gene regulation printout - คณะ ... · PDF filePost-translational modifications-S-S-active protein REGULATION OF GENE EXPRESSION. degraded mRNA protein ... REGULATION OF GENE

REGULATION OF GENE EXPRESSIONREGULATION OF GENE EXPRESSION

Assistant Professor Dr. Chatchawan Srisawat

การแสดงออกของยีน (Gene Expression)

Gene (DNA)

RNA

Protein

Gene expression = ขบวนการทั้งหมดในการนําขอมูลทางพันธุกรรมในยีนไปสรางเปนผลผลิตของยีน (โปรตีน หรือ RNA)

Gen

e ex

pres

sion

• Human genome ~ 20,000 – 25,000 ยีน

• ในชวงเวลาหนึ่งๆ มีเพียง ~ 5,000 ยีน ที่มีการแสดงออกของยีน

• Developmental and differentiation cues.

• Adaptation (nutrients, osmotic pressure, temperature, hormones, etc)

Regulation of gene expressionRegulation of gene expression

myocyte adipocyte neuron erythrocyte

การแสดงออกของยีน (Gene Expression)

proteindegraded mRNA

Nucleus

cytosol

1. Gene

2. Transcription

3. RNA processing

4. RNA export

5. Translation

6. RNA stability

7. Post-translationalmodifications

-S-S-

active protein

REGULATION OF GENE EXPRESSION


Nucleus

cytosol

1. Gene

-S-S-

active protein


• การควบคุมที่ระดับยีนเปนกลไกที่ไมพบบอยนักในการควบคุมการแสดงออกของยีน ประกอบดวย

1. Gene amplification

2. Gene rearrangement

REGULATION OF GENE EXPRESSION - GENE LEVEL

1. Gene amplificationการเพิ่มจํานวน copy number ของ ribosomal RNA gene ในไขกบ (X. laevis) เพื่อใหพอกบัการผลิต ribosome ที่ zygote จําเปนตองใชหลัง fertilization

Xenopus laevis Oocyte



1. Gene amplificationการเพิ่มจํานวน copy number ของ ribosomal RNA gene ในไขกบ (X. laevis) เพื่อใหพอกบัการผลิต ribosome ที่ zygote จําเปนตองใชหลัง fertilization

2. Gene rearrangement

Immunoglobulin (antibody) or T-cell receptor genes

Antigen (bacteria,viruses, cancer)

Antigen-binding site

Heavy chain

Light chain

immunoglobulin (antibody) เปนโปรตีนที่มีความสามารถในการจับ antigen ที่เปนสิ่งแปลกปลอมของรางกายไดอยางจําเพาะ สรางจาก B-lymphocyte


• Antibody แตละชนิดจะจับกับ antigen ที่จําเพาะกับ antibody ชนิดนั้นๆ

• รางกายสามารถสราง antibody ที่แตกตางกันไปไดหลายลานชนิด เพื่อรับมือกับ antigen แปลกปลอมหลากหลายชนิดที่ตองพบในชั่วชีวิต (เชน bacteria,viruses, cancer)

bacteria viruses cancer cells


ProblemProblem

• ถาขอมูลทางพันธุกรรมจากยีน 1 ยีน ถูกนําไปสรางโปรตีนได 1 ชนิด

Gene (DNA) RNAProtein (e.g. antibody)

ดังนั้น มนุษยควรจะตองมีจํานวนยีนมากกวาหลายลานยีน จึงจะสามารถผลิต antibody หลากหลายชนิดที่สามารถจับกับสิ่งแปลกปลอมจํานวนมากมายได

แตมนุษยมีจํานวนยีนทั้งหมดประมาณ 20,000 – 25,000 ยีน

รางกายสามารถผลิต antibody ที่มีชนิดตางๆอยางมากมายไดอยางไร ?


