Egy vagy több nukleotid mutációjamegváltoztathatja a fehérje szerkezetét ésműködését• Mutáció: egy sejt genetikai anyagában létrejövő

hirtelen véletlenszerű változás, aminek hatására aza sejt és az abból származó összes sejt külsőmegjelenésben vagy viselkedésben a normáltípushoz képest eltér.

• pont mutáció esetén a kémiai változás a gén csakegy bázispárját érinti

• DNS templát szálán egy nukleotid cseréjeabnormális fehérje szintézisét eredményezheti

Vad típusú hemoglobin

Vad típusú hemoglobin DNS3ʹ

3ʹ

3ʹ5ʹ

5ʹ 3ʹ

3ʹ5ʹ

5ʹ5ʹ5ʹ3ʹ

mRNS

A AGC T T

A AGmRNS

Normál hemoglobinGlu

Sarló sejtes hemoglobinVal

AA

AUG

GT

T

Sarló sejtes hemoglobin

Mutáns hemoglobin DNSC

Pontmutáció hatása a hemoglobinban:

Kis szakaszt érintőmutációk típusai

• A génen belüli pont mutációkat két általános csoportraoszthatjuk:

– nukleotid-pár cserék/szubsztitúciók– Egy vagy több nukleotid-pár beékelése/inzerciója

vagy kiesése/deléciója

Mutagének• Spontán mutációk előfordulhatnak a DNS

replikációja, javítása alatt vagy rekombináció miatt• A mutagén olyan fizikai vagy kémiai hatás,

melynek kövtkeztében nő a mutánsok száma egypopulációban.

Szubsztitúciók• A nukleotid-pár szubsztitúció esetén a nukleotid párt

egy másik váltja fel• Silent - "csendes" mutáció az, amikor a kodon

változik, de ugyanazt az aminosavat jelenti továbbra is • Neutral - semleges hatású mutáció, mivel a mutáció

következtében egy aminosav egy másik, de hasonlótulajdonságú aminosavra változik

• Missense - megváltozott értelmű mutációkövetkeztében egy aminosavat jelentő kodon úgyváltozik meg, hogy az eredeti aminosavat helyettesíteniképtelen új aminosav beépülését eredményezi.

• Nonsense "értelmetlen"mutáció az, amikoraminosavat nem jelentő kodon keletkezik, azaz egykodon stop kodonra változik.

Vad típusDNS templát szál

mRNS5ʹ

5ʹ

Protein

Amino terminálisStop

Karboxil terminális

3ʹ3ʹ

3ʹ

5ʹ

Met Lys Phe Gly

G helyett A(a) nukleotid-pár szubsztitúció: silent (csendes)

StopMet Lys Phe Gly

C helyett U

A

A

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C C C

C

C

G G G GG

G

A

A A A AG GGU U U U U

5ʹ3ʹ

3ʹ5ʹA

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C C CG G G G

AA

A G A A A AG GGU U U U U

T

U 3ʹ5ʹ

Vad típusDNS templát szál

mRNS5ʹ

5ʹ

Protein

Amino terminálisStop

Karboxil terminális

3ʹ3ʹ

3ʹ

5ʹ

Met Lys Phe Gly

C helyett T

(a) nukleotid-pár szubsztitúció: missense

StopMet Lys Phe Ser

G helyett A

A

A

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C C C

C

C

G G G GG

G

A

A A A AG GGU U U U U

5ʹ3ʹ

3ʹ5ʹA

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C T CG

GGA

A G A A A AA GGU U U U U 3ʹ5ʹ

A C

C

G

Vad típusDNS templát szál

mRNS5ʹ

5ʹ

Protein

Amino terminálisStop

3ʹ3ʹ

3ʹ

5ʹ

Met Lys Phe Gly

T helyett A

(a) nukleotid-pár szubsztitúció: nonsense

Met

A

A

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C C C

C

C

G G G GG

G

A

A A A AG GGU U U U U

5ʹ3ʹ

3ʹ5ʹA

AA A A A

A ATT A T T T

T T TTC C CG

GGA

A G U A A AGGU U U U U 3ʹ5ʹ

C

C

GCGT

A helyett UG

Stop

Karboxil terminális

Inzerciók és deléciók

• Inzerciók és deléciók nukleotid párok hozzáadódásátvagy hiányát jelentik a gén szekvenciájában. Gyakrabban okozzák a fehérje hibáját, mint a szubsztitúciók.

