ინფორმაცია

D2. ტრანსკრიფციის კონტროლი პროკარიოტებში - ბიოლოგია

D2. ტრანსკრიფციის კონტროლი პროკარიოტებში - ბიოლოგია



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.

ლაქტოზას უტილიზაციაში ჩართული გენების რეგულაციამ იაკობმა და მონოდმა (MWC ცნობილი) ნობელის პრემია მიიღეს. ტრანსკრიფციისა და ტრანსლაციისას მზადდება ერთი გრძელი პოლიპროტეინი, რომელიც იხსნება პოსტტრანსლაციურად ცალკეული ცილების წარმოქმნით.

სურათი: ცილების ფუნქცია გალაქტოზას გამოყენებაში

გარდა ამისა, კიდევ ერთი გენი, გალის რეპრესორი, გვხვდება გალის უტილიზაციის გენების ზემოთ. მას აქვს საკუთარი პრომოუტერი (PI). გენების კლასტერს, მათ შორის პრომოტორს და დნმ-ის ნებისმიერ მარეგულირებელ თანმიმდევრობას ეწოდება ოპერონი, მაგალითად, Lac ოპერონი. ამ შემთხვევაში, ტრანსკრიფცია ოპერონიდან გამოწვეულია მოლეკულური სიგნალის საპასუხოდ - ანუ ლაქტოზის, ან ალოლაქტოზის არსებობა. სიგნალი აკავშირებს რეპრესორულ ცილას, რომელიც უკავშირდება ოპერატორის დნმ-ს, რომელიც სიგნალის არარსებობის შემთხვევაში აფერხებს ტრანსკრიფციას. როდესაც სიგნალი, ამ შემთხვევაში ალოლაქტოზა ან სხვა ბეტა-გალაქტოზიდი, როგორიცაა იზოპროპილთიოგალაქტოზიდი (IPTG), უკავშირდება რეპრესორის ცილას, რეპრესორში ხდება კონფორმაციის ცვლილება, რაც იწვევს ოპერატორის დნმ-ის უფრო მაღალ Kd-ს და შემდგომ დისოციაციას. რეპრესორ-გალაქტოზიდური კომპლექსი. ხდება ტრანსკრიფცია.

სურათი: IPTG და ლაქტოზის სტრუქტურები

IPTG არის lac ოპერონის ინდუქტორი, მაგრამ არ არის სუბსტრატი წარმოებული ფერმენტებისთვის.

სურათი: LAC OPERON-ის ინდუქცია

მრავალი ანალოგიური, მაგრამ განსხვავებული მეთოდი გამოიყენება პროკარიოტებში გენის ტრანსკრიპციის გასაკონტროლებლად. ლაკ ოპერონის ტრანსკრიფციის კონტროლი მხოლოდ ერთი მაგალითია.


D2. ტრანსკრიფციის კონტროლი პროკარიოტებში

  • წვლილი შეასრულა ჰენრი იაკუბოვსკიმ
  • პროფესორი (ქიმია) კოლეჯის წმინდა ბენედიქტე/წმ. ჯონის უნივერსიტეტი

ლაქტოზას უტილიზაციაში ჩართული გენების რეგულაციამ იაკობმა და მონოდმა (MWC ცნობილი) ნობელის პრემია მიიღეს. ლაქტოზა შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც ნახშირბადის ერთადერთი წყარო E. Coli-ს მიერ. ლაქტოზას უტილიზაციისთვის საჭიროა სამი გენი, ბეტა-გალაქტოზიდაზა (lac Z, ჭრის ლაქტოზას Gal-მდე და Glc), გალაქტოზიდის პერმეაზა (lac Y, გადააქვს Lac-ს უჯრედში) და თიოგალაქტოზიდ ტრანსაცეტილაზა (lac A, ფუნქცია უცნობია). ეს გენები მიჰყვება ერთმანეთს დნმ-ზე და აქვთ 1 პრომოტორული რეგიონი. ტრანსკრიფციისა და ტრანსლაციისას მზადდება ერთი გრძელი პოლიპროტეინი, რომელიც იხსნება პოსტტრანსლაციურად ცალკეული ცილების წარმოქმნით.

სურათი: ცილების ფუნქცია გალაქტოზას გამოყენებაში

გარდა ამისა, კიდევ ერთი გენი, გალის რეპრესორი, გვხვდება გალის უტილიზაციის გენების ზემოთ. მას აქვს საკუთარი პრომოუტერი (PI). გენების კლასტერს, მათ შორის პრომოტორს და დნმ-ის ნებისმიერ მარეგულირებელ თანმიმდევრობას ეწოდება ოპერონი, მაგალითად, Lac ოპერონი. ამ შემთხვევაში, ტრანსკრიფცია ოპერონიდან გამოწვეულია მოლეკულური სიგნალის საპასუხოდ - ანუ ლაქტოზის, ან ალოლაქტოზის არსებობა. სიგნალი აკავშირებს რეპრესორულ ცილას, რომელიც უკავშირდება ოპერატორის დნმ-ს, რომელიც სიგნალის არარსებობის შემთხვევაში აფერხებს ტრანსკრიფციას. როდესაც სიგნალი, ამ შემთხვევაში ალოლაქტოზა ან სხვა ბეტა-გალაქტოზიდი, როგორიცაა იზოპროპილთიოგალაქტოზიდი (IPTG), უკავშირდება რეპრესორის ცილას, რეპრესორში ხდება კონფორმაციის ცვლილება, რაც იწვევს ოპერატორის დნმ-ის უფრო მაღალ Kd-ს და შემდგომ დისოციაციას. რეპრესორ-გალაქტოზიდური კომპლექსი. ხდება ტრანსკრიფცია.

სურათი: IPTG და ლაქტოზის სტრუქტურები

IPTG არის lac ოპერონის ინდუქტორი, მაგრამ არ არის სუბსტრატი წარმოებული ფერმენტებისთვის.

სურათი: LAC OPERON-ის ინდუქცია

მრავალი ანალოგიური, მაგრამ განსხვავებული მეთოდი გამოიყენება პროკარიოტებში გენის ტრანსკრიპციის გასაკონტროლებლად. ლაკ ოპერონის ტრანსკრიფციის კონტროლი მხოლოდ ერთი მაგალითია.


ცილის იმპორტისა და ასამბლეის მიტოქონდრიული მანქანები

ნილს ვიდემანი და ნიკოლაუს პფანერი
ტ. 86, 2017 წელი

Აბსტრაქტული

მიტოქონდრია არის აუცილებელი ორგანელები, რომლებსაც აქვთ მრავალი ფუნქცია უჯრედულ მეტაბოლიზმსა და ჰომეოსტაზში. >1000 სხვადასხვა მიტოქონდრიული ცილის უმეტესობა სინთეზირდება როგორც წინამორბედები ციტოზოლში და იმპორტირებულია მიტოქონდრიაში ხუთი ტრანსპორტით. Წაიკითხე მეტი

სურათი 1: მიტოქონდრიის ცილების იმპორტის ხუთი ძირითადი გზების მიმოხილვა. წინამიმდევრობის მატარებელი პრეპროტეინები იმპორტირებულია გარეთა მიტოქონდრიული მემბრანის (TOM) და წინამორბედის ტრანსლოკაზით.

სურათი 2: წინამიმდევრობის გზა მიტოქონდრიის შიდა მემბრანაში (IM) და მატრიქსში. გარე მემბრანის ტრანსლოკაზა (TOM) შედგება სამი რეცეპტორული ცილისგან, არხის წარმომქმნელი ცილისგან To.

სურათი 3: ოქსიდაზას შეკრების (OXA) ტრანსლოკაზის როლი ცილების დახარისხებაში. მიტოქონდრიული რიბოსომების მიერ სინთეზირებული ცილები ექსპორტირებულია შიდა მემბრანაში (IM) რიბოსების OXA ტრანსლოკაზას მეშვეობით.

სურათი 4: გადამზიდავი გზა შიდა მემბრანაში. ჰიდროფობიური მეტაბოლიტის მატარებლების წინამორბედები სინთეზირდება დაშლის გარეშე. წინამორბედები დაკავშირებულია ციტოზოლურ შემწვართან.

სურათი 5: მიტოქონდრიული მემბრანთაშორისი სივრცის იმპორტისა და აწყობის (MIA) მანქანა. ბევრი ინტერმემბრანული სივრცის (IMS) ცილა შეიცავს ცისტეინის დამახასიათებელ მოტივებს. წინამორბედები ინახება შემცირებულ ან.

სურათი 6: გარე მიტოქონდრიული მემბრანის β-ლულის ცილების ბიოგენეზი. β-კასრის ცილების წინამორბედები თავდაპირველად იმპორტირებულია გარე მემბრანის ტრანსლოკაზას (TOM) მიერ, უკავშირდება მცირე ნაწილებს.

სურათი 7: მიტოქონდრიული განაწილების და მორფოლოგიური პროტეინის 10 (Mdm10) ორმაგი როლი ცილოვან შეკრებაზე და ორგანელებთან კონტაქტის ადგილებში. Mdm10 ასოცირდება დახარისხებისა და აწყობის მექანიზმებთან (SAM).

სურათი 8: მიტოქონდრიის გარე მემბრანის ინტეგრალური α-სპირალი ცილების მრავალი იმპორტის გზა. ცილების წინამორბედები N-ტერმინალური სიგნალის წამყვანი თანმიმდევრობით ჩვეულებრივ ჩასმულია მასში.

სურათი 9: მიტოქონდრიული კონტაქტის ადგილი და კრისტალების ორგანიზების სისტემა (MICOS) ურთიერთქმედებს ცილოვან ტრანსლოკაზებთან. MICOS შედგება ორი ძირითადი ქვედანაყოფისგან, Mic10 და Mic60. Mic10 ქმნის დიდ ოლიგომერებს th.


#134 გენის კონტროლი პროკარიოტებში (ლაქ ოპერონი)


როგორც პროკარიოტებში, ასევე ევკარიოტებში, გენის ტრანსკრიფცია კონტროლდება ტრანსკრიფციის ფაქტორები .