Susumu TonegawaSusumu Tonegawa

ไดรับรางวัล Nobel ในป 1987 จากการคนพบกลไก gene rearrangement ในการสราง antibody

SolutionSolution GENE REARRANGEMENT


SolutionSolution GENE REARRANGEMENT

โครงสรางยีน heavy chain ของ antibody

~ 300 V segments (V1, V2, V3, ..., V300)~ 20 D segments (D1, D2, D3, …, D20)~ 4-5 J segments (J1, J2, J3, J4, J5)

Germ cellsGerm cells

แตละ segment ซึ่งเปน coding sequence จะมีลําดับเบสที่ไมเหมือนกัน

1 2 3 300 1 2345 C1 23 204

D JV


Transcription and splicingJ

223D CV

An mRNA

J223

DC

V

Rearranged DNA

• เมื่อมีการ differentiation ของเซลลเปน lymphocyte ที่ทําหนาที่สราง antibody จะมีการ rearrangement ของยีนขึ้น ทําใหมีการเชื่อมตอของ V, D, และ J segment เขาดวยกัน

VDJ joining (V2 +D2J3)

DJ joining ( D2+J3)

1 2 3 300 12345 C

Germ cell DNA123 204

D JV

J

Rearranged DNA 1 2 3 300 23

DC

V


• การ rearrangement ของ V, D, และ J segment จะเกิดแบบ random ใน lymphocyte ตัวหนึ่งๆ

Rearranged gene ของ heavy chain จะมีชนิดที่แตกตางกันไปได = 300 x 20 x 5 หรือ 30,000 ชนิด

V53D19J1 V6D3J4 V217D8J3 ……...

เนื่องจากลําดับเบสของ DNA ของแตละ V, D, และ J segment มีความแตกตางกัน ดังนั้นโปรตีน antibody ที่สรางจาก rearranged gene (various combinations of V,D,J) ดังกลาวก็จะมีลําดับของกรดอะมิโนตลอดจนโครงสรางแตกตางกันไปดวย

heavy chain gene1 2 3 300 1 2345 C1 23 204

D JV


• ยีน light chain ของ antibody ก็มีโครงสรางคลายกับยีน heavy chain แตมี เฉพาะ V และ J segments จํานวน ~100 และ 4 segments ตามลําดับและมีการ rearrangement เกิดขึ้นเชนเดียวกัน

1 2 3 100 1 234 CJV

light chain gene

Rearranged gene ของ light chain จะมีชนิดที่แตกตางกันไปได = 100 x 4 หรือ 400 ชนิด

ดังนั้น antibody ซึ่งประกอบดวย heavy และ light chain จะมีชนิดที่แตกตางกันได = 30,000 x 400 หรือ > 10,000,000 ชนดิ

Gene rearrangement ทําใหเซลลสามารถผลิต antibody ที่มีความหลากหลายทางดานโครงสรางและความสามารถจับกับสิ่ง

แปลกปลอมได โดยไมตองมีจํานวนยีนที่มากมาย

Gene rearrangement ทําใหเซลลสามารถผลิต antibody ที่มีความหลากหลายทางดานโครงสรางและความสามารถจับกับสิ่ง

แปลกปลอมได โดยไมตองมีจํานวนยีนที่มากมาย


* การ rearrangement ของยีน เปนการเปลี่ยนแปลงที่ระดับของ DNA(ตางจากขบวนการ splicing ที่เกิดที่ระดับของ RNA) ดังนั้น เซลลที่มีการ rearrange ยีนแลว โครงสรางของยีนจะไมสามารถกลับไปเหมือนเดิมอยางเชนใน germ cell ไดอีก

* การ rearrangement ของยีน เปนการเปลี่ยนแปลงที่ระดับของ DNA(ตางจากขบวนการ splicing ที่เกิดที่ระดับของ RNA) ดังนั้น เซลลที่มีการ rearrange ยีนแลว โครงสรางของยีนจะไมสามารถกลับไปเหมือนเดิมอยางเชนใน germ cell ไดอีก



Nucleus

cytosol

-S-S-

active protein

2. Transcription


• การควบคุมการแสดงออกของยีนที่ระดับ transcription จะเปนตัวกําหนดวา ยีนใดจะ active (ถูกนําไปสรางเปน mRNA และโปรตีน ทําใหมีการแสดงออกของยีนนั้น) หรือ inactive

REGULATION OF GENE EXPRESSION - TRANSCRIPTIONAL LEVEL

• การควบคุมขบวนการ transcription โดยเฉพาะขั้นตอน transcription initiation ถือวาเปนการควบคุมการแสดงออกของยีนที่สําคัญที่สุดอันหนึ่งในเซลลของมนุษย