• Hatásuk gyakran ún. frameshift mutációkereteltolódást okozó mutáció, ahol egy vagy többbázispár kiesés, beékelődés hatására a leolvasásikeret a kódoló szekvencián belül eltolódik, így a mutáció helye után a DNS teljesen más aminosavsorrendet határoz meg.

Vad típusDNS templát szál

mRNS5ʹ

5ʹ

Protein

Amino terminálisStop

Karboxil terminális

3ʹ3ʹ

3ʹ

5ʹ

Met Lys Phe Gly

A

A

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C C C

C

C

G G G GG

G

A

A A A AG GGU U U U U

(b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: a kereteltolódásazonnal nonsense mutációt okoz

Extra A

Extra U5ʹ3ʹ

5ʹ

3ʹ

3ʹ

5ʹ

Met

1 nukleotid-pár inzerciójaStop

A C A A GT T A TC T A C GT A T AT G T CT GG A T GA

A G U A U AU GAU G U U C

A TA

AG

DNS templát szál

mRNS5ʹ

5ʹ

Protein

Amino terminálisStop

Karboxil terminális

3ʹ3ʹ

3ʹ

5ʹ

Met Lys Phe Gly

A

A

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C C C

C

C

G G G GG

G

A

A A A AG GGU U U U U

(b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: kereteltolódáskiterjedt missense mutációt okoz

Vad típus

hiányzik

hiányzik

A

U

A A AT T TC C A T TC C GA AT T TG GA A ATCG G

A G A A GU U U C A AG G U 3ʹ

5ʹ3ʹ

3ʹ5ʹ

Met Lys Leu Ala

1 nukleotid-párdeléciója

5ʹ

DNS templát szál

mRNS5ʹ

5ʹ

Protein

Amino terminálisStop

Karboxil terminális

3ʹ3ʹ

3ʹ

5ʹ

Met Lys Phe Gly

A

A

A AA A A A

A ATT T T T T

T T TTC C C C

C

C

G G G GG

G

A

A A A AG GGU U U U U

(b) nukleotid-pár inzerció vagy deléció: nincs kereteltolódás,de egy aminosav többlet vagy hiány van

Vad típus

AT C A A A A T TC C GT T C hiányzik

hiányzik

Stop

5ʹ3ʹ

3ʹ5ʹ

3ʹ5ʹ

Met Phe Gly

3 nukleotid-párdeléciója

A GU C A AG GU U U U

T GA A AT T TT CG G

A A G

A prokarióta, archea és eukariótagénexpresszió összehasonlítása• A baktériumok és eukarióták az RNS

polimerázukban, az átírás befejezésében és a riboszómáikban különböznek; az archaea-k ezekben a tulajdonságokban inkább azeukariótákra hasonlítanak

• A baktériumok egyidejűleg tudnak egy géntátírni és transzlálni

• Eukariótákban az átírás és a transzláció a sejtmaghártya miatt térben elkülönül

• Archaea-kban az átirás és a transzláció gyakrankapcsolt

RNS polimeráz

DNSmRNS

Poliriboszóma

RNS polimeráz DNS

Poliriboszómapolipeptid(N terminális)

mRNS (5ʹ vég)

Riboszóma

0.25 µmátírás iránya

Kapcsoltgénátírás éstranszlációbaktériumokban

A génexpresszió szabályozása

• Az egysejtű pro- és eukarióták a környezetváltozásainak megfelelően folyamatosanváltoztatják a génexpressziójukatSoksejtű eukariótákban a génexpresszió szabályozza a fejlődés folyamatát és felelős az egyes sejttípusokkialakulásáért. Ezek zavara fejlődési rendellenességekhezvagy pl. teratómákhoz vezethet.

Teratóma: olyan daganat, melyben a test többféleszövetére jellemző strukrúraképződik

Génkifejeződési mintázat egy fejlődő légyembrióban

A baktériumok környezetük megváltozásáraa transzkripciójuk szabályozásávalreagálnak

• A természetes szelekció azokat a baktériumokatrészesítette előnyben, akik akkor állítottak előtermékeket, amikor a sejtnek arra szüksége volt.

