Geeniekspressioon: DNA-st valguni — protsess, regulatsioon ja mõju

Uurige geeniekspressiooni — kuidas DNA ja RNA suunavad valkude sünteesi, protsesside regulatsioon, etapid ning mõju organismi arengule, rakkudele ja haigustele.

Geeni ekspressioon on protsess, mille käigus geenis sisalduv pärilik teave, DNA aluspaaride järjestus, muudetakse funktsionaalseks geenitooteks, näiteks valguks või RNA-ks. Põhiidee on, et DNA transkribeeritakse RNA-ks, mis seejärel transleeritakse valkudeks. Valgud moodustavad paljudes rakkudes ja organismides struktuurid ning on kõigi ensüümide ja paljude regulatoorsete molekulide ehitus- ja tööühikud. Geeni ekspressioon määrab, millised geenid on aktiivsed, millisel ajal, millistes rakkudes ja kui suure hulga molekule toodetakse.

Peamised etapid ja nende üksikasjad

• Transkriptsioon: RNA polümeraas loeb DNA mallijärjestust ja sünteesib esmase RNA-transkripti (pre-mRNA eukarüootides). Siia kuuluvad promootori tuvastamine, transkriptsiooni algus, elongatsioon ja lõpp.
• RNA töötlemine: eukarüoodsetel rakkudel läbivad pre-mRNA-d 5’-mütsi lisamise, eksonite ja intronitega seotud alternatiivse splaissing (mis tekitab erinevaid valkude isoforme) ja 3’-polüadenüleerimise. Need sammud mõjutavad stabiilsust, transporditõhusust ja transleeritavust.
• Translatsioon: mRNA tõlgitakse ribosoomides aminohappejärjestuseks — sünteesitakse valk. Translatsiooni reguleerivad mRNA 5’ ja 3’ mittetõlgitavad piirkonnad, ribosoomi ligandumispunktid ja translatsioonifaktorid.
• Post-translatsioonilised muutused ja valgu voldumine: sünteesitud valgud vajavad sageli molekulaarseid chaperone-valke, et õigesti volduda, ning neid võivad muuta näiteks fosforüülimine, glykosüülimine, atsetüülimine või ubiquitinatsioon. Mõned valgud lõigatakse proteolüütiliselt aktiveeritumiseks või suunamiseks.
• Valgu hävitamine: rakke reguleeriv kvaliteedikontroll eemaldab valke, mis on valesti voldunud või ei ole enam vajalikud; selleks kasutatakse peamiselt ubiquitin-proteasoomsüsteemi ja lüsosoome.

Geeniregulatsiooni mehhanismid

Geeniekspressiooni saab mõjutada mitmel tasandil. Olulisemad mehhanismid on:

• DNA-tasandi reguleerimine: promootorid, enhansrid, silencerid ja insulaatorid määravad, kus ja kui aktiivselt transkriptsioon algab. Transkriptsioonifaktorid seonduvad kindlatele järjestustele ja kutsuvad kohale või tõkestavad RNA polümeraas-aktiivsust.
• Kromatiini ja epigeneetika: DNA metüülimine ja histoonide modifikatsioonid (nt atsetüülimine, metüülimine) muudavad kromatiini lahti- või kokku pakitud olekusse, mis mõjutab geenidele ligipääsu. Need muutused võivad olla stabiilsed ja päranduvad rakkude jagunemisel.
• RNA-põhised mehhanismid: mikroRNA-d (miRNA), siRNA-d ja pika järjestusega mittetöötavad RNA-d (lncRNA) reguleerivad mRNA stabiilsust ja translatsiooni ning võivad suunata kompleksid konkreetsete mRNA-de lõhustamiseks või translatsiooni pidurdamiseks.
• Alternatiivne splaissing ja RNA-metilatsioon: läbi alternatiivse splaissing'u saab ühest geeni ekpressioonist toodetada mitme erineva valgu variante. RNA keemilised modifikatsioonid (nt m6A) mõjutavad mRNA eluiga ja transleeritavust.
• Translatsiooni ja valguaktiivsuse reguleerimine: regulatsioon võib toimuda ka translatsiooni tasemel (nt stressivastused vähendavad globaalset translatsiooni) või post-translatsiooniliste modifikatsioonide kaudu, mis muudavad valgu aktiivsust, lokaliseerumist või stabiilsust.

Tkivideline ja arenguline regulatsioon

Geeni ekspressioon võib väga erinev olla erinevates kudedes ja arenguetappidel. Geenide sisse- ja väljalülitamine juhib rakkude diferentseerumist ja morfogeneesi, määrates ära organite ja kudede tekkimise ajal ja ruumis. Seda nähtust, et sama geen võib avalduda erinevalt eri kudedes või mõjutada mitut asja, nimetatakse pleiotroopilisuseks — see on geneetikas laialt levinud.