Transcription initiation step Elongation

Termination

1. ควบคุมผานทาง transcription factors

2. ควบคุมผานทางการเปลี่ยนแปลงโครงสรางของ chromatin

3. ควบคุมผานทางการ methylation ของ DNA

กลไกการควบคุมที่ระดับ transcription มี 3 วิธี คือ


โครงสรางของยีนใน eukaryote

promoter(TATA box)

transcription start site

upstream downstream+1-1

exon1 exon2intron



promoter(TATA box)


RNA polymerase II transcription start site

upstream downstream+1-1

• ขบวนการ transcription จะเริ่มขึ้นเมื่อ RNA polymerase II complex เขาจับที่ promoter TATA box (transcription initiation step)

Transcription elongation

Transcription termination

exon1 exon2intron


• การเขาจับของ RNA polymerase II complex กับ promoter TATA box ตามลําพังจะเกิดขึ้นไดไมดี (inefficient trancription initiation) ทําใหการเกิดขบวนการ transcription ของยีนนั้นไมมีประสิทธภิาพ

เพื่อใหเกิดการ transcription ไดมีประสิทธิภาพมากขึ้น transcription factors จึงเขามามีบทบาท โดยทําใหเกิด transcription initiation ไดดีขึ้น

เพื่อใหเกิดการ transcription ไดมีประสิทธิภาพมากขึ้น transcription factors จึงเขามามีบทบาท โดยทําใหเกิด transcription initiation ไดดีขึ้น

promoter(TATA box)

RNA polymerase II transcription start site

exon1 exon2intron


• โครงสรางของ transcription factor สามารถแบงออกไดเปน 2 สวนคือ

What are transcription factors?

• Transcription factors (TF) เปนโปรตีนที่สามารถเขาจับอยางจําเพาะกับ DNA เพื่อกระตุนใหเกิดการ transcription ไดมีประสิทธิภาพมากขึ้น

CTF SP1 Oct1 etc.example

1. สวนที่ทําหนาที่จับกับ DNA (DNA-binding domain)

2. สวนที่ทําหนาที่กระตุนขบวนการ transcription (Transcription-regulatory domain)

* ใน eukaryote มีการคนพบ transcription factors มากกวารอยชนิด


DNA-binding domainTranscription-regulatory domain

DNA

transcription element1. 1. สวนที่ทําหนาที่จับกับสวนที่ทําหนาที่จับกับ DNA (DNADNA (DNA--binding domain)binding domain)

rasmol


จะจับกับ DNA ที่มีลําดับเบสจําเพาะกับ TF ชนิดนัน้ๆ (transcription element)

DNA-binding domainTranscription-activation domain

DNA

transcription element1. 1. สวนที่ทําหนาที่จับกับสวนที่ทําหนาที่จับกับ DNA (DNADNA (DNA--binding domain)binding domain)

จะจับกับ DNA ที่มีลําดับเบสจําเพาะกับ TF ชนิดนัน้ๆ (transcription element)

examples Transcription factors

DNA sequence(transcription element)

CTF GGCCAATCTSP1 GGGCGGOct-1 ATTTGCAT

SP1 CTF

5’ CAGGGCGGATCTAAGAGGCCAATCTTATAGACTACTTATAAATCTCTCTAGACC 3’3’ TGCCCGCCTAGATTCTCCGGTTAGAATATCTGATGAATATTTAGAGAGATCTGG 5’

rasmol


SP1 CTF


CTFSP1


2.2. สวนที่ทําหนาที่กระตุนขบวนการสวนที่ทําหนาที่กระตุนขบวนการ transcription (Transcriptiontranscription (Transcription--regulatory domain)regulatory domain) ชวยใหเกิด transcription โดย

- interact กับ RNA polymerase II ชวยทําให enzyme complex เขามาที่ promoter ไดดียิ่งขึ้น

SP1 CTF promoter(TATA box)

RNA polymerase II

- interact กับ RNA polymerase II ชวยทําให enzyme complex เขามาที่ promoter ไดดียิ่งขึ้น- modulating enzyme complex activity