ტრანსკრიფციის ფაქტორებია:

  • ცილები, რომლებიც აკავშირებენ დნმ-ის კონკრეტულ თანმიმდევრობას
  • კონტროლი mRNA-ს ფორმირება --> აკონტროლებს ინფორმაციის ნაკადს დნმ-დან რნმ-ში

პროკარიოტული ლაკ ოპერონი

  • lacZ - β-გალაქტოზიდაზას კოდირება (ლაქტოზას ჰიდროლიზს გლუკოზამდე + გალაქტოზამდე)
  • lacY - პერმეაზას კოდირება (ლაქტოზას უჯრედში შეღწევის საშუალებას აძლევს)
  • lacA - ტრანსაცეტილაზას კოდირება
  • მარეგულირებელი გენის კოდები რეპრესორული ცილა *
  • რეპრესორი უკავშირდება ოპერატორის რეგიონი , ახლოს lacZ
  • რნმ პოლიმერაზა ვერ აკავშირებს დნმ-ს პრომოტორულ რეგიონში
  • არანაირი ტრანსკრიფცია 3 სტრუქტურული გენიდან
  • ლაქტოზა, რომელსაც ბაქტერია იღებს
  • ლაქტოზა უკავშირდება რეპრესორულ ცილას ამახინჯებს ფორმას და ხელს უშლის მის შეკავშირებას დნმ-ის ოპერატორის რეგიონთან (ხურავს დნმ-ის დამაკავშირებელ ადგილს)
  • ტრანსკრიფცია აღარ არის დათრგუნული
  • წარმოებული mRNA 3 სტრუქტურული გენიდან

4 კომენტარი:

გმადლობთ შენიშვნებისთვის , მაგრამ ბევრად უფრო ადვილი იქნებოდა ამის გაგება , თუ მინი ვიდეოს მაგალითებისთვის და სიღრმისეული ახსნისთვის დაურთავდით !შენიშვნები გასაოცარია !


Აბსტრაქტული

ტრანსკრიფციის შეწყვეტა ხდება მაშინ, როდესაც პოლიმერაზა გამოიყოფა ტრანსკრიფციის მოვლენის შემდეგ, რითაც ხდება ტრანსკრიპციის ერთეულების დელიმიტაცია, თუმცა, შეწყვეტის ფუნქციური მნიშვნელობა სცილდება მხოლოდ გენის საზღვრების განსაზღვრას. გენერირებული ტრანსკრიპტების უჯრედული ბედის განსაზღვრით, ტრანსკრიპციის შეწყვეტის გზები აყალიბებს ტრანსკრიპტომს. ბოლო მოხსენებებმა ხაზგასმით აღნიშნეს ამ გზების გადამწყვეტი როლი ყოვლისმომცველი ტრანსკრიპციის მასშტაბის შეზღუდვაში, რამაც მიიპყრო ინტერესი გენის ექსპრესიის კონტროლში დაწყების შემდგომ მოვლენებზე. ტრანსკრიპციის შეწყვეტის გზები, რომლებიც ჩართულია არაკოდირების რნმ-ების წარმოებაში - როგორიცაა Nrd1-Nab3-Sen1 (NNS) გზა საფუარში და ქუდის დამაკავშირებელი კომპლექსი (CBC)-ARS2 გზა ადამიანებში - არის ტრანსკრიპციის ხარისხის კონტროლის ძირითადი განმსაზღვრელი. დრეკადობის კომპლექსების დროული და ეფექტური დემონტაჟისკენ მიმავალი მექანიზმების გაგება რჩება მთავარ გამოწვევად, მაგრამ ევკარიოტებში მიღებულ იქნა ახალი შეხედულებები mRNA-კოდირებისა და არაკოდირების რნმ-ის გენის სამიზნეების შეწყვეტის მოლეკულურ საფუძვლებზე.


D2. ტრანსკრიფციის კონტროლი პროკარიოტებში - ბიოლოგია

რა არის მარეგულირებელი მუტაცია?

ორგანიზმის ყველა უჯრედი შეიცავს ერთსა და იმავე გენომს - ეს არის იგივე გენები, რომლებიც განლაგებულია იმავე თანმიმდევრობით იმავე ქრომოსომების გასწვრივ. ეს არის განზოგადება - ზოგიერთი გენი გადანაწილებულია გარკვეულ უჯრედებში, მაგრამ ეს არის გამონაკლისი და არა წესი. მაგალითად, იმუნოგლობულინების (ანტისხეულის მოლეკულების) კოდირების გენები გადანაწილებულია B ლიმფოციტებში, ასე იქმნება ახალი ანტისხეულების სტრუქტურები ახალი შემოჭრილი ორგანიზმების ან ვირუსების საპასუხოდ. ასევე, ქრომოსომა ხშირად იშლება და უკუღმა უერთდება კიბოს უჯრედებს. და, რა თქმა უნდა, ჩანასახები (სპერმატოზოიდები და კვერცხუჯრედები) შეიცავს ქრომოსომების მხოლოდ ნახევარს, ვიდრე ნორმალური სომატური (სხეულის) უჯრედები.

მიუხედავად ამისა, უჯრედების უმეტესობა შეიცავს იდენტურ დნმ-ს. რა განასხვავებს ერთი ტიპის უჯრედს მეორისგან, არის არა ის გენები, რომლებსაც ისინი შეიცავს, არამედ ამ გენებიდან რომელს გამოხატავენ - ანუ რომელ გენებს გადაწერენ რნმ-ში, შემდეგ ითარგმნება ცილად. კუნთოვანი უჯრედი განსხვავდება ნეირონისგან მისი შემადგენელი მრავალი რნმ-ით და ცილებით. მაგალითად, კუნთოვანი უჯრედი აწერს კუნთის აქტინისა და მიოზინის კოდირებულ გენებს, მაგრამ არა ნეიროფილამენტის მაკოდირებელი გენი, პირიქით, ნეირონულ უჯრედს ეხება. რა განსაზღვრავს კონკრეტული გენის ტრანსკრიბციას თუ არა? ეს დიდწილად დამოკიდებულია უჯრედში არსებულ სხვა პროტეინებზე - კერძოდ, ცილებს, რომლებიც ერთობლივად ცნობილია როგორც "ტრანსკრიფციის ფაქტორები".

ყოველი გენი შედგება ცილის კოდირების თანმიმდევრობისგან, რომელიც შეიძლება იყოს მომიჯნავე ან დაიშალა ეგზონებისა და ინტრონების სერიად, და რომელიც იწყება START კოდონით (ATG) და მთავრდება STOP კოდონით (TAA, TAG ან TGA). გარდა ამისა, გენი უნდა ჰქონდეს მარეგულირებელი თანმიმდევრობები მასთან დაკავშირებული. ეს არის დნმ-ის მონაკვეთები, რომლებიც თავად არ ასახავს პროტეინს, მაგრამ მოქმედებს როგორც რნმ პოლიმერაზასა და მისი დამხმარე მოლეკულების, აგრეთვე სხვადასხვა ტრანსკრიფციის ფაქტორების დამაკავშირებელი ადგილები. მარეგულირებელი თანმიმდევრობები შეკრულ ცილებთან ერთად მოქმედებენ როგორც მოლეკულური გადამრთველები, რომლებიც განსაზღვრავენ გენის აქტივობის მდგომარეობას - მაგ. OFF ან FULL-ON ან, უფრო ხშირად, რაღაც შუალედში. მარეგულირებელი თანმიმდევრობები მოიცავს პრომოუტერი რეგიონთან ერთად გამაძლიერებელი ელემენტები.

ყველა გენს აქვს პრომოტორი, რომელიც არის ბაზალური ტრანსკრიპციული აპარატის - რნმ პოლიმერაზასა და მისი კო-ფაქტორების დამაკავშირებელი ადგილი. ეს უზრუნველყოფს მინიმალურ მექანიზმს, რომელიც აუცილებელია გენის ტრანსკრიფციის დასაშვებად. გამაძლიერებლის რეგიონები გვხვდება პრომოტორისგან დაშორებით, გენის 5' ან 3' მხარემდე ან ინტრონების შიგნით. ისინი, როგორც წესი, დნმ-ის მოკლე მონაკვეთებია (200bp, ვთქვათ), თითოეული შედგება კიდევ უფრო მოკლე თანმიმდევრობების მტევანისაგან (25bp, ვთქვათ), რომლებიც უჯრედის ან რეგიონისთვის სპეციფიკური ტრანსკრიფციის ფაქტორების დამაკავშირებელი ადგილებია. შებოჭვის შემდეგ, ეს ტრანსკრიფციის ფაქტორების კომპლექსები ურთიერთქმედებენ ბაზალურ ტრანსკრიპციულ მექანიზმებთან პრომოტორთან, რათა გააძლიერონ (ან ზოგჯერ შეამცირონ) გენის ტრანსკრიფციის სიჩქარე. ასეთი ურთიერთქმედება შესაძლებელია დნმ-ის მოქნილი ბუნების გამო, რომელიც საშუალებას აძლევს გამაძლიერებლებს მიუახლოვდნენ პრომოტორს დნმ-ის შუალედური მარყუჟით (იხ. დიაგრამა ქვემოთ).

ჩვენ შეგვიძლია ვიფიქროთ გამაძლიერებლების აქტივაციის ფუნქციაზე შემდეგნაირად. რნმ პოლიმერაზასა და ბაზალური ტრანსკრიპციული მექანიზმის შეკავშირება გენის პრომოტორთან ჰგავს ძრავის ჩართვას და მის ნეიტრალურ რეჟიმში მუშაობის საშუალებას. როდესაც დამატებითი ტრანსკრიფციის ფაქტორები, რომლებიც დაკავშირებულია გამაძლიერებელ ელემენტებთან, ურთიერთქმედებს ბაზალურ მექანიზმებთან, ეს ჰგავს ძრავის გადაცემას და ბორდიურს შორს. (ალტერნატიულად, რეპრესორის ადგილისთვის ეს ხელის მუხრუჭის დაყენებას ჰგავს.)

ხშირად მოცემული გენი ექვემდებარება კომპლექსურ რეგულაციას. ანუ, შეიძლება საჭირო გახდეს მისი ტრანსკრიბცია სხვადასხვა დროს და სხვადასხვა ადგილას განვითარების პროცესში, ან სხვადასხვა უჯრედგარე სტიმულის საპასუხოდ. დღევანდელ კონტექსტში (დროზოფილა ემბრიოგენეზი) ჩვენ ვნახეთ, რომ სეგმენტაციის გენები გამოხატულია ემბრიონში მათი პოზიციის მიხედვით. მაგალითი არის კი-გამოტოვებული (ევა) გენი, წყვილის წესის გენი, რომელიც გადაიწერება ალტერნატიულ ემბრიონულ პარასეგმენტებში შვიდი ზოლიანი ზებრის ნიმუშის წარმოქმნით. ტრანსკრიპციული მდგომარეობა ევა გენი - ON ან OFF იმის მიხედვით, თუ რომელ პარასეგმენტში ვართ - არის გამაძლიერებელი ელემენტების სერიის კონტროლის ქვეშ, თითო თითოეული ზოლისთვის. გამაძლიერებლის თითოეული ელემენტი შეიცავს დამაკავშირებელ ადგილებს ზედა დინების სეგმენტაციის გენის პროდუქტებისთვის, როგორიცაა Bicoid და Kruppel (რომლებიც, როგორც გახსოვთ, თავად ტრანსკრიფციის ფაქტორები არიან). ამრიგად, დედის ეფექტის გენების, უფსკრული გენების და სხვა წყვილის წესის გენების კონკრეტული თანავარსკვლავედი, რომელიც გამოხატულია მოცემულ პარასეგმენტში, განსაზღვრავს, არის თუ არა გამაძლიერებლის ერთ-ერთი ელემენტი სრულად დაკავებული და, შესაბამისად, ევა გენის ტრანსკრიფცია გააქტიურებულია თუ არა ამ პარასეგმენტში. გამაძლიერებლების სპეციფიკის დემონსტრირება შესაძლებელია მხოლოდ ერთი მათგანის ამოღებით (მაგალითად, ელემენტის, რომელიც განსაზღვრავს ზოლს 2) ​​და მისი ჩასმა რეპორტიორ გენის ზემოთ, როგორიცაა ბაქტერიული ბეტა-გალაქტოზიდაზა (Bgal). როდესაც ის შედის ემბრიონში, ბგალი გამოიხატება მხოლოდ ერთ ზოლში - პოზიციაში. ევა ზოლი 2. გარდა ამისა, კონკრეტული გამაძლიერებლის ელემენტები შეიძლება წაიშალოს ნორმალურიდან ევა გენი, რის შედეგადაც ხდება შესაბამისი ზოლების წაშლა ევა გამოხატულება. ასეთ მუტაციას - გამაძლიერებლის ელემენტის დაკარგვას - ეწოდება ა მარეგულირებელი მუტაცია. ის გავლენას ახდენს გენის სივრცულ ან დროებით რეგულირებაზე გენის პროდუქტის უნივერსალური დაკარგვის გარეშე.