• A sejt képes szabályozi a termék termelését egyvisszaható gátlással vagy az adott génszabályozásával

• A génexpresszió baktériumokban az operon modell szerint szabályozódik

PrekurzorVisszahatógátlás

Enzim 1

Enzim 2

Enzim 3

Tryptophan

(a) (b)Enzim aktivitásszabályozása

Az enzim termelésénekszabályozása

Génexpressziószabályozása

−

−

trpE gén

trpD gén

trpC gén

trpB gén

trpA gén

Operonok: az alapmodell

• Funkcionálisan rokon gének csoportját egyszerű“be-ki kapcsoló” segítségével lehetösszehangoltan szabályozni

• A szabályozó “kapcsoló” a DNS egy operátornaknevezett szakasza, mely leggyakrabban a promóter régióban található

• Az operon a DNS olyan szakasza, mely magábafoglalja az operátort, a promótert és az általukszabályozott géneket.

• Az operont a represszornak nevezett fehérjetudja kikapcsolni

• A represszor megakadályozza a gének átírásátúgy, hogy köt a operátorhoz, és gátolja az RNS polimerázt

• A represszor egy független ún. regulátor génterméke

• A represszor fehérje lehet aktív vagy inaktívállapotban attól függően, hogy más molekulákjelen vannak-e

• A korepresszor olyan molekula, melyegyüttműködik a represszorral az operon szabályozásában

Promóter

DNS

Regulátorgén

mRNS

trpR

5ʹ

3ʹ

Fehérje Inactívrepresszor

RNSpolimeráz

Promóter

trp operon

Az operon génjei

Operator

mRNS 5ʹ

Start kodon Stop kodon

trpE trpD trpC trpB trpA

E D C B A

Polipeptid alegységek,melyek a triptofán bioszintézisenzimjeit alkotják

(a) Triptofán hiányzik, represszor inaktív, operon bekapcsolva

(b) Triptofán jelen van, represszor aktív, operon off

DNS

mRNS

Fehérje

Triptofán(korepresszor)

Aktívrepresszor

Nemkészül

RNS

• Például az E. coli képes a triptofánaminosav bioszintézisére

• Alapállapotban a trp operon “ON” állapotban van, és a triptofánszintézis génjei átíródnak

• Ha a triptofán jelen van, köt a trprepresszorhoz, ami kikapcsolja a trpoperont

• A represszot csak a korepresszortriptofán jelenlétében aktív

(a) laktóz hiányzik, represszor aktív, operon “off”

(b) laktóz jelen van, represszor inaktív, operon “on”

Regulátorgén

PromóterOperator

DNS lacZlacI

lacI

DNS

mRNS5ʹ

3ʹ

NincsRNSképzés

RNSpolimeráz

AktívrepresszorProtein

lac operon

lacZ lacY lacADNS

mRNS5ʹ

3ʹ

Protein

mRNS 5ʹ

Inaktívrepresszor

RNS polimeráz

Allolaktóz(induktor)

β-Galaktozidáz Permeáz Transzacetiláz

• A lac (laktóz - tejcukor) operon egy indukálható operon és olyangéneket tartalmaz, melyek a laktózmetabolizmusához kellenek

• alapállapotban a lac represszoraktív és a lac operont kikapcsoltállapotban tartja

• Az induktornak nevezett molekulainaktiválja a represszort és a lac operont bekapcsolja

Promóter

DNS

CAP-kötőhely

lacZlacI

RNSpolimerázköt és a transzkripció fut

Operator

cAMPAktívCAP

InaktívCAP

Allolaktóz

Inaktív lacrepresszor

(a) laktóz jelen van, glükóz kevés van (cAMP-szint magas):nagy mennyiségű lac mRNS szintetizálódik

Promóter

DNS

CAP-kötőhely

lacZlacI

OperatorRNSpolimeráz kevésbétud kötődni

Inaktív lacrepresszor

InaktívCAP

(b) laktóz jelen van, glükóz jelen van (cAMP-szint alacsony):kevés lac mRNS szintetizálódik

Pozitív génexpresszió szabályozás

• Számos operon pozitívszabályozás alatt is áll; ezesetben transzkripciósaktivátorok segítik a génekátírását, ilyen a katabolitaktivátor fehérje (CAP)

• Ha a glükóz-szint (a baktériuminkább ezt szereti használni) alacsony, a CAP aktiválódik, mert köti a ciklikus AMP-t (cAMP)

• Az aktivált CAP a lac operon protóteréhez kapcsolódik és azRNS polimeráz kötésiaffinitását növeli, így gyorsítjaa transzkripciót

• Ha a glükóz-szint emelkedik, a CAP lekapcsolódik a lacoperonról, és a transzkripcióvisszatér a normál szintre

