07 Regulace genové exprese

  1. Jaký často se regulují provozní geny?
    • konstitutivní genová exprese = stabilní (průběžná) exprese genů, které kódují složky buněk nutné pro udržování základních - provozních funkcí ("housekeeping functions")
    • provozní geny kódují např. rRNA, tRNA, ribozomové proteiny, RNA-polymerázy, strukturní proteiny, proteiny zapojené do sestřihu a proteosyntézy, atd.
    • konstitutivní geny se exprimují ve většině buněk

    • Proč regulovat expresi genů?
    • produkty všech genů genomu nejsou v každém okamžiku života buňky nezbytné
    • proměnlivost prostředí
    • proměnlivost buňky během buněčného cyklu
    • energetická náročnost procesu genové exprese

  2. čím se liší Inducibilní a represibilní genová exprese oproti konstitutivní?
    • zvyšuje se nebo snižuje podle potřeby
    • týká se (inducibilních/represibilních) genů, jejichž produkty jsou potřebné pouze za určitých podmínek
    • syntéza těchto genů je pod kontrolou speciálních regulačních systémů
    • konstitutivní exprese těchto genů by znamenala zbytečnou energetickou zátěž buňky (evoluční výhoda)
  3. definuj pozitivní regulaci genové exprese
    • gen se exprimuje jen za přítomnosti aktivátoru, obvykle transkripčního faktoru, který napomáhá RNA-polymeráze ve vazbě na promotor – aktivita aktivátoru závisí na přijetí signálu
    • signál mění konformaci inaktivního regulátoru do aktivního stavu, který tak získá schopnost vazby do regulační oblasti genu, což usnadní funkci RNA-polymeráze

    Image Upload 1
  4. definuj negativní regulaci genové exprese
    • gen se exprimuje jen za nepřítomnosti represoru – pokud je represor přítomen, váže se na operátor a znemožní expresi daného genu - uvolnění represoru závisí na přijetí signálu
    • regulátor blokuje promotor dokud nedojde vazbou signálu ke změně jeho konformace – čímž se uvolní z DNA a usnadní tak funkci RNA-polymeráze

    Image Upload 2
  5. pozitivní i negativní regulace je tak závislá na malé molekule –
    • induktoru, který se váže k regulačnímu proteinu
    • signálů ovlivňujících expresi určitého genu může být větší počet
    • aktivátory: proteiny, které posilují expresi
    • z určitých promotorů
    • represory: proteiny, které tlumí expresi z určitých promotorů
  6. z hlediska ekonomičnosti je výhodná regulace na úrovni ...
    z hlediska zajištění rychlosti je výhodné ... ...
    transkripce

    z hlediska zajištění rychlosti je výhodné zajistit produkci proteinu v inaktivní formě a možnosti jeho rychlého převedení do aktivního stavu

    Image Upload 3
  7. vyjmenuj některé Regulační úrovně
    •  heterochromatizace/euchromatizace
    •  transkripce vedoucí ke vzniku primárního transkriptu
    •  úpravy primárního transkriptu vedoucí ke vzniku zralé mRNA
    •  stabilita mRNA, její náchylnost/odolnost k degradaci
    •  translace mRNA vedoucí k vzniku polypeptidových řetězců
    •  úpravy a sestavování polypeptidových řetězců
    •  regulace aktivity proteinu
    •  regulace degradace proteinu
    •  regulace translokace proteinu
    • Image Upload 4
  8. jaké znáš typy Typy heterochromatinu?
    • konstitutivní
    •  vždy kondenzovaný
    •  lokalizace v blízkosti centromery a na koncích chromozomu
    •  nepřístupný genové expresi
    • fakultativní
    •  převoditelý na euchromatin modifikacemi histonů (acetylace, fosforylace, ADP-ribozylace, ubikvitinace) a tím zpřístupněn genové expresi


