Otavan Opiston logoOtavan OpistoNettilukioNettiperuskouluMuikku

Lisämateriaali:

2.3.3 Geenien toiminnan säätelytekijöitä

Kaiken kaikkiaan transkriptio onkin tärkein pullonkaulakohta geenien säätelyssä. Se seikka, toimiiko jokin geeni johtuu yleensä siitä, lähteekö kyseisin geenin transkriptio käyntiin. Jotta geenien voi sanoa toimivan normaalisti,  täytyy juuri tiettyjen geenien ilmentyä oikeaan aikaan, oikeassa kudoksessa ja oikeassa kehitysvaiheessa.   Geneetikkojen työsarkaan kuuluu muun muassa selvitellä transkriptiota säätelevien proteiinien  toimintaa, jotka joko kiihdyttävät tai vaimentavat geenien ilmenemistä.

Näistä transkriptiotekijöistä osa on kaikkien geenien toimintaan kohdistuvia, osa erityisesti tiettyjen geenien ilmenemiseen vaikuttavia  proteiineja.Yleisten transkriptiotekijöiden (TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF) läsnäolo geenien käynnistäjien TATA-alueella on välttämätöntä, jotta transkriptio lähtee alkuun. Sinkkisormet, leusiinivetoketjut, ja heliksi-mutka-heliksin sisältävät proteiinit (engl. homeodomain) ovat tavallisimman tyyppiset transkriptiota säätelevät proteiinit.

  • 20 - 30 aminohappoa sisältävien sinkkisormien toiminnalle on olennaista sinkkiatomi, johon kysteiini- ja histidiiniaminohapot sitoutuvat. Sormimainen lenkkirakenne puolestaan sitoutuu dna-molekyylin isompaan kuoppaan, ja tämän rakenteen aminohappojärjestys määrää sitoutumisen spesifisyyden. Joissakin proteiineissa, olivat ne sitten transkriptiotekijöitä tai muita dna:han sitoutuvia proteiineja, on vain yksi sinkkisormi. Tavallisemmin yhdessä proteiinissa voi olla useita sinkkisormirakenteita, ja siten nämä proteiinit voivat olla yhteensopivia laajankin dna-alueen kanssa.    
  •  Leusiinivetoketjut koostuvat kahdesta alfa-helikaalisesta rakenteesta, joissa joka seitsemäs aminohappo on leusiini. Saksien kädensijoja muistuttavat leusiinivetoketjun aminopäät  sitoutuvat dna-molekyylin isompaan kuoppaan. Vaikka leusiinivetoketju -nimitys onkin jäänyt käyttöön, eivät nämä proteiinit ole rakenteeltaan itse asiassa ole niin tiukasti kiinni toisissaan kuin vetoketjun vastinosat.
  • Homeodomain-proteiinit säätelevät transkriptiota ja yksilönkehitystä

Banaanikärpäsen  yksilönkehitystä sääteleviä geenejä on tutkittu paljon. Muidenkin lajien yksilönkehitykseen liittyvät homeoottiset geenit (Hox -geenit) sisältävät monilla lajeilla melko samana säilyneen emäsjakson, joka koodaa juuri dna:han sitoutuvaa homeodomain-osaa. Tämä osa koostuu  alfa-helikaalisesta ja heliksi-mutka-heliksi -rakenteesta.

    • Reseptori-proteiinit geenien toiminnan säätelijöinä

Myös jotkut proteiinit, jotka toimivat hormonien reseptoreina, säätelevät  myös geenien ilmenemistä. Esimerkiksi steroidit, D3-vitamiini, retinaattihappo ja kilpirauhashormoni sitoutuvat solukalvolla sijaitseviin reseptoreihinsa. Nämä hormoni-reseptori-kompleksit siirtyvät tumaan, missä ne sitoutuvat sopiviin kohtiin dna:ssa. Esimerkiksi glukokortikoidi reseptoreineen tunnistaa palindromisen dna-jakson (engl. glucocorticoid response element). Näin eri hormonit  kiihdyttävät eri geenien toimintaa.

Repressorit estävät transkriptiota

Käynnistäjä-alueelle sitoutuvat proteiinit, jotka estävät rna-polymeraasia sitoutumasta tai pääsemästä liikkeelle, estävät tehokkaasti geenien ilmenemisen. Rna-polymeraasi voi itsekin toimia säätelijänä -  jos solussa on ylimäärin näitä entsyymejä, riittää niitä tukkimaan myös käynnistäjän jälkeisiä alueita dna:ssa. Transkriptiota estäviä proteiineja kutsutaan yleisesti repressoreiksi, ja ne sitoutuvat  operaattoriin.

Bakteerien geenisäätely tunnetaan parhaiten

Parhaiten tunnetaan bakteerioperoniin vaikuttavien repressorien eli estäjämolekyyline toimintaa. Estäjiin perustuva negatiivinen geenitoiminnan säätely on nimenomaan prokaryooteille ominaista. Bakteereilla on ollut pidempi aika kehittyä taloudellisiin elintapoihin kuin eukaryooteilla. Klassinen esimerkki bakteerien taloudellisuudesta on tryptofaani-aminohapon kyky estää rna-polymeraasia etenemästä geeneihin, jotka koodaavat tryptofaanin valmistukseen tarvittavia entsyymejä. Eihän tätä aminohappoa tarvitse valmistaa, mikäli sitä on bakteerisolussa muutenkin tarjolla.

Toisaalta geenit voivat pysyä hiljaisina, jollei tietty proteiini vartavasten indusoi eli saa transkriptiota alkuun. Nämä indusoivat proteiinit vaikuttavat  estäjän irtoamiseen dna:sta tai ne muuttavat rna-polymeraasin kolmiulotteisen rakenteen sellaiseksi, että se kykenee sitoutumaan käynnistäjään. Eukaryoottien geenitoiminnan säätely perustuu nykytietämyksen mukaan enimmäkseen tällaiseen positiiviseen säätelyyn, jossa aktivoiva(t) proteiini(t) on välttämätön geenien ilmenemiselle. 

Esimerkkejä bakteerien geenisäätelystä:

  • Glukoosi estää muita sokereita hajottavia entsyymejä valmistumasta

Jos glukoosi-sokeri, joka on E. coli-bakteerille mieluisin hiilenlähde, sattuu loppumaan, alkaa bakteeri käyttää hyväkseen muitakin sokereita, kuten laktoosia, galaktoosia ja arabinoosia.  Bakteerit  pystyvät säätelemään 'ruo'ansulatusentsyymiensä' valmistusta näiden geenien ilmenemistä säätelemällä. Tällöin  vain tarvittavaa entsyymiä koodaavat bakteerin geenit kytkeytyvät 'päälle', tarpeettomien geenien toiminta vaimenee. 

Glukoosi vähentää cAMP:n määrää bakteerisolussa. cAMP puolestaan vaikuttaa siihen, että CAP-proteiini (engl. catabolite activator protein) pystyy aktivoimaan niiden geenien ilmenemistä, joiden tuotteet hajottavat glukoosille vaihtoehtoisia sokereita. Glukoosi siis vaimentaa epäsuorasti  muiden sokereiden hyödyntämiseen tarvittavien entsyymien geenien ilmenemistä.

    • Laktoosi saa estäjän irtoamaan bakteerioperonin säätelyalueesta

Bakteereilla laktoosin hyödyntämiseen liittyvät  geenit alkavat toimia vasta silloin, kun bakteerisolussa on laktoosia - muutenhan näiden geenien tuottamia entsyymejä ei tarvita. Kun laktoosi kiinnittyy estäjään, irtoaa moniosainen estäjä dna:sta, koska molekyylin kolmiulotteinen rakenne muuttuu. Siten bakteerin laktoosin hyödyntämiseen liittyvät 'ruo'ansulatusentyymigeenit' alkavat toimia. Beeta-galaktosidaasi on varsinainen laktoosia glukoosiksi ja galaktoosiksi pilkkova entsyymi.

Proteiinit ja dna-jaksot transkription säätelijöinä

Mutaatioiden perusteella on pääteltävissä, millainen säätelyjärjestelmä on kyseessä. Esimerkiksi laktoosioperoniin voi kohdistua erilaisia mutaatioita, joilla on erilaisia vaikutuksia. Varsinainen käynnistäjäalue voi muteerata niin, ettei rna-polymeraasi kykene sitoutumaan siihen tavalliseen tapaansa - silloin laktoosioperonin geenit eivät ilmene koskaan. Myös repressorin sitoutumiskohta dna:ssa voi muteerata, jolloin repressori ei voi kiinnittyä siihen - silloin operonin geenit ovat aina toiminnassa. Mikäli mutaatio kohdistuu repressoria koodaavaan erilliseen säätelygeeniin, ei virheellinen repressori kykene irtoamaan käynnistäjästä laktoosin indusoimanakaan.

Säätelijägeenit ovat tärkeitä geenejä, sillä ne vaikuttavat koodamiensa proteiinien välityksellä muiden geenien ilmenemiseen. Siten niiden vaikutus kohdistuu laajaan geenijoukkoon.