ამ დიაგრამის ზედა ნაწილი გვიჩვენებს მარეგულირებელი რეგიონის ნაწილს ევა გენი - ტრანსკრიფციის დაწყების ადგილთან ყველაზე ახლოს მდებარე ნაწილი (წითელი ისარი). ამ რეგიონში არის სამი გამაძლიერებელი ელემენტი, რომელიც აკონტროლებს ევა გამოხატვა ზოლებით 2, 3 და 7. სხვა ელემენტები, რომლებიც არ არის ნაჩვენები დიაგრამაში, დევს ტრანსკრიპციის საწყისი ადგილიდან (მარცხნივ) და კონტროლიდან უფრო შორს. ევა გამოხატულება ზოლებით 1,4,5 და 6. ამ ზედა დინების ელემენტების წაშლა და მხოლოდ დიაგრამაზე ნაჩვენები ელემენტების დატოვება წარმოშობს ზემოთ ნაჩვენები გამოხატვის შაბლონს - ზოლები 2, 3 და 7. მხოლოდ ერთი ელემენტის აღება, ეს ზოლისთვის. 2, და მისი დაკავშირება რეპორტიორ გენთან იძლევა ზემოთ ნაჩვენები ნიმუში - მხოლოდ ზოლი 2. ველური ტიპი ევა გამოხატვის ნიმუში ნაჩვენებია მარცხნივ ზემოთ. (Gilbert, Development Biology 4th edition, თავი 15, p549 და Alberts et al. Molecular Biology of the Cell 3rd edition, Chapter 9 p428)

იგივე ეხება ბითორაქსის კომპლექსის რეგულირებას. -ის ტრანსკრიფცია Ubx, აბდ-ა და აბდ-ბ კონტროლდება გამაძლიერებელი ელემენტების სერიით, რომელთაგან თითოეული სპეციფიკურია კონკრეტული პარასეგმენტისთვის. ერთ-ერთის დაკარგვა Ubx გამაძლიერებლები გამოიწვევს დაკარგვას Ubx გამოხატულება შესაბამისი პარასეგმენტიდან და ამ პარასეგმენტის ტრანსფორმაცია. BX-C მუტაციები, რომლებიც ლუისმა აიღო თავის გენეტიკურ ეკრანზე (bx, pbx, bxd, iab2 და ა.შ) აღმოჩნდება ამ ტიპის მარეგულირებელი მუტაციები. Მაგალითად, bxd აკონტროლებს Ubx გამოხატულება A1 მუტაციებში bxd იწვევს Ubx ექსპრესიის დაკარგვას A1-ში და ჰომეოზურ ტრანსფორმაციას A1-ში T3-ში). ამრიგად, სეგმენტის იდენტურობის გარდაქმნები წარმოიქმნება დახვეწილი, პარასეგმენტისთვის სპეციფიკური ცვლილებების გამომხატველ ნიმუშებში. Ubx, აბდ-ა ან აბდ-ბ, არა მათი კოდირებული ცილების სრული დაკარგვა.


Აბსტრაქტული

გენომის ზუსტი დუბლირება საფუძვლად უდევს გენეტიკურ ჰომეოსტაზს. Metazoan Mdm2 დამაკავშირებელი ცილა (MTBP) ქმნის ძირითად მარეგულირებელ პლატფორმას საწყისი სროლისთვის Treslin/TICRR და TopBP1-თან ერთად (ტოპოიზომერაზა II დამაკავშირებელი ცილა 1 (TopBP1)–რეპლიკაციის მასტიმულირებელი პროტეინი/TopBP1 ურთიერთქმედების გამშვები პუნქტი და რეპლიკაციის რეგულატორი). ჩვენ ვახსენებთ MTBP-ის პირველ ყოვლისმომცველ ანალიზს და გამოვავლენთ კონსერვაციას და მეტაზოას სპეციფიკურ MTBP ფუნქციებს რეპლიკაციაში. ეს მიგვითითებს იმაზე, რომ მეტაზოებმა განავითარეს სპეციფიკური მოლეკულური მექანიზმები საფუარის რეპლიკაციის პრინციპების ადაპტაციისთვის უფრო რთული მეტაზოური უჯრედების სპეციფიკურ მოთხოვნებთან. ჩვენ აღმოვაჩენთ ერთ-ერთ ასეთ მეტაზოას სპეციფიკურ პროცესს: ახალი რეპლიკაციის ფაქტორი, ციკლინდამოკიდებული კინაზა 8/19-ციკლინC (Cdk8/19-ციკლინი C), უკავშირდება MTBP-ის ცენტრალურ დომენს. ეს ურთიერთქმედება საჭიროა ადამიანის უჯრედებში გენომის სრული დუბლირებისთვის. Cdk8/19-ციკლინ C-სთან MTBP-ის არარსებობის შემთხვევაში, უჯრედები შედიან მიტოზში არასრულად დუბლირებული ქრომოსომებით და შემდგომი ქრომოსომის სეგრეგაცია ხდება არაზუსტად. დისტანციური ჰომოლოგიური ძიების გამოყენებით, ჩვენ დავადგინეთ MTBP, როგორც საფუარის სინთეზური ლეტალური საფუარის მეტაზოური ორთოლოგი Dpb11 7-თან (Sld7). ეს ჰომოლოგია საბოლოოდ ცხადყოფს, რომ საფუარის ძირითადი ფაქტორების ნაკრები, რომელიც საკმარისია რეპლიკაციის დასაწყებად in vitro, კონსერვირებულია მეტაზოვაში. MTBP და Sld7 შეიცავს ორ ჰომოლოგიურ დომენს, რომლებიც არ არის წარმოდგენილი სხვა პროტეინში, თითო N და C ბოლოებში. MTBP-ში კონსერვირებული ბოლოები ფლანგავს მეტაზოას სპეციფიკური Cdk8/19-ციკლინის C შემაკავშირებელ რეგიონს და საჭიროა ადამიანის უჯრედებში ნორმალური წარმოშობის სროლისთვის. MTBP-ისა და Sld7-ის N ბოლოები იზიარებენ არსებითი წარმოშობის სროლის ფუნქციას, ურთიერთქმედებას Treslin/TICRR-თან ან მის საფუარის ორთოლოგი Sld3-თან, შესაბამისად. C ბოლოები შეიძლება ფუნქციონირებდეს ჰომოდიმერიზაციის დომენებად. ფართოდ კონსერვირებული და მეტაზოა-სპეციფიკური დაწყების პროცესების ჩვენი დახასიათება ქმნის ხერხემლიანებში რეპლიკაციის დაწყების შემდგომ მექანიკურ დისექციას. ეს არის პირველი ნაბიჯი უმაღლეს ევკარიოტებში წარმოშობის სროლის განსხვავებების გასაგებად.


ნაწილი 2: გენის რეგულირება: რატომ ასე რთული?