• CAP más katabólikusútvonalban részt vevő enzimektermelését is segíti

Szignal

NUKLEUSZkromatin

kromatin midifikácó:DNS kicsomagolásaHiszton acetiláció és

DNS demetilációDNS

Gene

Gén elérhető atranszkripcióra

RNS Exonelsődleges átirat

Transzkripció

IntronRNS processzálás

SapkaFarok

mRNS a sejtmagban

Transzport

CITOPLAZMAmRNS a citoplazmában

TranszlációAz mRNSlebomlása

PolipeptideFehérje módosítás, pl.hasítás vagy kémiai

modifikáció

Aktív fehérjeA fehérjelebonlása

A sejt megfelelőpontjára szállítás

Sejtfunkció (pl.enzimatikus aktivitás,szerkezeti funkció)

Az eukarióta génexpressziószámos lépésen át szabályozott• Minden sejt a szervezetben

genetikailag azonos• A különböző sejttípusok között

megfigyelhető különbség a differenciális génexpresszióeredménye, vagyis az azonos genomúsejtek eltérő géneket fejeznek ki.

• A gének expressziója számos pontonszabályozható

DNS kettős helix(2 nm átmérő)

DNS, a kettős hélix

Nukleoszóma(10 nm átmérő)

Hisztonok

Hisztonok

Hisztonfarok

H1

Nukleoszómák, gyöngysorszerkezet (10-nm szál)

A kromatin struktúrájának módosítása

A DNS a sejtmagban hiszton fehérjékhez kapcsolódik(kromatin) és különböző kondenzáltságú állapotban van

30nm-es szál

30nm-es szál

Hurkok Állvány

300-nm fiber

Kromatida(700 nm)

Replikáltkromoszóma(1,400 nm)

hurkolt szakaszok(300nm-es szál) metafázisos

kromoszóma

• Az erősen csomagolt heterokromatikusrégióban lévő gének általában nemfejeződnek ki

• A kromatin DNS-ének és hisztonjainakkémiai módosítása megváltoztatja a kromatin szerkezetét és így a génátíródást

A kémiaimodifikációszámáraelérhetőaminosavak

hisztonfarkak

DNS kettőshelix

Nukleoszóma

(a) hisztonok farki része kilóg a nukleoszómából

Nem-acetilált hisztonok Acetilált hisztonok(b) A hisztonok farki részének acetilációja lazítja a

kromatin szerkezetét

A HISZTON MÓDOSÍTÁSA

• A hiszton acetilációsorán acetil csoportokkapcsolódnak a hisztonok pozitívantöltött lizinoldalláncaihoz (a hisztonok farki részén)

• Ez fellazítja a kromatinszerkezetet, ígyelősegítii a transzkripcióiniciációs szakaszát

• metil csoportokhozzáadása (metiláció) kondenzálja a kromatint; ugyanakkor a metilált aminosavakmelletti foszforilációlazítja a kromatint

DNS metiláció

• A DNS metilációja, a bázisok metilcsoporttal valóellátása, a legtöbb fajban csökkenti a transzkripciót

• A DNS metilációja az adott gén hosszú idejűinaktivációját okozhatja a fejlődés során

• A szülői imprinting során metiláció szabályozzahogy az anyai vagy az apai allélok fejeződjenek-e ki a fejlődés kezdetén

• Az X kromoszóma inaktivációját is részbenmetiláció okozza.

Epigenetikus öröklődés

• Bár a kromatin módosítások nem változtatják meg a DNS szekvenciáját, de átadódhatnak a sejtutódaiba

• Ezt az öröklődési formát epigenetikusöröklődésnek nevezzük

Enhanszer(disztális szabályozó

elemek)DNS

Upstream Promóter

Proximálisszabályozó

elemekTranszkripció

start helyeExon Intron Exon ExonIntron

Poli-Aszignál

szekvenciaTranszkripcióterminációs

régiója

DownstreamPoli-Aszignál

Exon Intron Exon ExonIntron

Transzkripció

az elsődlegesátirat levágott3ʹ vége

5ʹelsődleges RNS

átirat(pre-mRNS)

