Darvas Zsuzsa, László Valéria

Sejtbiológia

Az eukarióta gének finom szintű szabályozása

A finom szintű szabályozásnak két komponense van: a génszabályozó régiók a DNS-en (1) és a hozzákapcsolódó reguláló fehérjék (2). Lásd III.19. ábrát.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_329/#m1338setb_329 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_329/#m1338setb_329)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_329/#m1338setb_329)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.19. ábra. Egy átlagos eukarióta gén és szabályozó régióinak elhelyezkedése, valamint a génreguláló fehérjék kapcsolódása.

Részleteket lásd a szövegben

Génszabályozó régiók. A gén oldaláról nézve a gének egy ún. génszabályozó régiót is tartalmaznak, amelyek részben a fehérjét kódoló szakasz előtt (upstream), részben pedig utána (downstream) helyezkednek el. Mérete néha nagyobb is lehet, mint maga a fehérjét kódoló rész. Ez a szabályozó régió nem egységes, hanem különböző elemeket, motívumokat tartalmaz, amelyek az egyes transzkripciós faktorok és génreguláló fehérjék kötődését és a génexpresszióra, azaz a transzkripcióra kifejtett hatásukat teszi lehetővé. A génszabályozó régiók motívumai általában rövid, esetleg többször is ismétlődő 8–10 nukleotidhosszúságú DNS-szakaszok.

A különböző génekben vannak olyan motívumok, amelyeket szinte minden gén szabályozó régiójában megtalálhatunk, és vannak egyediek, csak bizonyos génekre jellemző motívumok. Ritka kivételtől eltekintve minden eukarióta gén sok-sok motívummal rendelkezik, egyformákkal és különbözőekkel. Milyen szabályozó régiókat ismerünk és milyen motívumokat?
- Az eukarióta génekben az átírást végző RNS polimeráz II start pontjától néhány száz bázispárnyira előrefelé (upstream) helyezkedik el a promoter (segítő) régió. Ezen terület motívumai (a hozzájuk kapcsolódó fehérjéken keresztül) meghatározzák, hogy az enzim melyik nukleotidnál kezdje meg az átírást, és befolyásolják az átírás sebességét is. A promoter régió tartalmaz általános motívumokat és speciális motívumokat is. Általános motívum a legtöbb eukarióta génben jelenlévő TATA box, amely az első 4 bázisáról kapta a nevét. Ez az a terület, amelyhez a transzkripciót végző enzim és transzkripciós faktor együttes (azaz a transzkripciós komplex) bekötődik. Speciális motívumként az ún. HRE (hormon responsive element) motívumot említhetjük, amely többek között a szteroid hormonok által szabályozott gének promoter régiójában található. A szteroid hormon-receptor komplex ehhez kapcsolódva fejti ki hatását. Mára már a különböző génekben számos egyéb promoter elemet leírtak, általánosabb és specifikusabb motívumokat is.
- A gének fehérjét kódoló részétől és a promoter régiótól esetenként jóval távolabb, a gén végeitől akár 1000 nukleotidnyi távolságban is szabályozó régiók helyezkednek el, amelyek a promoterekkel együttműködve növelik az átírás sebességét. Ezeket a régiókat enhancer (erősítő) régiónak nevezik (a név arra utal, hogy erősítik, fokozzák a transzkripciót). Az enhancerek is motívumokat tartalmaznak, amelyek gyakran speciális szimmetrikus elrendeződést mutatnak- lehetővé téve, hogy a reguláló fehérjék dimér vagy még komplexebb formában kötődjenek ezeken a területeken.
- Nemcsak olyan szekvenciákat találhatunk a szabályozó régióban, amelyek a gének átíródásának serkentésében játszanak szerepet, hanem vannak olyan szekvenciák, amelyek a hozzájuk kötődő fehérjék segítségével a génexpressziót gátolják. Ezeket a szabályozó elemeket silencernek (tompító) nevezik. Hasonlóan a segítő és erősítő elemekhez, ezek is motívumokból állnak. A gátlás erőssége attól is függ, hány ismétlődő silencer motívum követi egymást.