    Image Upload 5
  9. hranici mezi heterochromatinem a euchromatinem může ovlivnit např. chromozomová
    translokace
  10. Regulace u jednobuněčných a mnohobuněčných organismů probíhají v závislosti na...
    •  u jednobuněčných: reakce na změny okolí (teplota, osmotický tlak, dostupnost živin, atd.)
    •  u mnohobuněčných: reakce na změny okolí + komunikace mezi buňkami téhož organismu + vývojové procesy v rámci organismu
  11. jmenuj dva typy Regulačních mechanismů u prokaryot
    • 1. řídí genovou expresi v reakci na změny okolí
    • poskytují metabolismu plasticitu - dosažení maximálního růstu a reprodukce za nejrůznějších podmínek
    • 2. předprogramované okruhy nebo kaskády genové exprese
    • podnět ovlivní expresi určitého genu, jehož produkt ovlivní expresi sady dalších genů, jejich produkty zase další, atd.
  12. genová exprese prokaryot je řízena specifickými interakcemi jakých molekul?
    • trans-aktivačních molekul s cis-aktivačními sekvencemi
    • trans-aktivační molekuly (obvykle proteiny); jsou schopny opustit místo své syntézy a volně se pohybovat, aby si našly svou cílovou molekulu
    • cis-aktivační elementy (obvykle sekvence DNA); fungují výlučně jako sekvence, které neopouštějí molekulu, jejíž jsou součástí (např. promotory, terminátory)
  13. jaký je rozdíl mezi Regulátorovým a strukturním genem
    • strukturní gen kóduje jakýkoliv protein bez regulační funkce
    • regulátorový gen kóduje takový protein (nebo RNA), který se zapojuje do procesu regulace genové exprese
    • Regulátorový protein může genovou expresi zapnout nebo vypnout
    • Image Upload 6
  14. jaký význam mají alternativní sigma faktory v regulaci transkripce u prokaryot?
    • sigma faktor umožňuje RNA-polymeráze specifickou vazbu na promotor
    • několik skupin genů má promotory bez typických sekvencí -35 a -10: rozeznávány alternativními sigma faktory
    • každý alternativní sigma faktor zajišťuje expresi celých skupin genů (50 a více), jejichž produkty jsou zapotřebí za určitých podmínek (např. stacionární fáze růstu, nedostatek dusíku, atd.)

    Image Upload 7

    Alternativní sigma faktory se uplatňují při sporulaci
  15. které faktory se uplatňují při sporulaci? Co je to sporulace?
    • spóry se tvoří asymetrickým dělením mateřské buňky za nepříznivých podmínek
    • primitivní forma diferenciace prokaryotických buněk
    • tvorba spór je řízena čtyřmi alternativními sigma faktory
    • mezi geny rozeznávanými jedním sigma faktorem jsou i geny kódující jiné sigma faktory
    • Image Upload 8
  16. co dělají Anti-sigma faktory?
    • proteiny, které vážou sigma faktory a tím je inhibují- ztratí schopnost vazby na RNA- polymerázu
    • anti-anti sigma faktory se podílejí na regulační kaskádě
    • Image Upload 9
  17. co a kde je operátor?
    • v blízkosti promotoru je další „cis-element“ - operátor
    • operátor je místo vazby pro represor
  18. jaký význam má operátor?
    • operátor je místo vazby pro represor
    • vazba represoru na operátor brání RNA-polymeráze iniciovat transkripci - Negativní kontrola
    • exprese genu vypnuta
    • běžné u bakterií

    Image Upload 10
  19. jak funguje Pozitivní kontrola u eukaryot a bakterií?
    • pro iniciaci transkripce je nutný transkripční faktor, který asistuje RNA-polymeráze
    • bez pozitivního signálu je gen inaktivní, RNA-polymeráza nemůže iniciovat transkripci