00:00:01.03 მე მქვია ბობ ტიიანი,
00:00:02.19 მე ვარ პროფესორი კალიფორნიის უნივერსიტეტში ბერკლიში,
00:00:06.19, სადაც მრავალი წელი ვასწავლიდი მოლეკულურ ბიოლოგიასა და ბიოქიმიას,
00:00:11.02 და ახლახანს, მე ასევე ავიღე ჰოვარდ ჰიუზის სამედიცინო ინსტიტუტის პრეზიდენტი.
00:00:16.26 და დიდი სიამოვნებაა დღეს გავაგრძელო ჩემი მეორე ლექცია ამ სერიაში,
00:00:22.29 რომ აღგიწეროთ რამდენიმე საინტერესო იდეა იმის შესახებ, თუ როგორ მუშაობს გენის რეგულაცია,
00:00:30.25 განსაკუთრებით უფრო რთულ ორგანიზმებში.
00:00:34.21 ახლა, ჩემს ბოლო ლექციების კრებულში, მე დაგიტოვეთ ეს შეხედულება სირთულის ტიპზე, რომელიც უნდა განვითარდეს
00:00:48.26 დაუშვას გენების გამოხატვის შაბლონების ტიპი, რომელსაც ჩვენ ვხედავთ ბევრ, ბევრ ორგანიზმში, რომელიც ჩვენ ვიცით, რომ არსებობს ამ პლანეტაზე.
00:01:00.29 ასე რომ, არის რამდენიმე მართლაც დამაინტრიგებელი კითხვა, რომლებზეც მე ვაპირებ განხილვას ამ მეორე ლექციაში.
00:01:09.15 და ერთი რამ, რაც მე დაგიტოვე, იყო მრავალი მოლეკულის ურთიერთდამოკიდებულების სურათი, რომლებიც უნდა გაერთიანდნენ,
00:01:18.26 და დაეშვა დნმ-ის მოლეკულის კონკრეტულ ადგილზე, რომელიც ორგანიზმის ქრომოსომის ნაწილია
00:01:24.25 ან ორგანიზმის უჯრედში და როგორ შეიძლება იმუშაოს ამ პროცესმა.
00:01:31.04 მაგრამ, ვფიქრობ, კითხვა, რომელიც გვაწუხებს ათწლეულების განმავლობაში,
00:01:35.20 ახლა, როდესაც ჩვენ გვქონდა უკეთესი წარმოდგენა იმის შესახებ, თუ როგორ გამოიყურება ეს მოლეკულური მანქანა, რომელიც მონაწილეობს დნმ ინფორმაციის დეკოდირებაში გენის ექსპრესიაში,
00:01:49.07 დავინტერესდით, რატომ არის ეს ასე რთული?
00:01:53.20 და ამ საკითხის განხილვის დასაწყებად, ნება მომეცით უბრალოდ დაგიბრუნდეთ მარტივ კონცეფციაში.
00:02:01.10 და თქვენ გახსოვთ, რომ სხვადასხვა ორგანიზმებს აქვთ სხვადასხვა ზომის გენომები,
00:02:08.00 ანუ დნმ-ის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა კონკრეტული ორგანიზმის კოდირებისთვის.
00:02:14.23 და აქ მოცემულია ორივე ბაქტერიის, მარტივი, ერთუჯრედიანი პროკარიოტული ორგანიზმების მაგალითი,
00:02:22.18 ისევე როგორც ერთუჯრედიანი ევკარიოტული ორგანიზმები, როგორიცაა მცხობელის საფუარი, და შემდეგ არის პატარა, მრგვალი ნიადაგის ჭია C. elegans,
00:02:30.25 და შემდეგ შეგიძლიათ ახვიდეთ ძუძუმწოვრებსა და ხერხემლიანებზე.
00:02:33.29 და პირველ რიგში დაინახავთ, რომ დნმ-ის რაოდენობა შეიძლება ძალიან განსხვავდებოდეს რამდენიმე მილიონი ბაზის წყვილიდან
00:02:40.17 3 მილიარდ ბაზის წყვილამდე ან მეტი.
00:02:45.00 დნმ-ის და ქრომოსომის სიგრძის ამგვარ გაფართოების დონესთან ერთად, თქვენ ასევე გაქვთ გენების სხვადასხვა დონე.
00:02:54.13 ახლა თქვენ შეამჩნევთ, რომ გენების დიაპაზონი გაცილებით ნაკლებია ვიდრე დნმ-ის სიგრძის დიაპაზონი,
00:03:00.20 ასე რომ, ეს ნაწილობრივ გვამცნობს, თუ რატომ გვჭირდება ის სირთულე, რომელიც საბოლოოდ აღმოვაჩინეთ
00:03:10.26 ამ მოლეკულური მექანიზმის ფორმირებაში, რომელიც პასუხისმგებელია გენეტიკური ინფორმაციის წაკითხვაზე.
00:03:17.22 ასე რომ, ეს არის მხოლოდ პატარა ცხრილი, რათა აღვნიშნო, რომ ეს უფრო რთული გენომები, რაც ასევე ნიშნავს უფრო რთულ ორგანიზმებს,
00:03:28.15 რაც ნამდვილად ნიშნავს უამრავ სხვადასხვა ტიპის უჯრედს, მრავალ განსხვავებულ ქცევას, მათ გარემოსთან რთულ ურთიერთქმედებას და ა.შ.
00:03:38.24 როგორ არის მთელი ეს ინფორმაცია გაშიფრული ჩვენი გენომებიდან?
00:03:43.03 და აქ ერთ მხარეს, თქვენ ხედავთ პროკარიოტული ბირთვის გენის მარეგულირებელ მექანიზმს,
00:03:50.07 ან ძირითადი ტრანსკრიფციის მექანიზმი და თითქმის ყველა ბაქტერიაში,
00:03:54.20 ეს მხოლოდ რამდენიმე პოლიპეპტიდია. 5, 6, 7 პოლიპეპტიდები.
00:04:00.00 შემდეგ, ამ მხარეს, ნახავთ, რომ ე.წ. ევკარიოტული ორგანიზმები,
00:04:05.00 და განსაკუთრებით როცა საუბრობთ მრავალუჯრედიან მეტაზოურ ორგანიზმებზე, ახლა თქვენ ხედავთ უზარმაზარ მრავალფეროვნებას და ცილების რაოდენობას ან,
00:04:15.17 როგორც ჩვენ ვუწოდებთ, ტრანსკრიფციის ფაქტორები, რომლებიც აუცილებელია ძალიან დიდ, მრავალქვეგანყოფილებიან ანსამბლებში შეკრებისთვის
00:04:25.18, რომლებიც საჭიროა 10,000-დან 30,000-მდე გენის ტრანსკრიფციისთვის, რომლებიც განსაზღვრავენ ამ უფრო რთულ ორგანიზმებს.
00:04:33.21 ასე რომ, მაშინვე ხედავთ, რომ არის ქვედანაყოფის და ტექნიკის ეს გამრავლება და სირთულე.
00:04:43.00 მაშ ასე, ამ ლექციაში, მე ვაპირებ მცირეოდენ გაგებას, იქნებ რატომ არის ასე,
00:04:49.11 და რა არის განსაკუთრებული უფრო რთული, მრავალუჯრედიანი ორგანიზმის შესახებ,
00:04:55.11 და რატომ უნდა ყოფილიყო ეს მანქანა უფრო დახვეწილი ევოლუციის გზით, უფრო მარტივ ორგანიზმებთან შედარებით.
00:05:05.07 ახლა, ერთ-ერთი პირველი რამ, რასაც ხვდები, როცა საკანში შეხედავ,
00:05:10.03 ან განსაკუთრებით უმაღლესი ორგანიზმის ბირთვი, ვთქვათ ჩვენი უჯრედები, ბაქტერიების წინააღმდეგ,
00:05:17.10 არის ის, რომ დნმ, სწორედ მოლეკულა, რომელიც ქმნის გენეტიკურ ინფორმაციას, შეფუთულია სხვაგვარად.
00:05:25.11 ასე რომ, ყველა ევკარიოტში, ორჯაჭვიანი დნმ არ ზის იქ იმ ფორმით, რასაც ჩვენ დავარქმევთ
00:05:33.29 "შიშველი" დნმ, რომელიც აქ ზემოთ არის ნაჩვენები. Არამედ,
00:05:38.17 ეს დნმ შეფუთულია ცილების ნაკრებით, ძალიან ძირითადი პროტეინებით, სახელწოდებით "ნუკლეოსომები".
00:05:46.00 და ისინი, თავის მხრივ, შეფუთულია უაღრესად შედედებულ ფორმამდე
00:05:52.09, რომელიც საბოლოოდ აყალიბებს ქრომოსომებს, რომელთა დანახვასაც შეძლებთ მიკროსკოპის ქვეშ.
00:05:57.26 და ლურჯი ფიგურები აქ და მწვანე ფიგურები უბრალოდ გაძლევენ ხედს
00:06:02.29 ნუკლეოსომის მაღალი გარჩევადობის სტრუქტურა მის გარშემო შემოხვეული დნმ-ით.
00:06:09.00 მაშ, რა არის ჩვენი მთელი დნმ-ის არსებობის შედეგი,
00:06:14.04 ყველა ჩვენი ქრომოსომა, შედედებული და შეფუთული ამ გზით?
00:06:18.09 შეგიძლიათ იფიქროთ, რომ ის შეფუთულია.
00:06:20.15 ერთი რამ არის ის, რომ თქვენ შეგიძლიათ ეს ყველაფერი ჩააგდოთ პატარა ბირთვში,
00:06:25.15 ასე რომ, თუ ჩვენ გავაფართოვებთ ჩვენს დნმ-ს ჩვენი სხეულის ყველა უჯრედში, ბოლოდან ბოლომდე
00:06:31.20 და სიმებივით გაიწელა, თითქმის მეტრი სიგრძისაა.
00:06:35.12 და მაინც, თქვენ უნდა მოათავსოთ ეს ყველაფერი პატარა, პატარა მოცულობაში.
00:06:39.10 და ამის ნაწილი არის ის, რომ თქვენ შეგიძლიათ შეკუმშოთ დნმ ამ სტრუქტურებით.
00:06:46.24 ახლა, ამის შედეგია, რა თქმა უნდა, როგორმე უნდა მოლაპარაკება
00:06:52.18 დნმ-ის ამ უაღრესად შეკუმშული ფორმის მეშვეობით დნმ-ის ინფორმაციაზე და გენებზე წვდომის მისაღებად.
00:07:00.12 ასე რომ, სხვაგვარად რომ ვთქვათ, თქვენ უნდა გქონდეთ მანქანა,
00:07:04.24 ტრანსკრიპციული აპარატი, რომლის ამოცანაა დნმ-ის კითხვა და, გახსოვთ პირველი ლექციიდან,
00:07:10.27 გარდაქმნის დნმ-ის ინფორმაციას რნმ-ად, შუალედურ მოლეკულად
00:07:14.23 რომელიც საბოლოოდ გადაიქცევა ცილოვან პროდუქტად.
00:07:18.19 კარგად, ცხადია, ერთ-ერთი მიზეზი, რის გამოც ჩვენ გვაქვს ეს ძალიან დახვეწილი ტრანსკრიპციული მექანიზმი
00:07:25.02 ნაწილობრივ არის საქმე ქრომატინის შაბლონში ნავიგაციასთან, შიშველი დნმ-ის შაბლონისგან განსხვავებით.
00:07:33.24 ასე რომ, არსებობს სხვადასხვა ცილები და ცილების კომპლექსები, რომლებსაც ე.წ
00:07:38.29 "ქრომატინის რემოდელირების კომპლექსები", "ქრომატინის მოდიფიკაციის კომპლექსები,"
00:07:44.12 და მათ უნდა კოორდინაცია გაუწიონ ტრანსკრიპციულ მექანიზმს აქ, ყვითელ და ნარინჯისფერში,
00:07:50.01 ნავიგაციის მიზნით და ძირითადად გამოხატოს მთელი რიგი ურთიერთქმედებები
00:07:55.08 ეს არის ტრანსაქციები ცილოვან აპარატსა და დნმ-ს შორის.
00:08:00.29 ასე რომ, ეს ძალიან რთული პრობლემაა.
00:08:04.10 ასე რომ, ეს არის პრობლემის ნაწილი, ან მიზეზი იმისა, თუ რატომ გვგონია ასეთი სირთულის არსებობა.
00:08:09.11 მაშ, როგორ მივედით ამ სურათამდე?
00:08:12.05 როგორ მივაღწიეთ საბოლოოდ იმის გარკვევას, რომ იყო 85-ზე მეტი ცილა, რომელიც ყველა უნდა შეიკრიბოს ქრომატინის შაბლონზე,
00:08:21.16 მოგცეთ გენის გამოხატულება და ტრანსკრიფცია, სწორ ადგილას, საჭირო დროს?
00:08:26.25 და მე მინდა შემოგთავაზოთ ერთი სახის სწრაფი მიმოხილვა ტექნოლოგიაში, რომელიც შეიძლება გამოიყენოს პრობლემის გადასაჭრელად,
00:08:37.03 როგორ დავყოთ ეს რთული მექანიზმი გასაგებ ერთეულებად?
00:08:42.29 და როგორც პირველ ლექციაზე ვთქვი, მოლეკულური ბიოლოგების მრავალი ინსტრუმენტი არსებობს
00:08:47.18 და ბიოქიმიკოსებს შეუძლიათ გამოიყენონ ამ რთული მოლეკულური ტრანზაქციების ამოხსნა.
00:08:53.18 ერთ-ერთი მათგანი, რა თქმა უნდა, არის გენეტიკა, რომელიც არის გენეტიკური მუტაციის გამოყენება.
00:08:58.29 ამოიღოთ ან შეცვალოთ ერთი კონკრეტული გენის პროდუქტი და შემდეგ ჰკითხოთ რა არის შედეგი.
00:09:05.06 ამის გაკეთების სხვა გზა არის რეალურად აიღოთ უჯრედი მთელი მისი სირთულით
00:09:10.02 და დაყავით ის ფაქტიურად მის შემადგენელ ნაწილებად და შემდეგ შეეცადეთ დააბრუნოთ იგი
00:09:14.09 ისევ ფუნქციონალური ფორმით. და სწორედ ამას ვაპირებ გაჩვენოთ დღეს.
00:09:18.00 და ეს არის ტექნოლოგია, რომელსაც მე ვუწოდებ "ბიოქიმიური კომპლემენტაციის ანალიზს".
00:09:23.03 და ეს ძალიან მარტივია: თქვენ ჰკითხავთ, რა არის მინიმალური კომპონენტები,
00:09:27.24 მაგალითად, ადამიანის გენის შემთხვევაში. რა არის ტრანსკრიპციული აპარატის მინიმალური ცილოვანი კომპონენტები
00:09:33.29 რომ შეგიძლიათ ამოიღოთ უჯრედის ბირთვიდან, რომელიც უნდა ჩადოთ სინჯარაში
00:09:38.19 რაც საშუალებას მოგცემთ არსებითად აღადგინოთ ან, როგორც ჩვენ ვამბობთ,
00:09:42.19 აღადგენს აქტივობას, რომელიც საშუალებას მოგცემთ წაიკითხოთ გენი ზუსტად?
00:09:48.19 და შეგიძლიათ გააგრძელოთ სხვადასხვა ცილების დამატება ან წაღება,
00:09:53.13 ყვითელი, მწვანე, ნარინჯისფერი და ასე შემდეგ,
00:09:56.24 და იკითხეთ, აქვს რაიმე განსხვავება?
00:09:59.11 და ამ შეკრების და გამოკლების, ან "ბიოქიმიური კომპლემენტაციის" თამაშით,
00:10:04.29 თქვენ შეგიძლიათ ძალიან სწრაფად აღმოაჩინოთ რა არის მინიმალური კომპონენტები, რომლებიც გჭირდებათ გენის რეგულირებული გზით გასააქტიურებლად,
00:10:11.12 და კიდევ რა არის საჭირო ამ აქტივობის მხარდასაჭერად.
00:10:16.15 ასე რომ, პირველი შეკითხვა, რომელიც დაისვა იყო დაახლოებით ბიოქიმიური ანალიზიდან
00:10:24.02 ოთხი ათეული განსხვავებული ცილა: რა არის ნამდვილად საჭირო და საკმარისი?
00:10:30.07 სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, რა არის მინიმალური კომპონენტების ნაკრები, რომელიც გჭირდებათ რეგულირებული ტრანსკრიფციის შესაქმნელად?
00:10:36.29 ასე რომ, ჩვენ ახლა უფრო რთულ კითხვას ვსვამთ.
00:10:39.09 არა მხოლოდ ის, რაც საჭიროა უბრალოდ ტრანსკრიფციის გასაცემად, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, დნმ-ის რნმ-ად გარდაქმნა,
00:10:45.29 მაგრამ ამის გაკეთება რეგულირებული გზით.
00:10:47.27 რადგან ბოლოს და ბოლოს, ეს არის ის, რაც ნამდვილად საინტერესოა.
00:10:50.23 ამიტომ ერთი უჯრედი ამას აკეთებს ერთი გზით და სხვა უჯრედს აქვს განსხვავებული პროგრამა.
00:10:55.25 და ეს ექსპერიმენტი აქ ამბობს, რომ ჩვენი თანმიმდევრობის სპეციფიკური კლასიკური ტრანსკრიფციის ფაქტორი, რომელიც
