1616 Tjáning gena

16.1 Stjórnun á tjáningu gena

Námsmarkmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Rætt hvers vegna hver fruma tjáir ekki öll gen sín allan tímann
Lýst því hvernig stjórnun gena í dreifkjörnungum fer fram á stigi umritunar
Rætt hvernig stjórnun gena í heilkjörnungum fer fram á stigum utangenaerfða, umritunar, eftir umritun, við þýðingu og eftir þýðingu

Til þess að fruma starfi eðlilega þarf að mynda nauðsynleg prótín á réttum tíma og á réttum stað. Allar frumur stjórna myndun prótína út frá upplýsingum sem eru skráðar í DNA þeirra. Ferlið þar sem gen er virkjað til að mynda RNA og prótín kallast genatjáning. Hvort sem lífveran er einfaldur einfrumungur eða flókin fjölfruma lífvera stjórnar hver fruma því hvenær og hvernig gen hennar eru tjáð. Til þess að þetta geti gerst þurfa innri efnaferli að stjórna því hvenær gen er tjáð til að mynda RNA og prótín, hversu mikið er myndað af prótíninu og hvenær hætta á að mynda prótínið vegna þess að þess er ekki lengur þörf.

Stjórnun á tjáningu gena sparar orku og rými. Það myndi krefjast mikillar orku af lífveru að tjá öll gen sín allan tímann og því er orkunýtnara að virkja gen aðeins þegar þeirra er þörf. Auk þess sparar það rými í hverri frumu að tjá aðeins hluta gena, því vefja þarf DNA ofan af þéttvafinni byggingu sinni til þess að hægt sé að umrita það og þýða. Frumur þyrftu að vera gríðarstórar ef hvert einasta prótín væri tjáð í hverri frumu allan tímann.

Stjórnun á tjáningu gena er afar flókin. Truflanir í þessu ferli eru skaðlegar frumunni og geta leitt til margra sjúkdóma, þar á meðal krabbameins.

Genatjáning í dreifkjörnungum samanborið við heilkjörnunga

Til að skilja hvernig genatjáningu er stjórnað þurfum við fyrst að skilja hvernig gen kóðar fyrir virkt prótín í frumu. Ferlið á sér stað bæði í dreifkjörnungafrumum og heilkjörnungafrumum, en með örlítið mismunandi hætti.

Dreifkjörnungar eru einfruma lífverur sem skortir frumukjarna og DNA þeirra er því frjálst í umfrymi frumunnar. Til að mynda prótín fara umritun og þýðing fram nánast samtímis. Þegar prótínið sem myndast er ekki lengur nauðsynlegt stöðvast umritun. Af þeim sökum er aðalaðferðin til að stjórna því hvaða prótín eru tjáð í dreifkjörnungafrumu og hversu mikið er myndað af hverju prótíni fólgin í stjórnun umritunar DNA. Öll síðari skrefin gerast sjálfkrafa. Þegar þörf er á meira prótíni eykst umritun. Því fer stjórnun á tjáningu gena í dreifkjörnungafrumum að mestu fram á stigi umritunar.

Heilkjörnungafrumur hafa hins vegar innanfrumulíffæri sem auka flækjustig þeirra. Í heilkjörnungafrumum er DNA geymt inni í frumukjarnanum og þar er það umritað í RNA. Nýmyndað RNA er síðan flutt út úr kjarnanum og í umfrymið, þar sem ríbósóm þýða RNA í prótín. Umritun og þýðing eru líkamlega aðskilin með kjarnahjúpnum; umritun fer aðeins fram inni í kjarnanum og þýðing aðeins utan hans, í umfryminu. Stjórnun á tjáningu gena getur átt sér stað á öllum stigum ferlisins (Mynd 16.2). Stjórnun getur farið fram þegar DNA er afvafið og losað frá litnisögnum svo umritunarþættir geti bundist því (stig utangenaerfða), þegar RNA er umritað (stig umritunar), þegar RNA er unnið og flutt út í umfrymið eftir umritun (stig eftir umritun), þegar RNA er þýtt í prótín (stig þýðingar) eða eftir að prótínið hefur verið myndað (stig eftir þýðingu).

A cell diagram is shown. A signal leads to chromatin unpacking through histone acetylation, DNA methylation, which triggers DNA transcription, RNA processing by adding 5’ cap, poly A tail, and splicing of introns and exons, and m R N A to leaving the nucleus and entering the cytoplasm. In the cytoplasm, translation occurs, leading to formation of a polypeptide, its processing and modification to produce protein’s functional form, transport to designated cellular and extracellular destinations, eventual degradation of both the mRNA and the protein. — **Mynd 16.2.** Staðir stjórnunar á tjáningu gena. Stjórnun á tjáningu gena á sér stað á mörgum þrepum frá DNA til virkrar genaafurðar, sem er yfirleitt prótín. Hún hefst með byggingu litnis, sem gerir DNA meira eða minna aðgengilegt fyrir umritun með RNA-pólýmerasa. Í heilkjörnungum þarf að vinna frum-mRNA áður en hægt er að þýða það í umfryminu. Endanlegt magn virks prótíns í frumunni ræðst ekki aðeins af hraða nýmyndunar heldur einnig af hraða niðurbrots mRNA og prótíns. Heimild: Rao, A. og Ryan, K., Department of Biology, Texas A&M University.

Prokaryotic cells do not have a nucleus, and D N A is located in the cytoplasm. Ribosomes attach to the m R N A as it is being transcribed from D N A. Thus, transcription and translation occur simultaneously. In eukaryotic cells, the D N A is located in the nucleus, and ribosomes are located in the cytoplasm. After being transcribed, pre m R N A is processed in the nucleus to make the mature mRNA, which is then exported to the cytoplasm where ribosomes become associated with it and translation begins. — **Mynd 16.3.** Stjórnun í dreifkjörnungum og heilkjörnungum. A. Umritun og þýðing í dreifkjörnungum eiga sér stað samtímis í umfryminu og stjórnun fer fyrst og fremst fram á stigi umritunar. B. Genatjáningu í heilkjörnungum er stjórnað við umritun og RNA-vinnslu, sem fara fram í kjarnanum, og við þýðingu prótína, sem fer fram í umfryminu. Frekari stjórnun getur átt sér stað með breytingum á prótínum eftir þýðingu, bæði í dreifkjörnungum og heilkjörnungum. Heimild: Rao, A., Ryan, K., Fletcher, S. og Tag, A., Department of Biology, Texas A&M University.

Munurinn á stjórnun á tjáningu gena hjá dreifkjörnungum og heilkjörnungum er dreginn saman í töflu 16.1. Fjallað er nánar um stjórnun á tjáningu gena í síðari hlutum.

Munur á stjórnun á tjáningu gena hjá dreifkjörnungum og heilkjörnungum
Dreifkjörnungar	Heilkjörnungar
Skortir himnubundinn kjarna	Hafa kjarna
DNA er í umfryminu	DNA er afmarkað við kjarnahólfið
Umritun RNA og próteinmyndun eiga sér stað nánast samtímis	Umritun RNA á sér stað á undan próteinmyndun og fer fram í kjarnanum. Þýðing RNA í prótín fer fram í umfryminu.
Genatjáningu er fyrst og fremst stjórnað á stigi umritunar	Genatjáningu er stjórnað á mörgum stigum: á stigi utangenaerfða, umritunar, flutnings úr kjarna, eftir umritun, við þýðingu og eftir þýðingu

Tengsl við þróun

Þróun stjórnunar gena

Dreifkjörnungafrumur geta aðeins stjórnað genatjáningu með því að stjórna magni umritunar. Eftir því sem heilkjörnungafrumur þróuðust jókst flækjustig stjórnunar á tjáningu gena. Til dæmis fylgdi þróun heilkjörnungafrumna hólfaskipting mikilvægra frumuþátta og frumuferla. Kjarnasvæði sem inniheldur DNA myndaðist. Umritun og þýðing urðu líkamlega aðskilin og fóru fram í tveimur ólíkum frumuhólfum. Þar með varð mögulegt að stjórna genatjáningu með því að stýra umritun í kjarnanum og einnig með því að stjórna RNA-magni og próteinþýðingu utan kjarnans.

Stjórnun gena þjónar oftast því hlutverki að spara auðlindir frumunnar. Önnur stjórnunarferli geta þó verið varnarviðbrögð. Frumuferli eins og genaþöggun þróuðust til að vernda frumuna gegn veiru- eða sníkjudýrasýkingum. Ef fruman gat slökkt hratt á genatjáningu í stuttan tíma gat hún lifað af sýkingu þegar aðrar lífverur gátu það ekki. Þannig þróaði lífveran nýtt ferli sem hjálpaði henni að lifa af og gat síðan komið þessari nýjung áfram til afkvæma.