Intron RNS

RNS processzálás

mRNSKódoló szakasz

5ʹ Sapka5ʹ UTRStart

kodonStop

kodon 3ʹ UTR

3ʹ

Poli-Afarok

PPPG AAA ⋅⋅⋅AAA

Egy tipikus eukarióta gén szerkezete

A transzkripciós faktorok és az enhanszerekszerepe• A transzkripció elindulásához az eukarióta RNS

polimeráz transzkripciós faktorok jelenlétét igényli• Az enhanszerek távoli (upstream) szabályozó

elemek (gyakran intronban helyezkednek el)• Az aktivátor az enhanszerhezköt és segíti az

adott gén átírását

AktivátorokDNS

Enhancer Disztálisszabályozóelemek

PromóterGén

TATA boxÁltalánostranszkripciósfaktorok

DNS-thajlítófehérje

Szabályozó fehérjék

RNSpolimeráz II

RNSpolimeráz II

RNS szintézisTranszkripciósiniciációs komplex

Szabályozóelemek

Enhancer Promóter

Albumin gén

Crystallingén

LIVER CELLNUCLEUS

Availableactivators

Albumin geneexpressed

Crystallin genenot expressed

(a) Liver cell

LENS CELLNUCLEUS

Availableactivators

Albumin genenot expressed

Crystallin geneexpressed

(b) Lens cell

Adottaktivátorokjelenléte, sejtsorsrajellemzőgéneketaktivál.

Exonok

DNS

Troponin T gén

elsődlegesRNStranszkript

RNS splicing

vagymRNS

1

1

1 1

2

2

2 2

3

3

3

4

4

4

5

5

5 5

RNS processzálás

kromatin mósosítás

• Az erősen kondenzált kromatinbantalálhatógének általábanrepresszáltak• hiszton acetiláció lazítja a kromatin szerkezetét és segítia traszkripciót

• A DNS metilációáltalábangátolja a génexpressziót

mRNS degradáció

• Minden mRNS jellemzőéletidővel rendelkezik,melyet részben az 5ʹ és3ʹ UTR szekvenciákszabnak meg.

• A transzkripció iniciációjánakszabályozása:DNS szabályozó elemeiaz enhanszerekbenspecifikus transzkripciós faktorokat kötnek

A DNS meghajlása miatt az aktivátorfehérjékkölcsönhatásba lépnek a promóternéllévőkkel, elindítva a transzkripciót• Koordinált szabályozás:Májspecifikus gének

enhancerelencse specifikusgének enhancere

Transzkripció

RNS processzálás

• Alernatív RNS splicing:

elsődleges RNSátirat

mRNS vagy

• A transzláció iniciációját iniciációs faktorokszabályozzák.

• Protein processzálás ésproteoszómális degradációaszabályozás alapja ezena szinten.

Transzláció

Protein processzálásés degradáció

kromatin módosítás

Transzkripció

RNS processzálás

mRNSdegradáció

Transzláció

Protein processzálásés degradáció

A nem-kódoló RNSek sokrétű szerepetjátszanak a génexpresszió szabályozásában

• A DNS-nek csak egy kis része kódol fehérjéket, ésa DNS nem fehérje kódoló részének egy nagyonkis része tartalmazza az RNSek (rRNS, tRNS) génjeit

• A genom egy jelenzős része ún. nem-kódolóRNSekké íródik át (noncoding RNSs - ncRNSs)

• A nem kódoló RNSek a génexpressziót két pontonszabályozzák: – mRNS transzláció– kromatin konfiguráció

Az mRNSeken a mikroRNSek és a kisinterferáló RNSek hatnak

• MikroRNSek (miRNS) kis egyszálú RNS molekulák, amik kötnek az mRNShez

• elindíthatják az mRNS degradációját vagyblokkolhatják a transzlációt

(a) elsődleges miRNS átirat

HairpinmiRNS

miRNS

Hidrogénkötés

Dicer

miRNS-proteinkomplex

mRNS degradált Transzláció blokkolt(b) miRNSek képződése és szerepe

5ʹ 3ʹ

• Az RNS molekulák segítségével megvalósítottgénexpresszió gátlás az RNS interferencia(RNSi)

• RNSi-t kis interferáló RNSek (small interfering RNSs - siRNSs) okoznak

• Az siRNSek és miRNSek hasonlóak, de különböző RNS prekurzorból képződnek

kromatin modifikáció

Transzkripció

RNS processzálás

mRNSdegradáció

Transzláció

Protein processzálásés degradáció

kromatin modifikáció

Transzláció

mRNS degradáció

• miRNS vagy siRNS specifikusankijelölhet egy mRNS-t a degradációra.

• miRNS vagy siRNS blokkolhatja azadott mRNS transzlációját.

• Kicsi vagy nagy nem-kódoló RNSekelősegíthetik a heterokromatin kialakulását,így blokkolva a transzkripciót.