00:11:02.00 აკავშირებს დნმ-ს მის მარეგულირებელ პრომოტორ რეგიონთან ერთად, რასაც ჩვენ ვუწოდებთ "ბირთს" ან
00:11:09.07 ტრანსკრიფციის "ბაზალური" მექანიზმი აუცილებელია, მაგრამ არა საკმარისი.
00:11:14.07 ასე რომ, პლიუს ან მინუს აქტივატორი Sp1 არავითარი განსხვავება არ არის,
00:11:19.16 მიუხედავად იმისა, რომ ვიცით, რომ ცოცხალ უჯრედში Sp1 ძლიერ ააქტიურებს ამ გენს, რომელსაც ჩვენ ვუყურებთ.
00:11:26.16 ეს ნიშნავს, რომ რაღაც აკლია ამ აღდგენის ექსპერიმენტს.
00:11:31.16 მაშ, როგორ ვიპოვოთ ის, რაც აკლია?
00:11:35.03 და ეს ბიოქიმიური კომპლემენტაცია ნამდვილად ეყრდნობა ჩვენს უნარს ავიღოთ უჯრედები, რომლებიც შეიცავს აუცილებელ კომპონენტებს
00:11:43.25 და საკმარისი კომპონენტები და შემდეგ დაიწყეთ მისი ამოღება
00:11:47.28 და რომ ვიპოვოთ რომელი მოლეკულები აკლია, რომელსაც ჯერ არ ვამატებთ ჩვენს რეაქციას.
00:11:54.05 და ამისათვის ჩვენ ძირითადად უნდა ავიღოთ უჯრედები, ამ შემთხვევაში, ადამიანის უჯრედები,
00:11:58.28 დაარღვიე უჯრედები, ამოიღეთ ბირთვი, ამოიღეთ ყველა ცილა ბირთვიდან,
00:12:04.03 და დაიწყეთ ათასობით სხვადასხვა ცილის გამოყოფა
00:12:08.05 რომლებიც ბირთვშია სხვადასხვა აუზებში, თუ გნებავთ.
00:12:12.08 და ჩვენ გამოვყოფთ მათ მათი ფიზიკური და ქიმიური თვისებების მიხედვით,
00:12:17.19 და ზოგიერთ თქვენგანს ალბათ გქონიათ გარკვეული გამოცდილება სვეტის ქრომატოგრაფების გაშვებაში.
00:12:23.16 ეს ძირითადად არის ცილების გამოყოფის გზა მათი დადებითი მუხტის, უარყოფითი მუხტის, მოლეკულური ზომის მიხედვით,
00:12:32.16 ჰიდროფობიურობა (სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, რამდენად ცხიმიანია ისინი. რამდენად კარგად ურთიერთობენ ისინი წყალთან) და ა.შ.
00:12:38.20 ასე რომ, თუ ამას გააკეთებთ განმეორებით, როგორც ეს ნაჩვენებია სხვადასხვა ანიონის გაცვლის სერიაში
00:12:45.23 და კათიონური გაცვლა, ასევე გელის ფილტრაცია, ქრომატოგრაფი,
00:12:50.12 საბოლოოდ შეგიძლიათ გამოყოთ ბირთვული ამონაწერის ათასობით სხვადასხვა კომპონენტი მის ცალკეულ ნაწილებად.
00:12:59.00 და შემდეგ შეგიძლიათ შეამოწმოთ თითოეული მათგანი, რომ ნახოთ, არის თუ არა ისინი დაკარგული ნაწილი.
00:13:03.15 და როცა ამას აკეთებთ, აჰა, აღმოაჩენთ, რომ რამდენიმე ცალი აკლია
00:13:07.22, რომლებიც აუცილებელია იმისათვის, რომ დაამატო, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, აღადგინო რეაქცია
00:13:13.12 ასე რომ, ახლა თქვენ დაარეგულირეთ ტრანსკრიფცია.
00:13:15.27 ასე რომ, წინა მონაცემებისგან განსხვავებით, რომელიც მე გაჩვენეთ,
00:13:19.14 ახლა თქვენ ხედავთ, რომ მანქანა უფრო რთულია და, რაც მთავარია,
00:13:24.23 თქვენ ასევე შეგიძლიათ ნახოთ, რომ მანქანა ახლა რეაგირებს აქტივატორზე.
00:13:29.19 ასე რომ, სიგნალი აქტივატორთან, პლუს Sp1, გაცილებით მუქია, ვიდრე Sp1-ის გარეშე სიგნალში.
00:13:36.13 ეს ნიშნავს, რომ არსებობს გააქტიურებული ტრანსკრიფცია, რომელიც დამოკიდებულია Sp1-, კლასიკური ტრანსკრიპციის ფაქტორი.
00:13:43.11 ასე რომ, ამან მოგვცა საშუალება განვსაზღვროთ ორი ძალიან მნიშვნელოვანი, ძირითადი კომპონენტი, რომელთა შესახებაც არ ვიცოდით ამ ექსპერიმენტის გაკეთებამდე:
00:13:51.29 ერთი არის მრავალ ქვედანაყოფის კომპლექსი, რომელსაც ეწოდება "ტრანსკრიფციის ფაქტორი II D",
00:13:57.25 და მეორეს ეწოდება მედიატორის კომპლექსი.
00:14:01.01 და აღმოჩნდება, რომ ეს რეალურად განსაზღვრავს ტრანსკრიფციის ფაქტორების სრულიად ახალ კლასს, რომლებიც ე.წ. კო-ფაქტორებია.
00:14:09.27 ასე რომ, მე ვაპირებ ცოტა მეტს გეტყვით ერთ-ერთი ამ თანაფაქტორების შესახებ,
00:14:13.15 იმიტომ, რომ ორივე ნამდვილად ასრულებს მსგავს ფუნქციებს,
00:14:16.13 მაგრამ ჩვენ საკმაოდ ცოტა მეტი ვიცით ერთი მათგანის შესახებ, ვიდრე მეორეზე.
00:14:20.17 ამ ეგრეთ წოდებულ TFIID კომპლექსს აქვს დაახლოებით 15 ქვედანაყოფი, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ,
00:14:25.28 15 ცალკეული ცილა, რომლებიც უნდა შეერწყას ერთმანეთს კომპლექსის შესაქმნელად.
00:14:31.22 და ეს არის ძალიან დიდი მაკრომოლეკულა, ამიტომ არის მილიონი დალტონი.
00:14:36.23 that's a very, very large, floppy molecule, with many pieces to it.
00:14:41.12 One of its functions you already know about,
00:14:43.16 because it contains as one of its subunits the so-called "TATA-binding protein."
00:14:48.12 That's that saddle-shaped molecule that binds to double-stranded DNA,
00:14:55.02 at the AT-rich sequence called a TATA box,
00:14:58.06 which is associated with many genes in animal cells.
00:15:02.09 But what we've come to learn in the last decade or so is that this little complex
00:15:07.22 is doing much more than just simply binding to the TATA box
00:15:11.18 it's doing a whole bunch of other things that we didn't have any idea about.
00:15:15.12 And now that we knew the existence of this activity and that it was critical not only for TATA binding,
00:15:22.08 but also for mediating or potentiating transcription activation, we then could break down
00:15:28.04 more of its functions of individual subunits, because you remember there's 15 different polypeptides here.
00:15:34.09 And this is just a little summary showing you that this complex of proteins
00:15:38.11 is doing a lot of different functions.
00:15:41.18 It's recognizing the nucleosomes, which have a basic protein called a "histone,"
00:15:49.26 and so it recognizes histones only when it's got
00:15:53.09 a certain chemical modification called an acetylation event.
00:15:59.12 This big orange complex also itself has enzymatic activity, including kinase activity,
00:16:06.06 which can put phosphate groups on other proteins and enzymes.
00:16:10.04 It has acetylase activity, and of course, it has to interact directly
00:16:15.05 with activators in order to potentiate their function in turning on transcriptional activation.
00:16:22.07 And I'm probably safe in speculating that
00:16:26.20 there are yet unknown functions of this large complex that we still have to discover,
00:16:32.23 because we've really only understood maybe half of the subunits, and even there,
00:16:37.25 only partially understood the functions of that half of the subunits that are part of this complex.
00:16:44.05 So, there's clearly much more work to be done, but I think what's clear from these experiments
00:16:48.25 is that these proteins are doing a lot more than just binding DNA.
00:16:53.08 They're what I would think of as integrators of information.
00:16:58.01 So, this integrator of information means that this structure and the function is very complex, and so,
00:17:04.27 one of the things that we've had to do.
00:17:08.00 it's been a very challenging problem that remains challenging,
00:17:11.21 because we haven't solved all the technical problems.
00:17:13.18 is that because it's a large, megadalton, floppy molecule, solving the three-dimensional
00:17:19.25 structure of such large assemblies has proven to be rather technically challenging.
00:17:26.08 And we have to use many different techniques to try to address this in:
00:17:31.28 X-ray crystallography, NMR.
00:17:34.07 but one of the techniques that's emerging, that's very, very powerful
00:17:38.09 for solving the structures of these large assemblies is something called "cryo-electron microscopy."
00:17:46.24 It's basically a way of freezing these large assemblies in place,
00:17:52.18 and then solving their structure by microscopy.
00:17:55.29 And this is just about a 25 angstrom, so relatively low-resolution structural determination,
00:18:03.17 of the human TFIID complex and, most importantly,
00:18:08.24 its relationship to two other transcription factors that are part of the assembly
00:18:14.03 that has to align itself up on the promoter to start transcription,
00:18:18.08 and that's the other two transcription factors TFIIA and B, which are shown in green and purple here.
00:18:24.13 So you can slowly start building up the entire complex in pretty accurate three-dimensional space
00:18:33.00 to figure out what its shape will inform us about its function,
00:18:37.15 and that's something that's an ongoing project in many laboratories in molecular biology.
00:18:43.01 So, this cartoon. and again I want to emphasize that
00:18:46.27 all the figures there and the colored blobs are more a part of our imagination at this point,
00:18:53.16 although, as I just showed you, we actually have real structures of some components of this pre-initiation complex.
00:19:02.25 This slide just emphasizes the point that there's a lot of information integration going on,
00:19:09.22 and that there is protein-protein and protein-nucleic acid interactions
00:19:15.06 that are critical for the regulatory functions of these large, macromolecular assemblies.
00:19:21.02 And this also reminds you that there are at least three separate classes of transcription factors
00:19:27.17 that are playing a key role in the regulation of genes:
00:19:30.28 the classical activator and repressor that are sequence-specific DNA-binding proteins,
00:19:35.26 like the Sp1 protein I talked to you about earlier, just shown here in pink
00:19:41.11 there are the components of the core machinery, which are shown in yellow
00:19:45.27 and then you have these things we call co-factors or co-activators,
00:19:49.12 that are integrating information between the activators and the core machinery.
00:19:56.06 So this kind of gives you a slightly better view of why there's this kind of complexity,
00:20:04.06 but it still doesn't really address all of the issues with respect to:
00:20:09.22 Why do you need 85 proteins to do this?
00:20:12.09 So, let me dig a little deeper into this.
00:20:15.00 So, first, let me just pose some of the questions that are really still largely unresolved in the field,
00:20:21.14 even though this is a pretty mature area of study
00:20:24.10 we've been trying to address these issues for a couple of decades,
00:20:28.14 and it goes to show how difficult it is to really tease apart this complex molecular machinery.
00:20:34.23 And I should say that the complexity of this machinery is not unique
00:20:38.19 to the transcriptional apparatus. Many other biological processes are also dependent on
00:20:43.23 macromolecular machines that are very similar in complexity to this one.
00:20:49.04 So I think things that we learn about the transcriptional machinery could be applied in principle to many other machineries.