ทําใหเกิดการกระตุน transcription


CTFSP1


2.2. สวนที่ทําหนาที่กระตุนขบวนการสวนที่ทําหนาที่กระตุนขบวนการ transcription (Transcriptiontranscription (Transcription--regulatory domain)regulatory domain) ชวยใหเกิด transcription โดย

• Transcription factor นอกจากจะกระตุนใหเกิดขบวนการ transcription แลว transcription factor บางตัวสามารถยับยั้ง transcription ไดดวย

5’ CAGGGCGGATCTAAGCCATGGATCATAGGCCAATCTTATAGACTACTTATAAATCTCTCTAGACC 3’3’ TGCCCGCCTAGATTCGGTACCTAGTATCCGGTTAGAATATCTGATGAATATTTAGAGAGATCTGG 5’

SP1 CTF promoter (TATA box)

activatoractivator

RNA polymerase II

TF ที่กระตุน transcription = activator

TF ที่ยับยั้ง transcription = repressor

Transcription element = enhancer

Transcription element = silencer

repressor

การทํางานของ repressor - inhibit activation domain ของ activator- ขัดขวางไมให activator เขามาจับกับ DNA


start site

core promoter(TATA box)

exon1 exon2intronup to 10 kilobases from the start site

upstream downstream

enhancersilencer

• ยีนหนึ่งๆ อาจจะถูกควบคุมดวย transcription factor ไดหลายชนิด

activator จับกับ DNA สวนที่เปน enhancer

repressor จับกับ DNA สวนที่เปน silencer

transcription

transcription

* ตําแหนงของ enhancer หรือ silencer อาจจะอยูไกลจากยีนมาก (ไปทาง upstream หรือ downstream ตอยีน), ใกล promoter, หรือ อาจจะอยูในยีนก็ได

+

+

+

++

-

RNA polymerase II


สรุป: ขบวนการควบคุมโดย transcription factor

เซลลสามารถควบคุมการแสดงออกของยีนไดโดยการควบคุมการทํางานของ TFเซลลสามารถควบคุมการแสดงออกของยีนไดโดยการควบคุมการทํางานของ TF

กลไกการควบคุม

• Transcription factors จะถูกสรางขึ้นมาในเนื้อเยื่อบางชนิดหรือบางชวงชีวิตของเซลล

Tissue-specific gene expressionDifferentiation-specific gene expression

example

C/EBP และ HNF-1 (hepatic nuclear factor-1) พบในปริมาณมากในตับแตพบนอยในเนื้อเยื่ออื่น

albumin gene

albumin ถูกสรางจากตับเทานั้น



nucleuscytosol

steroid hormones (e.g. glucocorticoid, estrogen)

steroid receptor

inhibitor

GRE

glucocorticoid response element

Examples

• activity ของ transcription factors ถูกควบคุมโดยกลไกตางๆ เชน การจับกับ ligand ที่จําเพาะ หรือขบวนการ protein modification (เชน phosphorylation หรือ dephosphorylation) ของ TF เพื่อใหมีการแสดงออกของยีนที่ตองการในภาวะตางๆ

Inducible transcription factor


Examples

nucleuscytosol

Interferon

Response element

inteferonreceptor

phosphorylation

JAK kinase (transducer)

unphosphorylatedSTAT1 monomer

P P phosphorylatedSTAT1 dimer

P P



• activity ของ transcription factors ถูกควบคุมโดยกลไกตางๆ เชน การจับกับ ligand ที่จําเพาะ หรือขบวนการ protein modification (เชน phosphorylation หรือ dephosphorylation) ของ TF เพื่อใหมีการแสดงออกของยีนที่ตองการในภาวะตางๆ

Inducible transcription factor


• Transcription factor หลายๆชนิด (activator/repressor) ที่ควบคุมยนีหนึ่งๆ จะควบคุม transcription ของยนีแบบ cooperative regulation ทําให transcription activity และการแสดงออกของยนีเพิ่มขึ้นหรือลดลงไดในระดับที่ตอเนื่องตามความตองการของเซลล ไมใชเพียงแคทําใหยนีแสดงออกหรือไมแสดงออกเทานั้น (switch on/off).






2. ควบคุมผานทางการเปลี่ยนแปลงโครงสรางของ chromatin(chromatin remodeling)

• DNA ของเซลล eukaryote รวมทั้งของมนุษยจะรวมอยกับโปรตีน histone เปน nucleosome

• Histone เปนโปรตีนที่มีกรดอะมิโนที่มีประจุบวก (เชน lysine, arginine) เปนสวนประกอบอยูมาก ดังนั้นจึงมีความสามารถในการจับกับ DNA (negatively-charged molecule) ไดดี

histone

DNA


• Nucleosome สามารถประกอบกันเขาเปนโครงสรางระดับที่สูงขึ้นเปน chromatin fiber และ chromosome

free DNA

10 nm chromatin fibril

30 nm chromatin fiber

chromosome

transcription factor

transcriptional element

• การที่ DNA อยูรวมกับ histone เปน nucleosome สวนใหญจะทําใหขบวนการ transcription เกิดขึ้นไดไมด ีเนื่องจาก nucleosome จะรบกวนการจับของ transcription factor กับ DNA

transcription transcription


nucleus

• heterochromatin = densely-packed chromatin

ยีนที่อยูใน heterochromatin จะไม active เนื่องจากไมเกิดขบวนการ transcription

example Condensation of X chromosome in cells derived from females

Barr body

drumstick


nucleus

• euchromatin = loosely-packed chromatin

ยีนที่อยูใน euchromatin จะอยูในรูปที่ active สามารถเกิดขบวนการ transcription ได

increase chromatin condensationsuppress transcription

decrease chromatin condensationenhance transcription

ดังนั้น การควบคุมโครงสรางของ chromatin (chromatin remodeling) สามารถใชควบคุมการแสดงออกของยีนได

ดังนั้น การควบคุมโครงสรางของ chromatin (chromatin remodeling) สามารถใชควบคุมการแสดงออกของยีนได

เซลลควบคุมโครงสรางของ chromatin โดยใชเอ็นซัยมที่ทําหนาที่เติมหรือกําจัด acetyl group ของ histone

เซลลควบคุมโครงสรางของ chromatin โดยใชเอ็นซัยมที่ทําหนาที่เติมหรือกําจัด acetyl group ของ histone

1. Histone acetyl transferase

2. Histone deacetylase


C

O

CHNHCH2C

O

NH... ...CH2CH2CH2

CH2

NH 3+

Gly Lys... C

O

CHNHCH2C

O

NH ...CH2CH2CH2

CH2

NHCCH3

O

AcCoA CoA

Ac

Histone acetyl transferases

Histone deacetylases

Acetylated histone

Deacetylated histone เพิ่ม chromatin condensation

ลด chromatin condensation

ทําให transcription factors สามารถเขามาจับ DNA ไดดีขึ้น ทําให transcription เพิ่มขึ้น








• ประมาณ 2-7% ของ cytosine ใน DNA จะอยูในรูป 5-methylcytosine

• methylation ของ cytosine สวนใหญจะพบบริเวณ DNA ที่มีลําดับเบสเปน 5’ CG 3’ (CpG)

5’ A T G C G A C C 3’3’ T A C G C T G G 5’

สวนใหญ methylation จะเกิดกับ cytosine ของ DNA ทั้งสองสาย

m

m

DNA methyl-transferases


• โดยเฉลี่ยจะพบเพียง 1 CpG ทุกๆ 100 bp แตจะมีบางบริเวณที่จะพบ CpG กระจุกตัวอยูหนาแนน (>10 CpG ทุกๆ 100 bp) ทําใหเรียกบริเวณดังกลาววา “CpG island”


ซึ่งพบวา ตําแหนงของยีนสวนใหญจะอยูในบริเวณที่มี CpG island นี้


มีบทบาทตอขบวนการ transcription

• จากการศึกษาการแสดงออกของยีน พบวามีความสัมพันธอยางชัดเจนระหวาง state of methylation ของ CpG และ activity ของ gene

ดังนั้น การควบคุม state of methylation ของยีน จึงเปนกลไกที่สามารถใชควบคุมการแสดงออกของยีนได