Génreguláló fehérjék. Mindezek a szabályozó génszekvenciák semmit nem érnek a hozzájuk kötődő, rajtuk keresztül a transzkripciót szabályozó génreguláló fehérjék nélkül. Génreguláló fehérjéknek nevezik azokat a fehérjéket, amelyek a géneket ki-bekapcsolják, illetve működésüket befolyásolják. Az eukarióta sejtek mindegyike egy adott, a sejttípusra jellemző génreguláló „fehérjekészlettel” rendelkezik. A génreguláló fehérjék általában a DNS nagy görbületének szélét ismerik fel. A motívumokban a bázissorrend a nagy görbület területén a bázisok eltérő atomcsoportjai miatt olyan egyedi mintázatot hoz létre, amelyet csak egy adott génreguláló fehérje ismer fel és kötődik hozzá (III.20. ábra).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_335/#m1338setb_335 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_335/#m1338setb_335)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_335/#m1338setb_335)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.20. ábra. A DNS motívumainak üzenete.

A bázisok egyes csoportjainak mintázata a nagygörbület területén elég nagyszámú egyedi kombinációt eredményez ahhoz, hogy specifikus legyen a megfelelő génreguláló fehérje számára

Vannak olyan fehérjék, melyek nagy mennyiségben és minden sejtben jelen vannak, ilyenek, pl. az általános transzkripciós faktorok, amelyek az RNS polimeráz II enzim működéséhez szükségesek. Ilyen faktor a TATA boxhoz kötődő TBP (TATA binding protein), amely a transzkripciós enzimkomplex egyik elemeként a TATA box felismeréséért felelős.

Ugyanakkor kisebb mennyiségben, sejttípustól és funkciótól függően vannak a sejtekben olyan génreguláló fehérjék, amelyek a specifikus génműködéshez szükségesek, ezek a specifikus génreguláló fehérjék. A specifikus génreguláló fehérjék lehetnek specifikus transzkripciós faktorok, lehetnek aktivátorok, azaz serkenthetik a transzkripciót és lehetnek represszorok, azaz gátolhatják az átíródást. Az aktivátorok mint láttuk hathatnak kromatin, illetve nukleoszomális szinten, valamint egyetlen gén szintjén. Hasonló módon a represszor fehérjék is hathatnak a kromatin átalakítás szintjén, pl. deacetilálják a nukleoszómákat és inaktív heterokromatin kialakulását okozzhatják, illetve egyelten gén átírását gátolhatják. A génreguláló fehérjék hatásukat többféle módon fejthetik ki: hathatnak egyedül, de serkenthetik és gátolhatják is egymást.

Mi ennek a sokféle kombinációs lehetőségnek a szerkezeti alapja?

Minden sokféleségük ellenére a génreguláló fehérjéknek van néhány közös tulajdonsága, ami erre a kérdésre magyarázatot adhat.

rendelkeznek olyan DNS kötő doménekkel, amelyek a génszabályozó régió megfelelő motívumához való kötődéséhez szükségesek
rendelkeznek olyan doménnel (doménekkel), amellyel a génexpressziót befolyásolják, ezt aktivációs doménnek nevezzük
gyakran tartalmaznak olyan elemeket, amelyek segítségével homo-, illetve heterodiméreket hozhatnak létre

Gyakori, hogy egy jól bevált domén több funkciót is ellát, pl. a szteroidreceptorok két Zn ujj motívuma (lásd később) közül az egyik a DNS-hez való kötődésben, a másik pedig a receptorok dimérképzésében vesz részt. A génreguláló fehérjék sokaságát leggyakrabban a bennük lévő jellegzetes DNS-kötő vagy dimérképző doménjeik alapján próbálják meg csoportosítani.