00:20:56.20 So, couple of interesting questions:
00:21:00.20 What are the transcriptional mechanisms that regulate complex cell types?
00:21:06.29 Because, after all, multicellular organisms evolved to having many, many different
00:21:13.12 cell types, so our bodies are made up of many different cell types,
00:21:18.23 which means that each cell's performing a different function.
00:21:22.02 Our hair follicle cells are producing hair, our red blood cells are
00:21:27.02 producing hemoglobin and doing something else, our skin cells are protecting us.
00:21:31.17 Each cell type is doing a different thing, so how does this happen,
00:21:36.01 how do we generate this diversity of cell types through the gene regulatory networks?
00:21:42.17 And then, knowing what we now know about the first level of complexity of the machinery
00:21:49.04 that's responsible for decoding this information, what more can we learn about the process of regulation now?
00:21:57.03 Particularly, what is the division of labor between the core machinery
00:22:03.24 (which binds to the promoter), the activators, and the co-activators?
00:22:08.22 So, what is their relationship, and what's their respective roles in defining cell type-specific gene expression?
00:22:16.19 That's really the last topic that I want to cover in this lecture.
00:22:21.06 So, let's review a few basic facts about individual cell types.
00:22:26.13 So, let's take two well-recognized cell types: fat cells and muscle cells.
00:22:33.12 Very different cells that perform very different functions,
00:22:36.27 but every cell in a particular organism has the same genetic information.
00:22:43.04 It has the same DNA, it has the same set of chromosomes.
00:22:46.08 That means that these two cells have to be using different parts of the information
00:22:52.09 from the genome to give it their distinct identities.
00:22:56.20 So, each cell must only express some subset of the genes,
00:23:03.21 and that particular subset would define the function of a fat cell versus a muscle cell.
00:23:10.11 And, so then the question becomes:
00:23:12.26 Okay, that makes sense, but how do you get there?
00:23:15.02 How do you get cell type-dependent differential gene expression patterns?
00:23:20.16 How do you turn on the right genes to make fat
00:23:22.27 versus keeping the muscle cell gene functions turned off, and vice versa?
00:23:29.06 So that is a fundamental question of trying to understand the process of cellular differentiation,
00:23:36.19 cell-specific function, and really, developmental biology.
00:23:41.09 Another set of interesting points to make is that, of the 20,000 to 30,000 genes
00:23:46.18 that a typical metazoan organism encodes, a pretty big chunk of it is devoted
00:23:54.03 to the very machinery that I'm talking about, in other words, the transcription factors.
00:23:59.04 So roughly somewhere between 5 and 10% of the entire coding capacity
00:24:04.02 of genes in a genome is devoted to encoding transcription factors.
00:24:10.11 So this is clearly a very important class of molecules.
00:24:13.02 So that means there are several thousand transcription factors.
00:24:16.28 But now if you start thinking about the many, many thousands of cell types and the behavior of different cells,
00:24:23.16 are a few thousand transcription factors, in and of themselves, enough to generate the diversity of function?
00:24:31.14 And this is where we have to start thinking about,
00:24:33.21 how do you create really large numbers of distinct transcriptional networks?
00:24:40.28 And they really are networks, as you'll see in a minute.
00:24:43.15 And one thing that became clear as we defined what genes look like and what a promoter as a transcriptional unit looks like,
00:24:51.22 we come to understand that the only way to create the kind of huge levels of diversity of distinct transcriptional
00:24:58.20 components and patterns, is to do it by combinatorial regulation.
00:25:03.12 And what do I mean by that?
00:25:04.27 So, one way to think about it is that you might only have ten cards,
00:25:09.25 but if you shuffle those ten cards and pick four at a time,
00:25:13.06 you can have many, many combinations.
00:25:15.11 So here's a perfect example of three different cell types, could be in the same organism,
00:25:20.11 and each of those symbols represents binding sites,
00:25:25.22 and then the little boxes and triangles above them represent the binding proteins.
00:25:32.18 And you can see that those three cell types might express these sets of genes in similar ways,
00:25:38.25 but they use different combinations of proteins to do it.
00:25:42.08 And this is really the notion of combinatorial mechanisms for gene regulation,
00:25:46.27 and we now know that that is indeed the way, at least in part,
00:25:51.05 that gives us the ability to create many different specific transcription patterns.
00:26:00.04 I have to now also tell you about another, I would say, defining,
00:26:04.23 unusual property of transcription in animal cells,
00:26:09.06 and this is a hard one sometimes to get your head around.
00:26:12.19 And that is that these different little units of DNA that specify the activity of a gene
00:26:18.20 don't have to be sitting, linearly and spatially, directly next to the gene that it's activating or repressing.
00:26:26.21 They can sit tens of thousands of base pairs away from the site.
00:26:32.04 So these we call long-distance enhancers or silencers, so they can both upregulate a gene.
00:26:39.01 in other words, make more of the gene or less or the gene.
00:26:41.27 And the thing that was so surprising was that the intervening DNA can be very, very long
00:26:48.04 it can be thousands and maybe even millions of base pairs.
00:26:53.00 So how does this work?
00:26:53.28 How can something sit so far away actually influence transcription at a very remote site?
00:27:00.26 And this is one of the big conundrums that we still face in the field.
00:27:05.15 We have some models and we have some ideas that we can test,
00:27:08.09 and I'll end my lecture with a few speculations about that.
00:27:11.24 But clearly, we don't fully understand this so-called long-distance regulation,
00:27:16.27 which clearly is regulated by activators and repressors just like
00:27:21.09 the same players that we've been talking about, like the Sp1 molecule and other activators.
00:27:26.12 But yet, how they can reach across long distances of the chromosome to grab on to the core machinery to actually impart information
00:27:36.06 and to create the kind of specific regulatory events is still somewhat obscure.
00:27:43.28 So, another thing that I should say is that,
00:27:47.07 because of the combinatorial mechanisms of generating diversity was so dependent
00:27:54.18 on the distinct sets of sequence-specific DNA-binding proteins,
00:28:00.12 over the last two decades we've come to kind of a traditional model that the core machinery stays relatively invariant.
00:28:10.04 In fact, we kind of think of it as universal, because if you break open a nucleus of a very
00:28:15.11 simple organism like yeast, or you break open the nucleus of a human cell,
00:28:21.22 that machinery looks remarkably similar to each other.
00:28:24.26 And yet, their gene networks are very, very different, so we thought,
00:28:29.05 well, maybe it's all having to do with the sequence-specific DNA-binding proteins,
00:28:34.07 that will generate the diversity through combinatorial regulation.
00:28:38.25 And that's probably true in fact, there's a lot of evidence to support that.
00:28:42.27 But it was only part of the story.
00:28:45.04 So, a kind of related question would be:
00:28:47.25 Are we really right in thinking that the core machinery is universal and invariant?
00:28:54.03 And that turns out to be an oversimplification.
00:28:57.06 So it turns out evolution didn't work that way.
00:29:02.26 And when we looked very carefully in the last few years, particularly at individual,
00:29:07.02 different, distinct cell types, let's say muscle versus fat, or neuron, or liver cell,
00:29:13.01 we certainly see differences in the activators, as we would expect, and indeed they are working in combinatorial fashion,
00:29:20.02 but they're not only working combinatorially with each other,
00:29:23.06 but they are combining in different combinations with the core machinery, which is itself variable.
00:29:29.23 And that was kind of a revelation that's really become more clear just in the last few years.
00:29:35.29 So, in addition to the sequence-specific binding proteins and their diversity,
00:29:41.10 there turns out to be a much greater degree of diversity in the core machinery,
00:29:46.09 the parts that we thought were invariant, than we ever imagined.
00:29:50.11 Now, once you realize that that's the case,
00:29:54.07 that opens up a whole other level of generating diversity that we didn't anticipate,
00:29:59.13 and that of course really allows multicellular organisms to diversify in unbelievable ways.
00:30:06.18 So, let's drill down finally a little bit at how did we find this out, and where are we going?
00:30:13.08 So now, unlike a few decades ago when we first began to study the process of transcription
00:30:20.02 and discovered all of this initial complexity, in those days we mainly worked on just a few different cell types.
00:30:28.13 But today, we have the ability technically to work with just about any cell type,
00:30:33.18 from the most complex, such as embryonic stem cells,
00:30:37.13 to perhaps the simple cell, like the skeletal muscle, and everything in between.
00:30:41.18 liver cells, neuronal cells, and so forth.
00:30:45.03 And this has really opened up our view of just how diverse, interesting,
00:30:51.17 and variable the transcriptional apparatus is, that is probably really necessary
00:30:56.18 from an evolutionary standpoint to drive the diversity of gene expression and cell types that we see.
00:31:04.10 The first hint that this core machinery that we thought was so invariant may not be so invariant,
00:31:10.14 came from studying the development of the skeletal muscle.
00:31:14.21 So when you go from a precursor cell called a myoblast, which looks like most every other mammalian cell,
00:31:21.13 with its standard, prototypic core machinery, and then when you look at it when that cell type differentiates, in other words,
00:31:29.16 specializes into a myotube (which will ultimately form skeletal muscle, which is the muscle around your large bones
00:31:37.03 that makes you be able to move),
00:31:39.16 it turns out that it not only shifts which transcriptional activators it uses,
00:31:45.05 but it also jettisons the prototypic core machinery and substitutes it with some modified versions of that core machinery,
00:31:53.21 which is shown down here in the purple and the bright blue.
00:31:57.29 So this was really a change in the paradigm of the way we're thinking about regulation,
00:32:03.08 and of course, this was just the first example.
00:32:07.08 One wanted to know if similar things were happening in other different cell types, and very quickly,
00:32:13.04 if you look at hepatocytes or liver cells, if you look at adipocytes or fat cells,
00:32:18.21 if you look at neuronal cells, and you compare what's going on in muscle,
00:32:23.07 in every case, one can find changes in the core machinery, either because a particular component
00:32:28.28 like one of the TBP-associated factors is highly upregulated (that means its concentration went way up,
00:32:35.15 when all the other ones went down), or some other permutation.
00:32:39.09 In other words, clearly, components of the so-called core machinery were variable from cell type to cell type,
00:32:46.20 and that really changed the way we thought about how regulation of multicellular organisms works.
00:32:54.28 At the same time that we were looking at these,
00:32:57.17 what we would call mature, terminally differentiated cell types,
00:33:01.20 we were also looking at perhaps one of the most interesting cell types that we could study,
00:33:06.18 particularly if we're interested in understanding the process of mammalian development,
00:33:11.23 and those are of course the embryonic stem cells.
00:33:14.14 These are those amazing cells that, when tickled with just the right chemicals or physiological signals,
00:33:21.08 can turn themselves into every cell type of an organism, maybe 10,000 different cell types.
00:33:31.06 So, this so-called pluripotency made these human and mouse embryonic stem cells very special for all kinds of reasons,
00:33:41.05 partly because they are amazing models to study this process of development and differentiation,
00:33:46.18 but partly because of biomedical possibilities for cell regeneration and therapeutics.
00:33:57.02 So we've studied this, and these are very, very new studies,
00:34:01.27 and I'll just very quickly touch on it. We really were curious,
00:34:05.23 how can these cells be so pluripotent?
00:34:09.08 That is, their capacity to turn into every other cell type seems so amazing, what is the mechanism,
00:34:15.07 what's the machinery that's going to allow these cells to be able to differentiate into every cell type in the body?
00:34:22.16 And so, we began to probe this.
00:34:24.27 In some cases, we did it by the genetic technology, which is we made
00:34:29.08 mutations in certain candidate regulatory factors and transcription factors,
00:34:34.10 and then asked, does that have a consequence on the development of different cell types?
00:34:41.10 In other cases, we used a standard biochemical complementation technology to figure out what's going on.
00:34:47.21 So, I'll finish with two quick stories.
00:34:51.06 So, using the genetic tools of knocking genes out and asking
00:34:55.02 what effect it has on differentiation and pluripotency, we discovered that
00:35:01.15 a component of the core machinery (or at least we used to think of it as being purely of the core machinery),
00:35:07.07 that is, one of the TBP-associated factors, particularly TAF3,
00:35:11.26 turns out to be extremely important for the regulation and
00:35:15.23 expression of genes that will ultimately define the so-called endoderm.
00:35:23.17 And that's true for both the so-called primitive endoderm and the definitive endoderm,
00:35:28.04 which ultimately will give rise to the placenta, the yolk sac, lungs, liver,
00:35:32.12 pancreas, intestines, and so forth.
00:35:34.17 At the same time, knocking out this TAF3 had the opposite effect on the other two major germ layers,
00:35:42.09 which are the mesoderm and the ectoderm.
00:35:44.13 So here was a really beautiful case of differential function of a transcription factor
00:35:50.28 that was not a standard sequence-specific binding protein.
00:35:55.09 This core machinery factor, which by the way, probably on its own doesn't even bind to DNA directly,
00:36:01.20 when you knock it out, you lose the ability to form endoderm,
00:36:05.22 but you elevate the probabilities of forming mesoderm and ectoderm.
00:36:09.18 In other words, the balance between these different cell types gets messed up,
00:36:13.20 and of course this will cause major difficulties for a developing embryo.
00:36:21.16 Even more interesting and intriguing, and this really goes to show the level of information that we still lack,
00:36:28.15 although TAF3 was originally defined both genetically
00:36:32.04 and biochemically as part of the TFIID core promoter recognition complex,
00:36:37.02 and it is absolutely true that that is the case,
00:36:40.04 it had another life that it led that we didn't know about.
00:36:43.17 So TAF3, it turns out, it doesn't have to strictly function as part of this large multi-subunit core promoter complex,
00:36:52.17 but it can also do other jobs, and in this case, it pairs up, or partners up,
00:36:57.06 with a different transcription factor called CTCF (doesn't really matter what the name is)
00:37:03.02 and now it does its job in a completely different way.
00:37:06.16 And in fact, the most recent experiments suggest that TAF3 and CTCF get together
00:37:12.03 to partly allow that amazing property of long-distance regulation.
00:37:17.25 So, regulators bound at thousands of base pairs away from the site of activity
00:37:24.21 can be brought together in three-dimensional space by what's known as "DNA looping,"
00:37:31.04 and it turns out that TAF3 is involved in this DNA looping, together with a whole bunch of other proteins,
00:37:38.00 whose relationship to TAF3 is still not entirely clear.
00:37:45.02 And we find it particularly intriguing and exciting that this type of long-distance function is being
00:37:50.06 carried by a TAF and in the context of embryonic stem cell differentiation potential to form endoderm.
00:37:57.19 So this is a very, very new type of way of thinking about the core transcription factors.
00:38:06.11 Likewise, when we looked at the embryonic stem cell transcriptional circuitry and asked,
00:38:13.20 what other transcriptional co-regulators, or regulators and co-factors,
00:38:17.18 are necessary to allow this so-called pluripotency program?
00:38:23.01 This amazing ability of these cells to be able to differentiate into every other cell type,
00:38:27.03 how does that happen? What is allowing that to happen
00:38:30.23 in this particular cell type, and not in other cell types?
00:38:33.23 And again, using the biochemical complementation technology,
00:38:38.00 we recently were able to identify a new co-factor complex, again a multi-subunit complex,
00:38:45.15 called the SCC, or "stem cell co-factor."
00:38:49.25 And remarkably, this SCC-B turns out to be a well-known protein that again had a different lifestyle in other cell types.
00:38:59.18 It's a protein complex that had previously been described as XPC,
00:39:03.29 which stands for "Xeroderma pigmentosum, complex C,"
00:39:08.22 which means that it's involved in DNA repair.
00:39:11.07 So up until now, we thought XPC was only functioning as a DNA repair complex,
00:39:16.14 and now we know that it's doing something quite different,
00:39:19.12 but only in the context of ES cells, which is to form a co-factor complex that will potentiate
00:39:25.27 the activity of two critical transcriptional activators, Oct4 and Sox2,
00:39:31.21 which define the pluripotent, self-renewing state of ES cells.
00:39:36.20 So these are just two examples of sort of what we're learning about,
00:39:41.21 the continuing saga of how transcriptional machinery evolved and works in animal cells.
00:39:50.26 And I'll finish with this last model slide,
00:39:54.00 which just simply reiterates what I just said:
00:39:57.00 We have to keep in mind that, in generating large sets of combinatorial, specific gene networks,
00:40:07.07 we have to use the diversity not only of sequence-specific DNA-binding proteins,
00:40:11.29 but we more and more see examples that components of the previously thought to be invariant core machinery
00:40:19.14 are an integral part of diversifying the combinatorial regulation of gene expression.
00:40:26.18 And this of course opens up many new possibilities,
00:40:30.08 and I suspect that there are many question marks yet about what exactly each of these components
00:40:36.27 is doing to drive complex regulation that gives rise to complexity like human beings,
00:40:44.12 the human brain, all the physiology that goes on.
00:40:48.03 And of course, as we understand these mechanisms in greater detail,
00:40:51.23 I think we have a much better chance of tackling the problems of human disease and diseases of other organisms.
00:40:59.10 Because ultimately, we have to understand the molecular basis of disease,
00:41:03.21 and I think a big part of that is understanding the mechanisms of gene regulation.