ดังนั้น การควบคุม state of methylation ของยีน จึงเปนกลไกที่สามารถใชควบคุมการแสดงออกของยีนได


Methylated genesNon-methylated genesDNA methyltransferase

5-methylcytosine glycosylase

Methylated genes inactive genes

Non-methylated genes active genes

ผลของ DNA methylation ตอขบวนการ transcription

a) ผลโดยตรง

การเกิด methylation ของยีน จะมีผลตอ transcription ไดทั้งโดยตรงและโดยออม

• methylation ของ cytosine อาจรบกวนการจับของ transcription factor กับ DNA

• transcription factor ที่ยับยั้งขบวนการ transcription (repressor) บางชนิด เชน MeCP1, 2 จะจับกับ DNA ที่มี 5-methylcytosine

5’ CAGGGCGGATCTAA 3’3’ TGCCCGCCTAGATT 5’

m

m

transcription

RNA pol II

repressor

activator



a) ผลโดยตรง

การเกิด methylation ของยีน จะมีผลตอ transcription ไดทั้งโดยตรงและโดยออม


• นอกจากนั้น การจับของ MeCP บริเวณภายในของ gene (transcribed region) จะขัดขวางการทํางานของ RNA polymerase ทําให transcription เกิดไดลดลง

methylation ของยีนจะทําใหเกิด chromatin remodeling

increase chromatin condensation

suppress gene expression

b) ผลโดยออม



Transcription factors

Chromatin remodeling DNA methylation

activator

repressor

chromatin condensation

chromatin condensation

DNA methylation

DNA methylation


กลไกในการควบคุมทั้ง 3 ชนิดจะรวมกันทํางานเพื่อควบคุม transcription ของยนี





Nucleus

cytosol

3. RNA processing

-S-S-

active protein


REGULATION OF GENE EXPRESSION - RNA PROCESSING LEVEL

1. RNA splicing

2. RNA editing

1. RNA splicing

Exon, Intron, 5’ and 3’ untranslated regions (UTR)


a) Alternative 5’ splice sites

b) Alternative 3’ splice sites

Various machanisms in alternative splicing


d) Mutually exclusive use of exons

e) Intron retention

c) Exon inclusion or skipping

Various machanisms in alternative splicing


• Alternative splicing เปนกลไกที่ควบคุมการแสดงออกของยีนที่มีประโยชนมากอันหนึ่ง เนื่องจากสามารถทําใหเซลลสรางผลผลิตของยีนที่มีความหลากหลายมากขึ้น

Alternative splicing is often tightly regulated depending on cell types or developmental stages.

Alternative splicing


แบคทีเรีย (E. coli)~ 4000 ยนี

แมลงหวี่~13000 ยีน

มนษุย~ 20000 ยีน

Alternative splicing


> 90% ของ human genes จะถูก process โดย alternative splicing ทําใหได mRNAs หลายชนิด

• Alternative splicing เปนกลไกที่ควบคุมการแสดงออกของยีนที่มีประโยชนมากอันหนึ่ง เนื่องจากสามารถทําใหเซลลสรางผลผลิตของยีนที่มีความหลากหลายมากขึ้น

2. RNA editing

• RNA editing เปนขบวนการควบคุมการแสดงออกของยีนที่พบไดไมบอย ขบวนการนี้จะทําการเปลี่ยนแปลงลําดับเบสของ RNA transcripts โดยอาจจะเปลี่ยน, เพิ่ม หรือ ตดัเบสออก ทําใหไดโปรตีนที่แตกตางไปจากเดิม

apolipoprotein B pre-mRNAExample

Deamination: C to U

Ribose

N

NO H

H

NHH

deamination

Ribose

N

NO H

H

O

H

cytosine uracil



Nucleus

cytosol

4. RNA export

-S-S-

active protein


• เปนการควบคุมที่ขั้นตอนการขนสง mRNAs ที่ processed แลว ออกจาก nucleus สู cytoplasm เพื่อนําไปเปน template สําหรับขบวนการ translation

• Quality controls mRNAs ที่ผิดปกติจะไมถูกสงออกไป เพื่อปองกันผลเสียที่อาจเกิดจากการสรางโปรตีนที่ผิดปกตติามมา