Rakennegeenit ovat varsinaisia proteiineja koodaavia geenejä, joiden ilmenemiseen säätelevät proteiinit vaikuttavat. Välttämättömät taloudenpitogeenit ovat juuri rakennegeenejä, joskin toisinaan myös pelkkää rna:ta tuottavat geenit luokitellaan rakennegeeneihin. Mikäli yksittäiseen säätelygeeniin kohdistuu mutaatio, saattaa useiden eri rakennegeenien koodaamien proteiinien  määrä muuttua niiden tavanomaiseen tasoon verrattuna.

Transkription lopetukseen vaikuttavat  myös useat eri proteiinit, jotka ovat tyypillisiä eri bakteereille ja faageille. Näistä proteiineistä toiset ovat välttämättömiä, jotta transkriptio loppuu, toiset taas aiheuttavat transkription jatkumisen geenin ohi. Mikäli transkriptio etenee yhdestä geenistä seuraavaan, näin syntyvään m-rna-molekyyliin sisältyy usean geenin koodi.  Etenkin faageilla esiintyy sellaisia transkription lopetusjaksoja, joihin sitoutuva rho-proteiini on välttämätön transkription pysähtymiselle.         

Paitsi proteiinit ja käynnistäjäalueella sijaitsevat dna-jaksot, saattaa geenien ilmenemistä säädellä myös  muualla kromosomissa sijaitsevat dna-jaksot. Nämä tehostaja-jaksot ovat tyypillisiä eukaryoottien transkription säätelyssä. Ne voivat sijaita kaukana, jopa tuhansien emäsparien päässä varsinaisesta transkription aloituskohdasta  joko ylä- tai alavirtaan. Dna-molekyylin kiertyessä ja taipuessa  lenkkimäiseksi ulottuu geenistä kaukanakin sijaitsevien säätelyjaksojen ja/tai niihin sitoutuneiden proteiinien vaikutus oikeaan kohteeseen.  Tehostajat voivat sijaita kääntyneinä molemmin päin, joko 'alku-loppu'- tai 'loppu-alku'-suuntaisesti.  Myös geenien ilmenemistä vaimentavia jaksoja on olemassa.  Tehostajat ovat tärkeitä etenkin tietyssä kudoksessa tai kehitysvaiheessa ilmenevien geenien säätelyssä. Tehostajajaksojen sekä niihin sitoutuvien että muiden säätelevien proteiinien vuorovaikusten selvitys on nykyisen geenibiologisen tutkimuksen polttopisteessä.      

Rna:t geenien toiminnan säätelijöinä

Proteiinien ja dna-jaksojen  lisäksi geenien ilmenemisen säätely voi perustua m-rna- ja muihin lyhyisiin rn-molekyyleihin.Ensinnäkin transkription tuloksena syntyvän m-rna:n kestävyydestä johtuu, säilyykö  tämä rna-molekyyli ollenkaan proteiineja valmistavan laitteiston käyttöön. Eukaryoottisoluissa on lisäksi kynnyksenä m-rna:n siirtyminen tumasta solulimaan, missä proteiineja valmistava laitteisto sijaitsee.

Lisäksi lyhyet rna-molekyylit voivat toimia geenien ilmenemisen säätelijöinä. Rna-molekyyli voi  hybridisoitua m-rna-molekyylin kanssa, mikäli ne ovat tarpeeksi komplementaarisia. Hybridi-rna hajoaa, eikä m-rna päädykään proteiinien valmistuksen ohjeeksi solulimaan. Rna-molekyylin sekundaarirakenteen muutos voi myös vaikuttaa molekyylin katkaisuun.

Myös m-rna:n sekundaarirakenteen muutokset ovat keino geenien toiminnan säätelemiseksi. Rna-molekyylin sisäkkäiset emäspariutumiset aiheuttavat helposti lenkkirakenteita, joiden tiedetään vaikuttavan erityisesti transkription lopetukseen. Monilla bakteereilla ja joillakin eukaryooteillakin rna-molekyyliin muodostuva hiuspinniä muistuttava lenkkirakenne tarvitaan transkription lopetukseen - varsinainen lopetusjakson emäsjärjestys  sinänsä ei ole niinkään olennainen. Prokaryooteille onkin ominaista, että  translaatioon eteneminen riippuu transkription lopetusalueelle muodostuvista lenkkirakenteista.

© Otavan Opisto / Rosa Venäläinen

© 2015 Otavan Opisto