Az alábbi motívumokat, illetve doméneket különböztetjük meg:

HTH (helix turn helix: hélix-csavarulat-hélix) (III.21. ábra),
Zn ujjas domének (III.22. ábra, III.23. ábra),
Leucin zippzár motívum (III.24. ábra),
HLH (helix loop helix: hélix hurok hélix) motívum (III.25. ábra).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_346/#m1338setb_346 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_346/#m1338setb_346)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_346/#m1338setb_346)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.21. ábra. HTH motívum.

Részletek az ábraszövegben. Ilyen fehérjék az ún. HOX (homeotikus szelektor) gének termékei, amelyek az embrionális fejlődést szabályozó transzkripciós faktorok, génreguláló fehérjék fontos csoportját alkotják. A DNS-kötő és stabilizáló evolúciósan konzervatív régió a homeobox nevet viseli a fehérjékben, ezért ezt a motívumot szokták homeobox doménnek is nevezni

A Zn ujjas motívumnak két ismert típusa van. A klasszikus Zn ujj motívumban az α-hélixet és a β-redőt Zn kapcsolja össze, amely így fontos szekezeti elem. Ilyen motívum van a riboszomális RNS átírásában fontos egyik transzkripciós faktorban. A másik típusú Zn ujjas motívumra is jellemző, hogy szerkezeti elem, de ebben a csoportban két α-hélixet kapcsolt össze a Zn. Ilyen motívum található az intracelluláris receptorokban, pl. szteroid hormonok receptorai (lásd a III.22. ábra és III.23. ábra).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_350/#m1338setb_350 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_350/#m1338setb_350)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_350/#m1338setb_350)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.22. ábra. Klasszikus Zn ujjas domén szerkezete.

A Zn két-két cisztein és hisztidin aminósavhoz kapcsolódik

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_353/#m1338setb_353 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_353/#m1338setb_353)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_353/#m1338setb_353)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.23. ábra. A két Zn-atommal összekapcsolt alfa-hélix egyike a DNS-hez kötődik, a másik pedig egy hasonló monomerhez kapcsolódik

A fehérjék összekapcsolódásának egyik lehetséges típusa, amikor a fehérjék olyan alfahélixeket formálnak, amelyekben rendszeresen hidrofób aminosavak ismétlődnek. Ezek úgy rendeződnek, hogy a hélix egyik oldalán egy hidrofób csíkot hoznak létre. Ezek segítségével két fehérje egymással összecsavarodó komplexet hozhat létre. Ilyen hidrofób csíkot tartalmazó hélixet hoz létre a leucin aminóav is. A leucin zippzár motívumban két fehérje dimert (homodimer: két egyforma fehérje; heterodimer: két különböző fehérje) képezhet a hidrofób részek közötti kapcsolódás segítségével (lásd a III.24. ábrát).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_356/#m1338setb_356 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_356/#m1338setb_356)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_356/#m1338setb_356)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.24. ábra. A DNS-reguláló fehérje egyik doménje olyan alfa-hélixet tartalmaz, amelynek egyik része a DNSre ható aktivátor domén, míg másik része a leucinban gazdag területe egy másik fehérje ugyanilyen keucin gazdag részével dimert (leucin zippzárt) képez. A leucin motívum tehát dupla funkciójú, mert szerkezeti elem és a DNS-hez lapcsolódó motívum része is.

1: egyik fehérje doménje; 2: másik fehérje doménje. Ilyen leucin zippzáras heterodimer formában aktív a c-Jun és cFos (c = cellular) transzkripciós faktorok, amelyek együtt az AP1 (aktiváló protein 1 transzkripciós komplexet adják)

A HLH (helix-loop-helix: hélix-hurok-hélix) motívum csak annyiban hasonlít a HTH motívumhoz, hogy két alfa-hélix kapcsolódik össze egymással. Ebben a motívumban kevésbé szoros a két hélix közötti kapcsolat és ezért szabadabb két hélix közötti elmozdulás (lásd a III.25. ábrát).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_360/#m1338setb_360 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_360/#m1338setb_360)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_360/#m1338setb_360)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.25. ábra. Egy motívum két alfa-hélixből, egy rövidebből és egy hosszabból áll (1 és 2; 3 és 4). A rövidebb alfa hélixek (1 és 3) a dimerképzésben fontosak, míg a hoszszabb hélixek (2 és 4) DNSaktivátor doménnel is rendelkeznek. Ezek a génreguláló fehérjék is homo- vagy heterodimereket alkotnak.

