1.4 Genregulering

Genregulering

I dette kapittelet skal du lære om:

- Kvifor genregulering er nødvendig
- Operon-modellen for genregulering hos prokaryotar
- Transkripsjonsfaktorar og regulering hos eukaryotar
- Epigenetiske mekanismar

Alle celler i kroppen din inneheld det same genomet – nøyaktig det same DNA-et. Likevel er ei nervecelle fundamentalt forskjellig frå ei muskelcelle eller ei levercelle. Løyndomen ligg i genregulering: kva gen som er skrudde på (uttrykte) og kva gen som er skrudde av varierer mellom celletypar, utviklingsstadium og som respons på ytre signal.

Genregulering hos prokaryotar – Operon-modellen

Hos bakteriar er genregulering ofte organisert i operon – grupper av gen som vert regulerte saman.

Operon-struktur

Eit operon består av:
1. Promotor: Bindingsstad for RNA-polymerase
2. Operator: Bindingsstad for repressorprotein (ligg mellom/overlappar med promotor og strukturgen)
3. Strukturgen: Gena som kodar for proteina (vert transkriberte til polycistronisk mRNA)
4. Regulatorgen: Kodar for repressorproteinet (ligg ofte oppstraums)

Lac-operonet – eit indusibelt system

Lac-operonet i E. coli regulerer gena som trengst for å bryte ned laktose:

Strukturgen:
- lacZ: β-galaktosidase (spaltar laktose til glukose + galaktose)
- lacY: Laktose-permease (transporterer laktose inn i cella)
- lacA: Transacetylase

Utan laktose (operonet er AV):

Regulatorgen → Repressorprotein → Bind operator → RNA-pol blokkert
                  (aktiv)

[Reg]——[Promotor][Operator][lacZ][lacY][lacA]
                     ↑
               Repressor bind
               → INGEN transkripsjon

Med laktose (operonet er PÅ):

Laktose → Allolaktose → Bind repressor → Repressor endrar form → Fell av operator

[Reg]——[Promotor][Operator][lacZ][lacY][lacA]
                             → TRANSKRIPSJON skjer
                             → mRNA for alle tre gena

Allolaktose (ein isomer av laktose) fungerer som induktor – han bind til repressorproteinet og endrar forma det har slik at det ikkje lenger kan binde operator.

Trp-operonet – eit repressibelt system

Trp-operonet kodar for enzym som syntetiserer aminosyra tryptofan:

Utan tryptofan (operonet er PÅ):
- Repressorproteinet er inaktivt (kan ikkje binde operator åleine)
- RNA-polymerase transkriberer strukturgena
- Cella produserer tryptofan

Med tryptofan (operonet er AV):
- Tryptofan fungerer som korepressor
- Tryptofan bind til repressorproteinet og aktiverer det
- Aktiv repressor bind operator og blokkerer transkripsjon
- Negativ tilbakekobling – cella stoppar produksjon av tryptofan når det er nok

Genregulering hos eukaryotar

Eukaryot genregulering er langt meir kompleks enn hos prokaryotar. Regulering kan skje på fleire nivå:

1. Kromatinstruktur (epigenetisk regulering)

DNA i eukaryotar er pakka rundt histonprotein i strukturar kalla nukleosom:

     H1
    ╔══╗
DNA═╝  ╚═DNA═╗  ╔═DNA═╗  ╔═DNA
              ╚══╝     ╚══╝
           Nukleosom  Nukleosom
        (8 histoner)  (8 histoner)

Heterokromatin (tett pakka): Gen er utilgjengelege → AV
Eukromatin (laust pakka): Gen er tilgjengelege → PÅ

2. Transkripsjonsfaktorar

Eukaryotar brukar transkripsjonsfaktorar for å regulere genekspresjon:

- Generelle TF-ar: Nødvendige for all transkripsjon (TFIIA, TFIIB, TFIID osv.)
- Spesifikke TF-ar: Regulerer uttrykket av bestemte gen
- Aktivatorar: Aukar transkripsjonen ved å binde enhancere (kan ligge tusenvis av basepar unna)
- Repressorar: Hemmar transkripsjonen ved å binde silencere

3. Enhancere og silencere

- Enhancere: DNA-sekvensar som aukar transkripsjon – kan ligge opptil 1 million bp frå promotor
- Silencere: DNA-sekvensar som hemmar transkripsjon
- Verkar uavhengig av avstand og orientering
- DNA-et loopar for å bringe enhancer-bundne aktivatorar i kontakt med transkripsjonsmaskineriet

4. Post-transkripsjonell regulering

- mRNA-stabilitet: Regulert av sekvensar i 3'-UTR og RNA-bindande protein
- miRNA: Små RNA-molekyl (~22 nt) som bind komplementært til mRNA og hemmar translasjon eller fører til mRNA-nedbryting
- Alternativ spleising: Ulike eksoner vert inkluderte i ulike celletypar

5. Post-translasjonell regulering

- Proteinmodifisering: Fosforylering, ubikvitinering, acetylering
- Proteinnedbryting: Ubikvitin-proteasom-systemet
- Proteintransport: Riktig lokalisering i cella

Epigenetikk

Epigenetikk handlar om arvelege endringar i genekspresjon som ikkje skuldast endringar i sjølve DNA-sekvensen. Epigenetiske modifikasjonar «merkjer» DNA og histoner, og bestemmer om gen er tilgjengelege for transkripsjon.

DNA-metylering

- Metylgrupper ($-CH_3$) vert lagde til cytosin i CpG-dinukleotid (cytosin etterfølgt av guanin)
- Vert katalysert av DNA-metyltransferasar (DNMTs)
- Metylering av ein promotorregion → genet vert skrudd AV (silencing)
- Metyleringsmønsteret vert kopiert ved DNA-replikasjon → arveleg

Umetylert CpG (gen PÅ):
—C-G—C-G—C-G—[Promotor]—[Gen]→ mRNA
—G-C—G-C—G-C—

Metylert CpG (gen AV):
—C̃-G—C̃-G—C̃-G—[Promotor]—[Gen]→ INGEN mRNA
—G-C—G-C—G-C—
(C̃ = 5-metylcytosin)

Histonmodifisering

Histonhalar kan modifiserast kjemisk på ulike måtar:

- Acetylering (leggje til acetylgruppe): Opnar kromatin → gen PÅ
- Vert katalysert av histonacetyltransferasar (HAT)
- Vert fjerna av histondeacetylasar (HDAC)
- Metylering (av histoner): Kan både aktivere og hemme, avhengig av kva aminosyre og posisjon
- H3K4me3 (lysin 4 på histon H3, trimetylert) → gen PÅ
- H3K27me3 (lysin 27 på histon H3, trimetylert) → gen AV
- Fosforylering, ubikvitinering og andre modifikasjonar

Histonkoden

Kombinasjonen av histonmodifikasjonar dannar ein «histonkode» som vert lesen av spesifikke protein:

Epigenetikk og miljø

Oppsummering

Prokaryot regulering – Operon

Eukaryot regulering – Fleire nivå

Epigenetikk