    Image Upload 11
  20. Popiš Regulace změnou koncentrace substrátu u bakterií
    • bakterie reagují rychle na změny svého okolí
    • změny v dostupnosti klíčových živin mohou nastat kdykoliv, rychlé přepnutí metabolismu je podmínkou přežití
    • produkce nepotřebného enzymu je zbytečná zátěž
    • bakterie netvoří enzymy pro zpracování substrátu, pokud tento není k dispozici, ale jsou připraveny jejich produkci nastartovat, pokud se substrát objeví
  21. jaké zdroje energie používá E.coli?
    využitelné jsou různé cukry, E. coli preferuje glukózu
  22. za přítomnosti laktózy a nepřítomnosti glukózy buňky E. coli zahájí syntézu dvou enzymů:
    • β-galaktozidázy a β-galaktozidpermeázy
    • za nepřítomnosti laktózy v okolí, buňky E. coli tyto enzymy nesyntetizují
    • exprese obou genů je za nepřítomnosti glukózy a přítomnosti laktózy indukována rychle
    • Image Upload 12
  23. jaká je fce β-galaktozidpermeázy?
    zajistí transport laktózy do buňky
  24. jaká je fce β-galaktozidázy?
    štěpí laktózu na glukózu a galaktózu

    Image Upload 13
  25. co v kontextu regulace genové exprese znamená pojem indukce?
    • proces zapnutí genové exprese látkou dodanou do prostředí, ve kterém buňka roste, se nazývá indukce
    • geny, jejichž exprese je takto regulována, se nazývají inducibilní
    • indukce nastává na úrovni transkripce a mění počet molekul příslušných proteinů (nikoliv aktivitu proteinů již existujících)
    • typickými inducibilními enzymy jsou enzymy zapojené do katabolických (rozkladných) drah
  26. definuj operony
    • u prokaryot jsou geny s příbuznou funkcí často umístěny za sebou a jsou regulovány společně – tvoří operóny
    • operón: soubor genů, které jsou společně přepisovány do jediné molekuly mRNA (polycistronové mRNA) a podléhají kontrole
    • jediným regulátorem
    • geny v operónu spolu funkčně souvisejí: např. kódují enzymy, které se účastní stejné biochemické dráhy
    • u eukaryot se každý gen přepisuje samostatně
    • Image Upload 14

    • Transkripce operónu: polycistronová mRNA
    • Image Upload 15
  27. objevitelé operónu
    • Francois Jacob a Jacques Monod (1961)
    • Nobelova cena za medicínu v roce 1965 (s André Lwoffem)
  28. definuj tři strukturní geny Laktózového (lac) operónu
    • tři strukturní geny: lacZ, lacY a lacA + regulační oblast proti směru transkripce
    • lacZ kóduje ß-galaktozidázu (rozklad laktózy)
    • lacY kóduje ß-galaktozidpermeázu (membránový protein, zajišťující transport laktózy do buňky)
    • lacA kóduje ß-galaktozidacetylázu
    • (přenos acetylové skupiny z acetylkoenzymu A na laktózu)
    • lacI kóduje represor lac operónu (přepisuje se v opačném směru)

    Image Upload 16


    lac operón E. coli je regulační systém obsahující tři strukturní geny, které se účinně přepisují pouze za přítomnosti laktózy a nepřítomnosti glukózy
  29. ß-galaktozidáza je potřeba jen za přítomnosti ... a nedostatku ...
    • ß-galaktozidáza je potřeba jen za přítomnosti laktózy a nedostatku glukózy 
    • v opačném případě je transkripce lac operonu utlumena Lac represorem
    • když se objeví laktóza, postačuje i malé množství rozkladných enzymů k jejímu rozštěpení na glukózu a galaktózu
  30. co je to alolaktóza?
    • glukóza a galaktóza se spojují za vzniku alolaktózy, která inaktivuje Lac represor (induktor lac operónu)
    • izomer laktózy
    • Image Upload 17
  31. jak se chová represor LacI?
    vazebné místo pro represor LacI v promotoru lac operónu

    za nepřítomnosti induktoru se LacI váže na operátor a blokuje vazbu RNA-polymerázy na promotor

    za přítomnosti laktózy (vlastním induktorem je izomer laktózy – alolaktóza) dojde k uvolnění represoru (změna konformace, ztráta schopnosti vazby na DNA)