Ilyen fehérje pl. a myoD transzkripciós faktor, amely az izomdifferenciálódásban játszik fontos szerepet és dimer formában aktív

A leírtak alapján összefoglalva a génműködés finom szabályozásáról elmondhatjuk, hogy egy adott gén esetében a génexpresszió mértékét a gén szabályozó régióinak motívumaihoz kötődő transzkripciós faktorok és reguláló fehérjék adott együttese szabja meg. Ez a génen kialakuló fehérje „mintázat” az, amely az átírás mértékét megszabja.

Más szóval ez azt jelenti hogy a génekhez a fehérjék egy csoportja mindig egy adott kombinációban kötődik. Ily módon az eukarióta gén esetében a génexpresszió ún. kombinációs kontrollja valósul meg.

Az alábbi összefoglaló ábra (III.26. ábra) azon kombinációs lehetőségek közül mutat be néhányat, amely a génszabályozó szekvenciákhoz kötődő génreguláló fehérjék segítségével az adott gének átírásának szabályozásában megvalósul.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_366/#m1338setb_366 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_366/#m1338setb_366)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_366/#m1338setb_366)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.26. ábra. A génműködés kombinációs kontrollja.

Természetesen a sejtben az is szabályozott, hogy mikor milyen és mennyi génreguláló fehérje és transzkripciós faktor van jelen, ami megszabja, hogy egy adott sejt mikor és milyen génjeinek az expressziójára lesz képes. A génreguláló fehérjéket és a transzkripciós faktorokat is gének kódolják, ez pedig azt jelenti, hogy ezen gének működésének szabályozása révén egy adott sejtben a faktorok és a génreguláló fehérjék mennyisége és minősége is szabályozható.

Az eddig tárgyaltak alapján világossá vált, hogy a sejtmag DNS-ének igen változatos a szerveződése és a működése. Ezen fejezet utolsó része az eukarióta és részben az emberi genom DNS-ének az összetételéről és szerepéről ad összefoglalót.

Tartalomjegyzék

Kiadó: Semmelweis Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 331 704 4

Orvostudomány Semmelweis Kiadó könyvei

Reméljük, hogy a hallgatóknak nemcsak egy olyan jegyzetet készítettünk, amelyet meg kell tanulniuk, de sikerült belevinnünk azt az érzést is, amely a jegyzet megírásakor és átírásakor eltöltött minket. Ez az érzés a csodálat. Milyen csodálatos kis egység a sejt, milyen tökéletesen és logikusan szervezett! Mi sem, és így a hallgató sem menekülhet meg a molekuláris szemlélettől, amely manapság a biológia és az orvostudomány minden területén uralkodóvá vált. Igyekeztünk csak annyi molekulát és molekuláris mechanizmust megemlíteni, amelyet feltétlenül szükségesnek tartottunk a sejtben zajló folyamatok megismeréséhez és megértéséhez. Kívánjuk, hogy a leírtak segítsék a hallgatókat más tárgyak anyagának megértésében és elsajátításában is. A jegyzet immáron negyedik, javított kiadását tartják a kezükben és persze ez is több, mint az előző. Mentségünkre legyen mondva a többlet nemcsak több szöveget, de több képanyagot és ábrát is jelent. Reméljük ez segít jobban megérteni a sejtekben zajló, néha bizony komplikált eseményeket. (a szerzők)

Hivatkozás: https://mersz.hu/darvas-laszlo-sejtbiologia//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero