Informace

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_22 - biologie


Učební cíle spojené s 2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_22

  • Rozlišujte a převádějte mezi řetězci kódování/nekódování, šablony/bez šablony.
  • Definujte a vysvětlete funkci a strukturu otevřeného čtecího rámce (ORF).
  • Vytvořte model pro základní transkripční jednotku, která zahrnuje promotory, transkripční regulační místa pro vazbu transkripčního faktoru, vazebné místo pro ribozomy, kódující oblast,stopkodon atranskripčníterminátor.
  • Použijte model transkripční jednotky k diskusi o rolích každého ze strukturních prvků transkripční jednotky. Identifikujte ty, kteréjsou přepsány, ti, kteří mohoubýt přeložena ty, které slouží jiným rolím.
  • Vytvořte dynamický model (verbální, kreslící atd.)zthe proces transkripce, která zahrnuje reaktanty, produkty, enzymy, místa na DNA potřebná k provedení transkripce a jak tyto komponenty interagují s templátem DNA v různých časech během procesu. Dejte své modelydoakce!

Tok genetických informací

U bakterií, archea a eukaryot je primární úlohou DNA uchovávat dědičné informace, které kódují instrukční sadu potřebnou k vytvoření dotyčného organismu. Rychle jsme si přečetli chemické složení (sekvence nukleotidů v genomu a některé chemické modifikace, které

jsou vyrobeny

k tomu), stále nevíme, jak spolehlivě dekódovat všechny informace uvnitř a všechny mechanismy, kterými je

je přečteno

a nakonec vyjádřen.

Se čtením a expresí genetického kódu, jehož základní kroky, je však spojeno několik základních principů a mechanismů

jsou pochopeny

a to musí být součástí koncepční sady nástrojů pro všechny biology. Dva z těchto procesů jsou transkripce a translace, což je zvládnutí částí genetického kódu zapsaného v DNA do molekul příbuzné polymerní RNA a čtení a kódování RNA kódu do proteinů.

V BIS2A se zaměřujeme na rozvoj porozumění

proces

transkripce (připomeňme si, že Energetický příběh je rubrika pro popis procesu) a její roli při expresi genetické informace. Diskuse o transkripci motivujeme tím, že se zaměříme na funkční problémy (přinášíme části naší rubriky pro řešení problémů/návrh výzvy), které musí

být vyřešen

proces, který má proběhnout. Poté popíšeme, jak tento proces probíhá

se používá

od přírody k vytvoření řady funkčních molekul RNA (které mohou mít různé strukturální, katalytické nebo regulační role) včetně takzvané messengerové RNA (

mRNA

) molekuly, které nesou informace potřebné k syntéze proteinů. Podobně se zaměřujeme na výzvy a otázky spojené s procesem translace, procesem, při kterém ribozomy syntetizují proteiny.

Základní tok genetické informace v biologických systémech často zobrazujeme ve schématu známém jako „centrální dogma“ (viz obrázek níže). Toto schéma uvádí, že informace kódované v DNA proudí do RNA pomocí transkripce a nakonec jsou přeloženy do proteinů. Procesy jako reverzní transkripce (tvorba DNA z a templátu RNA) a replikace také představují mechanismy šíření informací v různých formách. Toto schéma však samo o sobě neříká nic o tom, jak informaceje zakódovánnebo o mechanismech, kterými se regulační signály pohybují mezi různými vrstvami typů molekul znázorněných v modelu. Proto, zatímco níže uvedené schéma je téměř požadovanou součástí lexikonu jakéhokoli biologa, možná zbylo zstarýtradice, studenti by také měli vědět, že mechanismy toku informací jsou složitější (o některých se dozvíme za pochodu a že „ústřední dogma“ představuje pouze některé základní cesty).

Obrázek 1. Tok genetických informací.
Atribuce:Marc T. Facciotti (původní dílo)

Genotyp k fenotypu

Důležitým konceptem v následujících částech je vztah mezi genetickou informací, genotyp, a výsledek jeho vyjádření, fenotyp. Tyto dva termíny a mechanismy, které je spojují, budouprojednatněkolik následujících týdnů opakovaně - začněte ovládat tuto slovní zásobu.

Postava2.Informace v DNA, které budoubýt vyjádřenpřepisemJe uloženv sekvenci jednotlivých nukleotidů čtených ve směru 5 'až 3'. Konverze informace z DNA na RNA (proces nazývaný transkripce) vyjadřuje tyto informace do dočasné kopie, která může být funkční tak, jak je (např.tRNA,rRNA) nebo zpráva kódující informace potřebné k vytvoření proteinu (např.mRNA). Buňky používajímRNAjako šablona pro tvorbu proteinů pomocí translace. Zde ukazujeme dvě různé sekvence DNA. Rozdíly v každé sekvenci DNA vedou k produkci dvou různýchmRNA, následovaná syntézou dvou různých proteinů. Nakonec tyto různé proteiny vytvářejí u myší dvě různé barvy srsti.

Genotyp se týká informací uložených v DNA organismu, sekvenci nukleotidů a kompilaci jeho genů. Fenotyp označuje jakoukoli fyzickou charakteristiku, kterou můžete měřit, jako je výška, hmotnost, množství produkovaného ATP, schopnost metabolizovat laktózu a reakce na podněty prostředí. Rozdíly v genotypu, sudémírný, může vést k různým fenotypům podléhajícím přirozenému výběru. Obrázek nahoře zobrazuje tuto myšlenku. Všimněte si také, že zatímco mluvíme klasicky o vztahu genotypu a fenotypu vkontextmnohobuněčné organismy, tato nomenklatura a základní koncepty platí pro všechny organismy, dokonce i pro jednobuněčné organismy, jako jsou bakterie a archea.

Geny

Co je to gen? A gen je segment DNA v genomu organismu, který kóduje funkční RNA (jako např

rRNA

,

tRNA

,

atd

.)

nebo

proteinový produkt (enzymy, tubulin atd.). Generický gen obsahuje prvky kódující regulační oblasti a oblast kódující transkribovanou jednotku.

Geny mohou získat mutace- definováno jako změny ve složení a nebo sekvenci nukleotidů - buď v kódujících nebo regulačních oblastech. Tyto mutace mohou vést k několika výsledkům: (1) v důsledku toho se nestane nic měřitelného; (2) gen již není exprimován; nebo (3) exprese nebo chování genového produktu

(

s) jsou různé. V populaci organismů sdílejících totéž

gen

různé varianty genu

jsou známy

tak jako alely. Různé alely mohou vést k rozdílům ve fenotypech jedinců a přispět k rozmanitosti biologie pod selektivním tlakem.

Začněte se učit tyto pojmy slovní zásoby a související pojmy. Pak budeš

poněkud

obeznámeni s nimi, když se do nich podrobněji ponoříme během příštích přednášek.

Obrázek 3. Genskládá se zkódující oblast pro RNA nebo proteinový produkt doprovázená jeho regulačními oblastmi.Kódující oblast je přepsánadoRNAkterýse pak překládádo bílkovin.

Přepis z DNA do RNA

Shrnutí sekce

Bakterie, archea a eukaryoty musí přepisovat geny ze svých genomů. Zatímco umístění buňky může být různé (eukaryoty provádějí transkripci v jádře; bakterie a archea provádějí transkripci v cytoplazmě), mechanismy, kterými organismy z každého z těchto kladů provádějí tento proces, jsouzásadnětotéž a můžebýt charakterizovánve třech fázích: zahájení, prodloužení a ukončení.

Krátkýpřehled transkripce

Přepis jeprocesvytvoření kopie RNA segmentu DNA. Protože se jedná o a proces„Chceme použít rubriku Energetický příběh, abychom vyvinuli funkční porozumění transkripci. Jak vypadá systém molekul před začátkem transkripce? Jak to vypadá na konci? K jakým transformacím hmoty a přenosům energie dochází během transkripce a co tento proces katalyzuje? Chceme také přemýšlet o postupu od aDesign Challengestanovisko. Pokud je biologickým úkolem vytvořit kopii DNA v chemickém jazyce RNA, jaké výzvy můžeme rozumně předpokládat nebo očekávat, vzhledem k našim znalostem o jiných procesech polymerů nukleotidů, musímebýt překonán? Existují důkazy, že příroda vyřešila tyto problémy různými způsoby? Jaká se zdají být kritéria úspěchu transkripce? Dostanete nápad.

Seznam některých základních požadavků na přepis

Podívejme se nejprve na úkoly, které máme k dispozici, s využitím některých našich základních znalostí a představme si, co by se mohlo stát během transkripce, pokud je cílem vytvořit kopii RNA kusu jednoho vlákna dvouvláknové molekuly DNA. Uvidíme, že použití nějaké základní logiky nám umožňuje odvodit mnoho důležitých otázek a věcí, které potřebujeme vědět

v pořádku

správně popsat postup.

Představme si, že chceme navrhnout nanomachine/nanobot, který by prováděl transkripci. Některé můžeme použít

Design Challenge

myšlení identifikovat problémy a podproblémy, které je třeba

být vyřešen

naším malým robotem.

• Kde by měl stroj začít? Kde jsou stroje, podél milionů až miliard párů bází

být nasměrován

?
• Kde by se měl stroj zastavit?
• Pokud máme stránky pro spuštění a zastavení, budeme potřebovat způsoby, jak tyto informace zakódovat do našeho počítače

(

s) může číst tyto informace - jak to bude

být splněno

?
• Kolik RNA kopií DNA budeme muset udělat?
• Jak rychle potřebují kopie RNA

být vyroben

?
• Jak přesně kopie potřebují

být vyroben

?
• Kolik energie proces vezme a odkud bude energie pocházet?

To jsou jen některé základní otázky. Člověk může kopat hlouběji, pokud si to přejí. Ty jsou však již dost dobré na to, abychom si z tohoto procesu udělali dobrý pocit. Všimněte si také, že mnoho z těchto otázek je nápadně podobných těm, které jsme odvodili, může být nutné k pochopení replikace DNA.

Stavební bloky transkripce

Stavební bloky RNA

Připomeňme si z naší diskuse o struktuře nukleotidů, že stavební bloky RNA jsou velmi podobné těm v DNA. V RNA stavební bloky obsahují nukleotid trifosfáty, kteréjsou složenyribózového cukru, dusíkaté báze a tří fosfátových skupin. Klíčové rozdíly mezi stavebními kameny DNA a RNA jsou v tomSkládají se molekuly RNAnukleotidů s ribózovými cukry (na rozdíl od deoxyribózových cukrů) a použijte uridin, nukleotid obsahující uracil (na rozdíl od thymidinu v DNA). Níže si povšimněte, že uracil a tymin jsou strukturálně velmi podobné - uracilu chybí methyl (CH3) funkční skupina ve srovnání s thyminem.

Obrázek 1. Základní chemické složky nukleotidů.
Atribuce:Marc T. Facciotti (původní dílo)

Zahájení transkripce

Promotéři

Proteiny zodpovědné za vytvoření kopie RNA konkrétního kusu DNA (transkripce) musí být nejprve schopné rozpoznat začátek prvkubýt zkopírován. A promotor je sekvence DNA, na kterou se váží a začínají transkripci různé proteiny, souhrnně známé jako transkripční stroje. Ve většině případů existují promotory upstream (5 'od kódující oblasti) genů, které regulují. Specifická sekvence promotoru je velmi důležitá, protože určuje, zda buňka transkribuje odpovídající kódující část genu po celou dobu, někdy nebo zřídka. Ačkoli se promotory mezi druhy liší, několik prvků podobných sekvencíjsou někdy konzervovány. Na-10a-35oblasti proti proudu od iniciačního místa existují dvěpromotorkonsensu sekvence nebo oblasti podobné napříč mnoha promotory a napříč různými druhy. Některé promotory budou mít sekvenci velmi podobnou konsensuální sekvenci (sekvence obsahující nejběžnější prvky sekvence) a jiné budou vypadat velmi odlišně. Tyto variace sekvence ovlivňují sílu, na kterou se transkripční aparát může vázat na promotor, aby zahájil transkripci. To pomáhá řídit počet přepisů, kteréjsou vyrobenya jak často se vyrábějí.

Obrázek 2. (a) Obecný diagram genu. Gen zahrnuje promotorovou sekvenci, netranslatovanou oblast (UTR) a kódující sekvenci. (b) Seznam několika silných E. colipromotorsekvence. Pole -35 a -10jsou vysoce konzervovanésekvence v seznamu silných promotorů. Slabší promotory budou mít ve srovnání s těmito sekvencemi větší rozdíly párů bází.
Zdroj: http://www.discoveryandinnovation.co...přednáška12.html

Bakteriální vs. eukaryotické promotory

V bakteriálních buňkách je konsensuální sekvence -10, nazývaná oblast -10, bohatá na AT, často TATAAT. Sekvence -35, TTGACA,

je uznáván

a vázán proteinem σ. Jakmile tato interakce protein-DNA

je vyrobeno

, podjednotky jádrové RNA polymerázy se vážou na místo. Vzhledem k relativně nižší stabilitě asociací AT usnadňuje oblast -10 bohatá na AT odvíjení templátu DNA a je vytvořeno několik fosfodiesterových vazeb.

Eukaryotické promotory jsou mnohem větší a složitější než prokaryotické promotory, ale oba mají oblast bohatou na AT-v eukaryotech to

se obvykle nazývá

pole TATA. Například v genu pro myší thymidinkinázu

nachází se pole TATA

na

přibližně -30

. Pro tento gen je přesná sekvence TATA boxu TATAAAA, jak se čte ve směru 5 'až 3' na řetězci bez šablony. Tato sekvence není identická s E-coli -10 regionu, ale oba sdílejí kvalitu

bytost

Prvek bohatý na AT.

Místo jediné bakteriální polymerázy kódují genomy většiny eukaryot tři různé RNA polymerázy, z nichž každá se skládá z deseti nebo více proteinových podjednotek. Každá eukaryotická polymeráza také vyžaduje odlišnou sadu proteinů známých jako transkripční faktory získat jej k promotérovi. Kromě toho armáda dalších transkripčních faktorů, proteinů známých jako zesilovače a tlumiče pomáhají regulovat syntézu RNA z každého promotoru. Zesilovače a tlumiče ovlivňují účinnost transkripce, ale jsou

není nutné

pro zahájení transkripce nebo jejího průvodu. Bazální transkripční faktory jsou rozhodující při tvorbě a preiniciační komplex na DNA templátu, který následně rekrutuje RNA polymerázu pro iniciaci transkripce.

Zahájení transkripce začíná vazbou RNA polymerázy na promotor. Přepis vyžaduje dvojitou šroubovici DNAčástečně se uvolnittak, že jeden pramen můžepoužít jakošablona pro syntézu RNA. Oblast odvíjeníje nazývánA transkripční bublina.

Obrázek 3. Během prodloužení RNA polymeráza sleduje DNA templát, syntetizuje mRNA ve směru 5 'až 3' a odvíjí sepak se převineDNA jako takováje přečteno.

Prodloužení

Přepis vždy vychází z vlákno šablony, jedno ze dvou řetězců dvouvláknové DNA. RNA produkt je komplementární k templátovému vláknu a je téměř identický s netemplate vláknem, nazývaným kódovací vlákno, s výjimkou toho, že RNA obsahuje thacil (T) nacházející se v DNA, uracil (U). Během prodloužení se nazývá enzym RNA polymeráza probíhá podél templátu DNA a přidává nukleotidy spárováním bází s templátem DNA podobným způsobem jako replikace DNA, přičemž rozdílem je vlákno RNA, kteréje syntetizovánnezůstává vázán na DNA templát. Jak postupuje prodloužení, DNAse neustále odvíjípřed jádrovým enzymem a přetočil se za něj. Všimněte si toho, že směr syntézy je stejný jako usynsisv DNA - 5 'až 3'.

Obrázek 4. Během prodlužování sleduje RNA polymeráza podél DNA templátu, syntetizuje mRNA ve směru 5 'až 3', odvíjí a poté navíjí DNA jakoje přečteno.

Obrázek 5. Přidání nukleotidů během transkripčního procesu je velmi podobné přidání nukleotidůvReplikace DNA. RNAje polymerizovánod 5 'do 3' a s každým přidáním nukleotidu je fosfoanhidridová vazba hydrolyzována enzymem, což vede k delšímu polymeru a uvolnění dvou anorganických fosfátů.
Zdroj: http://utminers.utep.edu/rwebb/html/ ...dlouhověkost.html

Bakteriální vs. eukaryotické prodloužení

U bakterií začíná prodloužení uvolněním σ podjednotku z polymerázy. Disociace σ umožňuje jádrovému enzymu postupovat podél DNA templátu, syntetizovat mRNA ve směru 5 'až 3' rychlostí přibližně 40 nukleotidů za sekundu. Jak postupuje prodloužení, DNA

se neustále odvíjí

před jádrovým enzymem a přetočil se za něj. Párování bází mezi DNA a RNA není dostatečně stabilní, aby udrželo stabilitu složek syntézy mRNA. Místo toho RNA polymeráza působí jako stabilní linker mezi templátem DNA a rodícími se vlákny RNA, aby bylo zajištěno prodloužení

není přerušeno

předčasně.

V eukaryotech, po vytvoření preiniciačního komplexu, polymerázy

je vydána

z ostatních transkripčních faktorů a

prodloužení je povoleno

postupovat jako u prokaryot s polymerázou syntetizující pre-mRNA ve směru 5 'až 3'. Jak bylo diskutováno dříve, RNA polymeráza II transkribuje hlavní podíl eukaryotických genů, takže tato část se zaměří na to, jak tato polymeráza dosahuje prodloužení a ukončení.


Možná NB diskuse Směřovat

Porovnejte a porovnejte energetický příběh pro zahájení replikace DNA + prodloužení s energetickým příběhem pro zahájení transkripce + prodloužení.


Ukončení

V bakteriích

Jednou gen

je přepsán

, bakteriální polymeráza se potřebuje disociovat z templátu DNA a uvolnit nově vytvořenou mRNA. V závislosti na transkribovaném genu existují dva druhy terminačních signálů. Jedním je

A

na bázi proteinů a druhý je na bázi RNA. Ukončení závislé na Rho

je ovládán

podle

rho

protein, který sleduje polymerázu na rostoucím řetězci mRNA. Blízko konce genu polymeráza narazí na běh G nukleotidů na DNA templátu a zastaví se. Výsledkem je, že

rho

protein koliduje s polymerázou. Interakce s rho uvolňuje mRNA z transkripční bubliny.

Rho-nezávislé ukončení

je ovládán

specifickými sekvencemi v řetězci DNA templátu. Jak se polymeráza blíží konci transkribovaného genu, narazí na oblast bohatou na CG nukleotidy. MRNA se složí zpět na sebe a komplementární CG nukleotidy se vážou

spolu

. Výsledkem je stabilní sponka do vlasů což způsobí zastavení polymerázy, jakmile se zastaví

začíná přepisovat

oblast bohatá na AT nukleotidy. Komplementární UA oblast transkriptu mRNA tvoří pouze slabou interakci s templátovou DNA. To ve spojení se zastavenou polymerázou vyvolává dostatečnou nestabilitu, aby se jádrový enzym mohl odlomit a uvolnit nový transkript mRNA.

V eukaryotech

Ukončení transkripce je u různých polymeráz různé. Na rozdíl od prokaryot probíhá u eukaryot prodloužení RNA polymerázou II1,000–2 000 nukleotidů za koncem transkribovaného genu. Tento pre-mRNAocasje následně odstraněnštěpením během zpracování mRNA.Na druhé straně RNApolymerázy I a III vyžadují ukončovací signály. Geny přepsané RNA polymerázou I obsahují specifickou 18-nukleotidovou sekvenci, kteráje uznávánterminačním proteinem. Proces ukončení v RNA polymeráze III zahrnuje podobnou vlásenku mRNAnarho-nezávislé ukončení transkripce v prokaryotech.

V archaea

Ukončení transkripce v archea je mnohem méně studováno než v ostatních dvou oblastech života astále není dobře srozumitelný. Zatímco funkční detaily se pravděpodobně podobají mechanismům, které majíbyl viděnv ostatních oblastech života jsou detaily mimorozsahtento kurz.

Mobilní umístění

U bakterií a archea

U bakterií a archea se transkripce vyskytuje vcytoplazma,kde DNAje umístěn. Protože umístění DNA, a tím i proces transkripce,nejsou fyzicky oddělenize zbytku buňky překlad často začíná před dokončením transkripce. To znamená, že mRNA v bakteriích a archeach je použita jako templát pro protein, než vytvoří celou mRNA. Nedostatek prostorové segregace také znamená, že pro tyto procesy existuje jen velmi málo časové segregace. Obrázek 6 ukazuje procesy transkripce a translace probíhající současně.

Obrázek 6. Přidání nukleotidů během transkripčního procesu je velmi podobné přidání nukleotidůvReplikace DNA.
Zdroj:Marc T. Facciotti (vlastní práce)

V eukaryotech ....

V eukaryotech proces transkripceje fyzicky oddělenze zbytku buňky, oddělené uvnitř jádra. Výsledkem jsou dvě věci: mRNA je dokončena před zahájením překladu a před zahájením překladu je čas „upravit“ nebo „upravit“ mRNA. Fyzické oddělení těchto procesů dává eukaryotům šanci změnit mRNA takovým způsobem, aby se prodloužila životnost mRNA nebo dokonce změnil proteinový produkt, kterýbýt vyrobenz mRNA.

Zpracování mRNA

5 'G-cap a 3' poly-A ocas

Kdyžeukaryotikgenje přepsán, buňka zpracovává primární transkript v jádře několika způsoby. Eukaryotické buňkyupravitmRNAna 3 'konci přidáním ocasu poly-A. Tento běh zbytku A.je přidánoenzymem, který nepoužívá genomovou DNA jako templát. MRNA mají chemickou modifikaci 5 'konce, nazývanou 5'-víčko. Data naznačují, že tyto modifikace pomáhají prodloužit životnost mRNA (zabránit jejímu předčasnému rozkladu v cytoplazmě) a pomáhají mRNA zahájit translaci.

Obrázek 7. předmRNAjsou zpracoványv sérii kroků.Intronyjsou odstraněny, 5 'čepice a poly-A ocasjsou přidány.
Zdroj: http://www.discoveryandinnovation.co...přednáška12.html

Možná NB diskuse Směřovat

Transkriptomika je obor „-omiky“, který zahrnuje studium transkriptomu organismu nebo populace nebo kompletní sady všech molekul RNA. Jaké informace můžete získat studiem transkriptomů? Napadají vás nějaké skvělé vědecké otázky, které by mohla pomoci vyřešit transkriptomická analýza? Jaká jsou některá omezení transkriptomických přístupů, na která byste při provádění analýz měli pamatovat?


Alternativní spojování

Sestřih se vyskytuje na většině eukaryotických mRNA, ve kterých jsou intronyjsou odstraněnyze sekvence mRNA a exonůjsou ligoványspolu. To může vytvořit mnohem kratší mRNA, než byla původně přepisována. Spojování umožňuje buňkám kombinovat sekterýexonyjsou začleněnydo konečného produktu mRNA. Jak ukazuje obrázek níže, může to vést k tomu, že více genů bude kódováno jediným genem.

Postavení 8. Informace uložené v DNA jsou konečné.V některých případechOrganismy mohou tyto informace kombinovat a vytvářet z nich různé konečné produkty. V eukaryotech alternativní sestřih umožňuje vytvoření různých produktů mRNA, kteréna oplátkuJsou používányv translaci k vytvoření různých proteinových sekvencí. To nakonec vede k produkci různých bílkovintvary,a tedy různé proteinové funkce.
Zdroj: http://www.discoveryandinnovation.co...přednáška12.html