  • Part 1: Gene Regulation: An Introduction

Difference between Eukaryotic and Prokaryotic Promoters

In prokaryotes, the promoter consists of two short sequences at -10 and -35 positions up­stream from the transcription start site.

მე. The sequence at -10 is called the Pribnow box, or the -10 element, and usually consists of the six nucleotides TATAAT. The Pribnow box is absolutely essential to start transcrip­tion in prokaryotes (Fig. 8.6).

ii. The other sequence at -35 (the -35 element) usually consists of the six nucleotides TTGACA. Its presence allows a very high transcription rate.

Difference # Eukaryotic Promoters:

Eukaryotic promoters are extremely diverse and are difficult to characterize. They typically lie upstream of the gene and can have regulatory elements several kilobases away from the transcriptional start site. In eukaryotes, the transcriptional complex can cause the DNA to bend hack on itself, which allows for placement of regulatory sequences far from the actual site of transcription. Many eukaryotic promoters, contain a TATA box (sequence TA- TAAA), which in turn binds a TATA binding protein which assists in the formation of the RNA polymerase transcriptional complex. The TATA box typically lies very close (Fig. 8.7) to the transcriptional start site (often within 50 bases).

Promoters in eukaryotic organisms- e.g. plants, animals- comprise multiple elements, some of which are found in nearly all promoters (Table 8.3).

A consensus sequence close to -80 bp from the start point (+1). It plays an important role in promoter efficiency, by increasing its strength, and it seems to function in either orientation. This box is replaced in plants by a consensus sequence called the AGGA box.

A sequence usually located around 25 bp upstream of the start point. The TATA box tends to be surrounded by GC rich sequences. The TATA box binds RNA polymerase II and a series of transcription factors [TFIIX, X being a letter that identifies an individual transcription factor (TF)] to form an initiation complex.

A sequence rich in guanidine (G) and cytidine (C) nucleotides, is usually found in multiple copies in the promoter region, normally surrounding the TATA box.

A transcription initiation sequence or start point defined as +1, at which the transcription process actually starts.

RNA polymerase II is the enzyme that transcribes a gene into RNA. It works in conjunc­tion with other transcription factors that recognize signals embodied in the promoter region. RNA polymerase II starts its “journey” at the TATA region where it binds and travels along the DNA until it reaches the CAP site where the actual synthesis of RNA starts. The tran­scription process only takes place in the downstream direction, from 5′ (left) to 3′ (right).


D2. Control of Transcription in Prokaryotes - Biology

An organism's DNA encodes all of the RNA and protein molecules required to construct its cells. Yet organisms are able to differentially express their genes to make cell-specific products necessary for cellular development at specific times. In the next section, we'll look at these processes in eukaryotic cells for now, we'll focus on the regulatory processes governing gene expression in prokaryotes&mdashrules that are necessary in determining which subset of genes are selectively expressed or silenced in the prokaryotic cell.

The simplest example of an on–off switch that regulates gene expression levels in prokaryotes was discovered in E. coli. E. coli regulates the expression of many genes according to food sources that are available in the environment. For example, five genes in E. coli encode for enzymes that manufacture the amino acid tryptophan, and these are arranged in a cluster on the chromosome. By sharing a single common promoter region on the DNA sequence, these genes are transcribed as a group. This type of structure is called an ოპერონი&mdasha cluster of genes transcribed as a single mRNA this particular cluster in E. coli is known as the trp ოპერონი. Operons are incredibly common in the prokaryotic cell.

The Jacob–Monod Model is used to describe the structure and function of operons. In this model, operons contain structural genes, an operator site, a promoter site, and a regulator gene, as shown in Figure 7.14. The structural gene codes for the protein of interest. Upstream of the structural gene is the operator site, a nontranscribable region of DNA that is capable of binding a repressor protein. Further upstream is the promoter site, which is similar in function to promoters in eukaryotes: it provides a place for RNA polymerase to bind. Furthest upstream is theregulator gene, which codes for a protein known as the repressor. There are two types of operons: inducible systems and repressible systems.

ფიგურა 7.14. Inducible Systems Allow for gene transcription only when an inducer is present to bind the otherwise present repressor protein.

საკვანძო კონცეფცია

Operons include both inducible and repressible systems, and offer a simple on–off switch for gene control in prokaryotes.

In inducible systems, the repressor is bound tightly to the operator system and thereby acts as a roadblock. RNA polymerase is unable to get from the promoter to the structural gene because the repressor is in the way. To remove that block, an inducer must bind the repressor protein so that RNA polymerase can move down the gene, as shown in Figure 7.14. Inducible systems operate on a principle analogous to competitive inhibition for enzyme activity: as the concentration of the inducer increases, it will pull more copies of the repressor off of the operator region, freeing up those genes for transcription. This system is useful because it allows gene products to be produced only when they are needed. Inducible systems are sometimes referred to as დადებითი კონტროლი mechanisms.

A classic example of an inducible system is the ლაქი operon, which contains the gene for lactase, as demonstrated in Figure 7.15. Bacteria can digest lactose, but it is more energetically expensive than digesting glucose. Therefore, bacteria only want to use this option if lactose is high and glucose is low. The ლაქი operon is induced by the presence of lactose thus, these genes are only transcribed when it is useful to the cell.

The ლაქი operon is assisted by binding of the catabolite activator protein (CAP). CAP is a transcriptional activator used by E. coli when glucose levels are low to signal that alternative carbon sources should be used. Falling levels of glucose cause an increase in the signaling molecule cyclic AMP (cAMP), which binds to CAP. This induces a conformational change in CAP that allows it to bind the promoter region of the operon, further increasing transcription of the lactase gene.

ფიგურა 7.15. The lac Operon An example of an inducible system.

Repressible systems allow constant production of a protein product. In contrast to the inducible system, the repressor made by the regulator gene is inactive until it binds to a კორპრესორი. This complex then binds the operator site to prevent further transcription, as shown in Figure 7.16. Repressible systems tend to serve as negative feedback often, the final structural product can serve as a corepressor. Thus, as its levels increase, it can bind the repressor, and the complex will attach to the operator region to prevent further transcription of the same gene. Repressible systems are sometimes referred to as უარყოფითი კონტროლი mechanisms.

საკვანძო კონცეფცია

Positive control is accomplished by inducible systems, in which a repressor is removed from the operon by the inducer to promote transcription of a gene. Negative control is accomplished by repressible systems, in which a repressor–corepressor complex binds to the operon to prevent transcription.

The trp operon, described above, operates in this way. When tryptophan is high in the local environment, it acts as a corepressor. The binding of two molecules of tryptophan to the repressor causes the repressor to bind the operator site. Thus, the cell turns off its machinery to synthesize its own tryptophan, which is an energetically expensive process because of its easy availability in the environment.

ფიგურა 7.16. Repressible Systems Continually allow gene transcription unless a corepressor binds to the repressor to stop transcription.

MCAT Concept Check 7.4:

სანამ გადახვალთ, შეაფასეთ მასალის გაგება ამ კითხვებით.

1. What type of operon is the trp ოპერონი? The ლაქი ოპერონი?

2. From 5&prime to 3&prime, what are the components of the operon, and what are their roles?

3. What is required to turn on a positive control system? What is required to turn off a negative control system?

თუ თქვენ ხართ ჩვენს საიტზე განთავსებული ნებისმიერი მასალის საავტორო უფლებების მფლობელი და აპირებთ მის წაშლას, გთხოვთ დაუკავშირდეთ ჩვენი საიტის ადმინისტრატორს დასამტკიცებლად.


Networks of transcriptional regulation

With genome-wide technologies becoming more accessible and increasingly high throughput, it is becoming possible to analyze how multiple factors together contribute to transcriptional regulation across a genome. For example, Frank Pugh (Pennsylvania State University) described the use of ChIP-chip to identify occupancies of 200 factors at each of the 6,000 genes in yeast. Approximately 600 genes had 75 or more proteins bound. When genes regulated by Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase (SAGA) were compared with transcription factor IID (TFIID)-regulated genes, the SAGA genes had a larger repertoire of bound factors, and these were also present at higher levels. Pugh also described ChIP-exo, which incorporates exonuclease digestion into a ChIP-seq assay to map transcription factor binding sites with base-pair resolution. Approximately 95% of Reb1 occupancy sites identified with this technique were within 1 bp of a Reb1 cognate sequence.

Bas van Steensel (Netherlands Cancer Institute, Amsterdam, the Netherlands) defined different types of chromatin domains on the basis of differential occupancies of 53 proteins across the დროზოფილა genome using DNA adenine methyltransferase identification (DamID). Hidden Markov modeling of the 53-dimensional dataset revealed five chromatin domains defined by unique combinations of proteins. The most surprising domain occupied about 55% of the genome, showed little transcriptional activity but no known repressive chromatin modifications, and is poorly understood. Interestingly, preferences emerged for which chromatin domain is adjacent to other chromatin domains.

To analyze and ultimately understand regulatory processes in a global manner, Frank Holstege (University Medical Center Utrecht, the Netherlands) described the use of high-throughput microarray experiments to define mRNA profiles after knockout of signaling pathway components and transcription machinery in yeast, with approximately 1,000 knockouts analyzed so far. Analyses of gene expression from cells with double-deletions of kinases and phosphatases have revealed three phenotypes of expression: complete redundancy, quantitative redundancy, and incongruent redundancy. The latter category was unexpected yet is relatively common and can arise from partial redundancy between two factors coupled to unidirectional inhibition of one factor by the other.

Rather than focusing on multiple transcription factors, work presented by Michael Wilson (Cambridge Research Institute, Cancer Research UK, Cambridge, UK) focused on multiple genomes. With the goal of exploring the evolution of gene regulation, he used ChIP-seq against two transcription factors (CCAAT enhancer binding protein alpha (CEBPA) and hepatocyte nuclear factor 4 alpha (HNF4A)) and determined their locations across five vertebrate genomes. The data revealed significant differences in factor occupancy between species. Ultraconserved binding events that aligned in all five species occurred only rarely. When an expected binding event was missing in one species, occupancy by that factor within 10 kb was observed only about half the time. From this work, the plasticity of regulatory interactions during divergence among vertebrates is emerging.

Lastly, the network of transcriptional control in response to estrogen stimulation was described by Lee Kraus (Cornell University). His laboratory used GRO-seq to determine how the map of transcriptionally engaged Pol II molecules changes in human breast cancer cells during a time course of estrogen treatment. The sensitivity of this approach meant that they could identify about tenfold more protein-coding genes rapidly regulated by estrogen than did microarrays. Moreover, the data revealed changes in Pol I and Pol III transcripts, divergent transcription, antisense transcription, microRNA transcription, and transcription from non-genic regions. From these data a new picture of signal-induced transcriptional regulation emerges that was not obtainable using previous genomic technologies.

In summary, this meeting was filled with applications of genomic technologies that revealed new insight into mechanisms of transcriptional regulation, involving paused polymerases, chromatin structure, and the interplay between many protein factors.


Უყურე ვიდეოს: ბიოლოგიის ტესტები: პლაზმური მემბრანა ბიოლოგია აბიტურიენტთათვის. ბიოლოგიის გაკვეთილები (აგვისტო 2022).