola poli(a) y luego se empalman, diferentes factores en diferentes tejidos y células interfieren con la poliadenilación y, en última instancia, afectan el patrón de empalme. Se puede utilizar como ejemplo la expresión del gen de la calcitonina en diferentes tejidos.
Pre-ARNm (transcripción corta) formado en células tiroideas en el gen de la calcitonina (polipéptido de la calca, situado en 11p15.4), incluido el secuencia no traducida (1), exones codificantes (2) y (3), y exón codificante de calcitonina (4) (incluida parte de la región no codificante), cerca del sitio pa1 del transcrito, es decir, la señal aauaaa Realizar poliadenilación . En el hipotálamo, además de la secuencia completa de la transcripción, su pre-ARNm (transcripción larga) también contiene los exones codificantes (5a) y el péptido relacionado con el gen de la calcitonina (cgrp). El extremo 3' de cgrp no está traducido (5b). ) y se somete a procesamiento poli(a) en la transcripción pa2. Sin embargo, durante el proceso de empalme de transcripciones largas, el punto de empalme del exón (3) se conecta directamente al punto de empalme del exón codificante cgrp (5a), eliminando así el exón codificante de calcitonina (4), formando así se traducen dos ARNm maduros. para producir precursor de calcitonina y precursor de cgrp respectivamente, y luego degradarse enzimáticamente para producir calcitonina cgrp, dos hormonas.