Näited: hemoglobiini geenide ekspressioon muutub loote- ja täiskasvanueas; Hox-geenide ruumiline ja ajaline ekspressioon määrab keha segmentatsiooni; nägemisretseptorite (opsinide) erinev väljendus annab värviteadvuse eri rakkudes.

Olulisus, haigused ja uurimismeetodid

Valegeeniekspressioon võib põhjustada haigusi — näiteks võivad onkogeensed geenid olla üleekspresseeritud või tuumorite supressori geenid allaekspresseeritud, mis viib vähiprotsesside käivitumiseni. Samuti on paljud pärilikud ja neuroloogilised haigused seotud valesti toimiva ekspressiooniga või alternatiivse splaissinguga.

Geeniekspressiooni uurimiseks kasutatakse erinevaid meetodeid:

• mRNA taseme mõõtmine RT-qPCR-i abil;
• laiaulatuslikud RNA-sekveneerimise (RNA-seq) eksperimendid ja mikrokiibid;
• valgutaseme hindamine valgupõhiste meetoditega (nt Western blot, mass-spektromeetria);
• ühe raku RNA-sekveneerimine (single-cell RNA-seq) võimaldab näha raku-tasandi mitmekesisust.

Evolutsiooniline tähtsus

Geeniekspressiooni regulatsiooni muutused võivad olla evolutsiooniliste muutuste peamine allikas: väiksed muutused geenide ajastuses, ekspressiooni tugevuses või ruumilises mustris võivad viia suurte morfoloogiliste ja funktsionaalsete erinevusteni liikide vahel. Seetõttu uurivad teadlased nii geenide kodeerivaid järjestusi kui ka regulaatorpiirkondi, et mõista liigiomaseid erisusi.

Kokkuvõte: geeni ekspressioon on mitmetahuline protsess, mis hõlmab DNA-st RNA ja valguni viimist ning seda reguleeritakse mitmel tasandil — alates DNA järjestustest ja kromatiini seisundist kuni RNA töötlemise, translatsiooni ja post-translatsiooniliste sündmusteni. Selle täpne juhtimine on hädavajalik normaalse arengu, raku funktsiooni ja tervise tagamiseks.

Geeni reguleerimine

Üles- ja allareguleerimine

Ülesreguleerimine suurendab ühe või mitme geeni ekspressiooni ja selle tulemusena nende geenide poolt kodeeritud valgu(te) ekspressiooni. Alaregulatsioon on protsess, mille tulemuseks on geenide ja valkude ekspressiooni vähenemine.

Indutseerimine vs. represseerimine

Geeni regulatsiooni võib kokku võtta järgmiselt:

• Indutseeritavad süsteemid: indutseeritav süsteem on välja lülitatud, kui puudub mingi molekul (nn indutseerija), mis võimaldab geeniekspressiooni.
• Represseeritavad süsteemid: repressiivne süsteem on sisse lülitatud, välja arvatud mõne molekuli (nn korepressor) juuresolekul, mis pärsib geeni aktiivsust. Molekuli kohta öeldakse, et see represseerib ekspressiooni.

Reguleerivad RNAd

On mitmeid RNAsid, mis reguleerivad geene, st reguleerivad geenide transkriptsiooni või translatsiooni kiirust. Kaks olulist näidet on järgmised

miRNA

Mikro-RNAd (miRNA) toimivad, ühendades ensüümi ja blokeerides mRNAd (messenger RNA) või kiirendades selle lagunemist. Seda nimetatakse RNA-interferentsiks.

siRNA

Väikesed interferentsed RNAd (mida mõnikord nimetatakse ka vaigistavateks RNAdeks) sekkuvad konkreetse geeni ekspressiooni. Need on üsna väikesed (20/25 nukleotiidi) kahesuunalised molekulid. Nende avastamine on põhjustanud hüppelise tõusu biomeditsiiniuuringutes ja ravimite väljatöötamises.

Eukarüootse valku kodeeriva geeni struktuur.

Küsimused ja vastused

K: Mis on geeniekspressioon?

K: Kuidas saavutatakse geeniekspressioon?

K: Mida teevad valgud rakus või organismis?

K: Mis on geeniregulatsioon?

K: Kuidas saab geeniregulatsioon olla evolutsiooniliste muutuste aluseks?

K: Mis on pleiotroopia?

K: Millised geeniekspressiooni staadiumid on moduleeritavad?

Otsing