- Abnormally-spliced RNAs

- RNAs containing nonsense mutations

REGULATION OF GENE EXPRESSION - RNA EXPORT LEVEL


Nucleus

cytosol

5. Translation

-S-S-

active protein


REGULATION OF GENE EXPRESSION - TRANSLATIONAL LEVEL

A) Global regulation of protein synthesis

โดยการ modification of eukaryotic initiation factors (eIFs) เชน phosphorylation/ dephosphorylation ทําใหขบวนการ translation เพิ่มขึ้นหรือลดลงได ซึ่งผลดังกลาวเกิดกับ protein synthesis ทุกชนิด

• การควบคุมที่ระดับ translation สวนใหญจะเกิดที่ขั้นตอน translation initiation

B) mRNA-specific gene regulation

• การควบคุมที่ระดับ translation สวนใหญจะเกิดที่ขั้นตอน translation initiation

ควบคุมขบวนการเกิด translation ของ mRNA ชนิดหนึ่งๆ โดยขึ้นกับโครงสรางของ mRNA ชนิดนั้นๆ

preinitiation complex จะเคลื่อนที่ไปตาม mRNA จากปลาย 5’ จนถึง AUG start codon (scanning) จึงจะมีการสราง initiation complex

preinitiation complex


• mRNA ของยีนบางชนิด จะมีโครงสรางแบบ hairpin ที่ปลาย 5’ กอนถึง AUG start codon ทําใหขัดขวางการจับ หรือ การ scanning ของ preinitiation complex translation


• ความเสถียรของโครงสรางดังกลาวสามารถถูกควบคุมใหเปลี่ยนแปลงได ทําใหประสิทธภิาพของกระบวนการ translation ของยีนนั้น เปลี่ยนแปลงตามไปดวย

ดูตัวอยางการควบคุมการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวของกับ iron metabolism ใน slide ถัดไป


Nucleus

cytosol6. RNA stability

-S-S-

active protein


mRNA in closed-loop configuration ทําให RNA มีความเสถียร ไมถูกยอยสลายงายดวย ribonuclease

Functions of 5´ cap• Transport to cytoplasm• Increase translational efficiency• Protection of mRNA from degradation

mRNA stability

Functions of poly(A) tail

• Increase translational efficiency• Protection of mRNA from degradation

REGULATION OF GENE EXPRESSION - RNA STABILITY LEVEL

• อัตราสลายของ mRNA (mRNA decay rate) เปนปจจัยสําคัญอีกอันหนึ่งที่กําหนดระดับ mRNA ของยีนภายในเซลล นอกเหนือจากอัตราการสังเคราะหจากกระบวนการ transcription.

การควบคุม RNA decay จึงเปนอีกขั้นตอนที่สําคัญในการควบคุมการแสดงออกของยีน


mRNA levelmRNA levelTranscription RNA decay

• Half-life ของ mRNA ของยีนตางๆภายใน eukaryotic cells อาจจะแตกตางกันไดอยางมาก ตั้งแตไมกี่นาที ไปจนถึงหลายชั่วโมงหรือหลายวัน

Regulation of RNA decay:

• mRNA ของยีนบางยีน อาจจะมี sequence ที่มีความสําคัญในการกําหนด stability ของ mRNA

AU-rich element (ARE) at 3’ UTRpromotes poly-A shortening

Iron-responsive element (IRE) at 3’UTR

e.g.

makes mRNA susceptible to endonuclease attacks.

ดังนั้น การควบคุม activity ของ sequence ดังกลาว สามารถทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงของอัตราการสลายของ mRNA เปนผลใหการแสดงออกของยีนนั้นๆ เปลี่ยนแปลงตามไปดวย


ดูตัวอยางการควบคุมการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวของกับ iron metabolism ใน slide ถัดไป


ตัวอยางการควบคุมการแสดงออกของยนีที่เกี่ยวของกับ iron metabolism ที่ใชกลไกการควบคุมที่ระดับ translation และ RNA stability

เพื่อใหการทํางานของยีนตางๆสอดคลองกัน อาจมีการใชกลไกเพื่อควบคุมการแสดงออกของยีนหลายๆกลไก เพื่อใหเกดิการแสดงออกของยีนที่เหมาะสม