    Image Upload 18

    Image Upload 19

    Image Upload 20
  32. co je to Katabolická represe?
    jiný mechanismus kontroly lac operónu, zprostředkován cAMP a pozitivním regulačním proteinem CRP („cAMP-receptor protein“), někdy rovněž zvaným CAP („catabolite-activator protein“)
  33. jakým způsobem Katabolická represe aktivuje transkripci lac operónu?
    cAMP se váže na CRP/CAP, čímž se mění jeho konformace do podoby umožňující pevnou vazbu na DNA v místě promotoru a díky interakci s RNA-polymerázou aktivuje transkripci lac operónu
  34. glukóza je lepší zdroj energie než laktóza, proto se za současné přítomnosti laktózy a glukózy inaktivuje ... a snižuje se ...
    adenylátcykláza a snižuje se produkce cAMP
  35. lac promotor obsahuje kromě operátoru také vazebné místo pro ...
    CAP/CRP

    Image Upload 21
  36. k aktivaci transkripce lac operonu dochází vazbou ... na promotor
    CAP/CRP
  37. jak je  je zajištěno přednostní využití glukózy místo méně účinných energetických zdrojů?
    glukóza brání indukci lac operónu  inaktivací adenylátcyklázy: bez cAMP se CRP/CAP inaktivuje, čímž se redukuje transkripce lac operónu

    • Image Upload 22
    • Image Upload 23
  38. Katabolická represe: CAP se na promotor váže pouze za přítomnosti ...
    cAMP
  39. hladina cAMP je pod kontrolou ...
    glukózy (glukóza brání aktivaci adenylátcyklázy, tj. enzymu, který katalyzuje tvorbu cAMP)
  40. srovnej katabolickou represi za přítomnosti a nepřítomnosti glukózy
    • Za přítomnosti glukózy
    • 1. adenylátcykláza je inaktivní
    • 2. hladina cAMP je nízká
    • 3. CAP/CRP se nemůže vázat na lac operón
    • 4. strukturní geny lac operónu se neexprimují

    • Za nepřítomnosti glukózy
    • 1. adenylátcykláza je aktivní
    • 2. hladina cAMP je vysoká
    • 3. CAP/cAMP se váže na lac operón
    • 4. strukturní geny lac operónu se exprimují
  41. popiš negativní regulaci operonu Trp
    • je negativně regulován hladinou svého produktu, tj. AK tryptofanu (přidání trp do růstového média zastaví jeho biosyntézu)
    • tryptofan aktivuje represor trpR
    • represor trp se váže na několik operátorů
    • nejdůležitější je operátor trpEDCBA řídící tvorbu enzymů, kterými se syntetizuje tryptofan
    • mechanismus represe je ve všech případech založen na zabránění iniciace transkripce operónu

    • trp operón využívá represoru pro zastavení transkripce genů pro biosyntézu tryptofanu
  42. trp represor se syntetizuje v in/aktivní formě?
    inaktivní
  43. jakým způsobem se při represi operonu Trp uplatní tryptofan?
    • dvě molekuly tryptofanu se vážou k dimeru trp represoru a změní jeho konformaci do stavu, kdy je schopen aktivní vazby na operátor
    • vazba represoru znemožní vazbu RNA-polymerázy k promotoru a iniciaci transkripce

    Image Upload 24
  44. za nepřítomnosti laktózy se Lac represor ...
    váže na lac operátor a brání RNA-polymeráze v iniciaci transkripce operónu
Author
iren
ID
346969
Card Set
07 Regulace genové exprese
Description
molekularni biologie
Updated