1.4 Genregulering

Samme oppskriftsbok, helt ulike celler

En nervecelle og en muskelcelle er fundamentalt forskjellige. Likevel bærer de nøyaktig det samme DNA-et – det samme genomet finnes i nesten hver eneste celle i kroppen din. Hvordan kan da cellene bli så ulike? Svaret er genregulering: hvilke gener som er skrudd på og hvilke som er skrudd av, varierer mellom celletyper, mellom utviklingsstadier, og som svar på signaler fra omgivelsene.

Genregulering er en av biologiens mest elegante mekanismer. I dette kapittelet skal du møte operon-modellen som styrer gener hos bakterier, de mange reguleringsnivåene hos eukaryoter, og til slutt epigenetikken – arvelige merker på DNA-et som kan slå gener av og på uten å endre selve koden.

Operoner: bakterienes genbrytere

Hos bakterier er gener ofte organisert i operoner – grupper av gener som skrus av og på sammen. Et operon består av en promotor (der RNA-polymerase binder), en operator (der et repressorprotein kan binde og blokkere), flere strukturgener (som transkriberes sammen til ett polycistronisk mRNA), og et regulatorgen som koder for repressoren.

Det klassiske eksemplet er lac-operonet i E. coli, som styrer nedbrytning av sukkeret laktose gjennom genene lacZ, lacY og lacA. Dette er et indusibelt system: uten laktose binder en aktiv repressor seg til operatoren og blokkerer transkripsjonen – operonet er AV. Når laktose er til stede, omdannes litt av den til allolaktose, som binder seg til repressoren og endrer formen dens så den slipper operatoren. Da kan transkripsjonen starte – operonet er PÅ. I tillegg finnes en positiv kontroll: når glukose mangler, stiger cAMP-nivået, og CAP-proteinet binder seg og forsterker transkripsjonen kraftig. Lac-operonet er derfor fullt på bare når det er laktose OG ingen glukose.

Motstykket er trp-operonet, som lager aminosyren tryptofan. Dette er et repressibelt system: uten tryptofan er repressoren inaktiv og operonet er PÅ. Når det er nok tryptofan, fungerer tryptofanet selv som korepressor – det aktiverer repressoren, som så binder operatoren og slår av operonet. Slik stopper cellen produksjonen når behovet er dekket, et eksempel på negativ tilbakekobling.

Eukaryotens mange reguleringsnivåer

Hos eukaryoter er genreguleringen langt mer kompleks og skjer på flere nivåer. Et grunnleggende nivå er kromatinstrukturen. DNA er pakket rundt histonproteiner i enheter kalt nukleosomer. Når kromatinet er tett pakket (heterokromatin), er genene utilgjengelige og av; når det er løst pakket (eukromatin), er de tilgjengelige og kan slås på.

Et annet nivå er transkripsjonsfaktorene, proteiner som binder bestemte DNA-sekvenser. Generelle transkripsjonsfaktorer trengs for all transkripsjon, mens spesifikke faktorer styrer enkeltgener. Aktivatorer øker transkripsjonen ved å binde enhancere, mens repressorer hemmer den ved å binde silencere. Det spesielle er at enhancere og silencere kan ligge langt unna genet – opptil en million basepar – og virke uansett retning. DNA-et looper da slik at de bundne proteinene kommer i kontakt med transkripsjonsmaskineriet.

Reguleringen stopper ikke der. Post-transkripsjonelt styres mRNA-stabilitet, alternativ spleising og nedbrytning av små miRNA-molekyler (~22 nt) som binder mRNA og hemmer translasjon. Post-translasjonelt reguleres proteinene gjennom modifikasjoner som fosforylering, gjennom nedbrytning via ubikvitin-proteasom-systemet, og gjennom transport til riktig sted i cellen.

Epigenetikk: merker oppå koden

Noen ganger kan gener slås av og på på en måte som arves videre, helt uten at selve DNA-sekvensen endres. Dette er epigenetikk – arvelige endringer i genekspresjon som skyldes kjemiske merker oppå DNA og histoner.

Den ene hovedmekanismen er DNA-metylering. Her legges metylgrupper ($-CH_3$) til cytosin i såkalte CpG-dinukleotider, katalysert av DNA-metyltransferaser. Når en promotorregion metyleres, skrus genet typisk AV. Det fine – og litt skremmende – er at metyleringsmønsteret kopieres ved DNA-replikasjon, så det er arvelig. Den andre hovedmekanismen er histonmodifisering. Histonhalene kan merkes kjemisk på mange måter. Acetylering (en HAT legger til en acetylgruppe) åpner kromatinet og slår genet PÅ, mens HDAC fjerner merket igjen. Metylering av histoner kan både slå på og av, avhengig av posisjon: H3K4me3 betyr aktivt gen, mens H3K27me3 betyr avslått gen. Sammen danner disse merkene en «histonkode» som leses av andre proteiner.

Det mest oppsiktsvekkende er at epigenetiske merker kan påvirkes av miljøet. Kosthold (folsyre og metionin gir metylgrupper), stress og miljøgifter som BPA kan endre metyleringsmønstrene. Dette forklarer hvorfor eneggede tvillinger med identisk DNA likevel kan bli mer og mer forskjellige med årene – den ene kan utvikle en sykdom den andre slipper. Genotype er altså ikke det samme som fenotype; epigenetikken er med på å bestemme hvilke gener som faktisk uttrykkes.

Oppsummering

Alle celler har samme DNA, men genregulering bestemmer hvilke gener som er på i hvilke celler. Hos prokaryoter styres gener i operoner: det indusible lac-operonet slås på av laktose (allolaktose inaktiverer repressoren), og det repressible trp-operonet slås av av tryptofan (korepressor aktiverer repressoren).

Hos eukaryoter skjer reguleringen på flere nivåer: kromatinstruktur (heterokromatin av, eukromatin på), transkripsjonsfaktorer som binder enhancere eller silencere, og post-transkripsjonell og post-translasjonell kontroll med blant annet miRNA. Epigenetikk er arvelige merker oppå DNA-et: DNA-metylering slår gener av, histonacetylering slår dem på. Disse merkene kan påvirkes av miljøet, og forklarer hvorfor eneggede tvillinger kan bli ulike – genotype er ikke det samme som fenotype.