เพื่อใหการทํางานของยีนตางๆสอดคลองกัน อาจมีการใชกลไกเพื่อควบคุมการแสดงออกของยีนหลายๆกลไก เพื่อใหเกดิการแสดงออกของยีนที่เหมาะสม

example

ยีนที่เกี่ยวของกับขบวนการ metabolism ของ iron จะใชทั้งการควบคุมระดับ translation และ RNA stability ในการควบคุมการแสดงออกของยีน

Transferrin receptor gene และ ferritin gene

Iron metabolism

transferrin (iron-transport protein)

transferrin receptor

Fe2+/Fe3+

ferritin

cell usage (e.g. cytochrome, heme)

(iron-storage protein)

cell

• Transferrin receptor ทําหนาที่ขนสง iron เขาสูเซลล

• Ferritin ทําหนาที่จับกับ iron เปนแหลงเก็บสะสม iron สําหรับเซลล

• โปรตีนทั้งสองชนิดจะตองมี gene expression ที่เหมาะสมเพื่อให iron metabolism ดําเนินไปตามความตองการของเซลล

Iron metabolism



Fe2+/Fe3+

ferritin



cell

Iron metabolism



Fe2+/Fe3+

ferritin



cell

ถา gene expression ไมเหมาะสม

Transferrin receptor Ferritin Iron excessFenton reaction and oxidative damages to cells

Transferrin receptor Ferritin Iron depletion Defective cellular functions

• IRE-binding proteins (IRPs) = โปรตีนที่จับกับ IRE อยางจําเพาะ

• iron-responsive elements (IREs) = RNA sequence forming a hairpin structure.

Iron-bound IRP no binding to IRE

IRP มีคณุสมบัติในการจับกับ iron ดวย IRP ที่อยูในรูปที่จับกับเหล็ก (iron-bound IRP) จะเสียคุณสมบัติในการจับกับ IRE

5’ 3’RNA

IRE

IRP

เมื่อระดับของ iron ในเซลลลดลง เซลลจะสราง transferrin receptor มากขึ้นเพื่อชวยพา iron เขาสูเซลล และลดการสราง ferritin เพือ่เพิ่มระดับ free iron ที่เซลลจะเอาไปใชได ใหมากขึ้น


Transferrin receptor mRNATransferrin receptor mRNA • contains IRE at 3’ UTR

• binding of IRP to IREs blocks endonucleolytic cleavage of mRNA

mRNA stability

translation and level of transferrin receptor

endonucleolytic cleavage

ใชกลไก RNA stability controlใชกลไก RNA stability control

• contains an IRE at 5’ UTR

• binding of IRP to IRE stabilizes the hairpin structure and blocks translation initiation.

Ferritin mRNAFerritin mRNA

translation initiation

translation and level of ferritin

ใชกลไก translational controlใชกลไก translational control



เมื่อระดับของ iron ในเซลลเพิ่มขึ้น เซลลจะลดการสราง transferrin receptor เพื่อลดการนํา iron เขาสูเซลล และเพิ่มการสราง ferritin เพื่อไปจับ free iron ทําใหลดระดับ free iron ที่อาจจะทําอันตรายกับเซลลได


Transferrin receptor mRNATransferrin receptor mRNA • contains IRE at 3’ UTR

• binding of IRP with iron prevents it from bindng to IREs.

mRNA stability

translation and level of transferrin receptor

endonucleolytic cleavage

IRPFe • no blocking from endonucleolytic cleavage



• contains an IRE at 5’ UTRFerritin mRNAFerritin mRNA

• binding of IRP with iron prevents it from bindng to IREs.

IRPFe • no stabilization of IRE

translation initiation

translation and level of ferritin


Transcriptional VS. Post-transcriptional control of gene expression


Nucleus

cytosol

1. Gene

2. Transcription

3. RNA processing

4. RNA export

5. Translation

6. RNA stability

7. Post-translationalmodifications

-S-S-

active protein


Documents

gene regulation printout - คณะ ... · PDF filePost-translational modifications-S-S-active protein REGULATION OF GENE EXPRESSION. degraded mRNA protein ... REGULATION OF GENE