10.2:
Die Regulation der Expression erfolgt in mehreren Schritten
Gene expression can be regulated at almost every step from gene to protein. Transcription is the step that is most commonly regulated. This involves the binding of proteins to short regulatory sequences on the DNA. This association can either promote or inhibit the transcription of a gene associated with the respective sequence.
Transcription results in the generation of precursor (pre-mRNA) that consists of both exons and introns, which needs further processing before being translated to a protein. This happens through mRNA splicing, which involves the removal of non-coding regions and merging of the coding ones. mRNA processing can also be used as a regulatory mechanism through variation in splicing patterns such as skipping of certain exons, alternative splicing, and inclusion of introns.
The addition of a poly-A tail at the 3’ end and a 5’ cap to produce the mature mRNA are also regulatory points during RNA processing. Regulation occurs through variation in the polyadenylation signal, which determines where the poly-A tail will be added onto the mRNA. In some cases, more than one poly-A signal is present at the 3’ end which will change the length of the 3’ untranslated region, but the final protein product will be the same. However, the stability and the translation potential the variants mRNA may differ, which can alter the amount of protein produced. In other cases, an additional poly-A signal is present on the intron or exon within the gene sequence which may lead to variation in splicing sites for polyadenylation and result in different proteins from the same strand of pre-mRNA.The addition of the 5’ cap, which is made up of methylated guanosine, is regulated by two mechanisms. One involves the regulation of the methyltransferases that add the methyl group to the guanosine, and the other is through regulation of the cellular signaling pathways that lead to methylation.
Next, the mature mRNA needs to be transported from the nucleus to the cytoplasm through nuclear pore complexes (NPCs) to be translated. This is regulated by the mRNA to forming a complex, known as the ribonucleoparticle, with RNA binding proteins. NPCs only allow mRNAs that are in the complex to pass into the cytoplasm. Once an mRNA enters the cytoplasm for translation, it can either be targetted individually or as a part of a group through specific regulations, or it can undergo a common regulation with all other mRNAs in the cytoplasm. In specific regulation, particular trans-acting elements, like proteins and different types of RNAs, regulate transcription. In general regulation, the proteins involved in the translation machinery are activated or inhibited, which in turn affects the translation of all transcripts. The most common translational regulatory mechanism is the modification of the translation initiation factor.
Gene expression can also be regulated through post-translational modifications, where an enzyme-catalyzed reversible modification can alter the function of a protein. A common post-translational modification is phosphorylation, which is carried out by enzymes known as kinases. Dephosphorylation of proteins, on the other hand, is carried out by proteins known as phosphatases. Phosphorylation of a protein can result in its activation or deactivation and alter its function.
Zellen können die Genexpression bei jedem Schritt, von der DNA bis zum Protein, präzise regulieren. Diese Regulation erfolgt während der Transkription; während der RNA-Verarbeitung, -Lokalisierung und -Degradation; sowie während und nach der Übersetzung.
Die Transkriptionsregulation wird durch Proteine vermittelt, die an regulatorische Sequenzen auf der DNA binden. Diese Transkriptionsfaktoren sind eine der gebräuchlichsten Methoden zur Kontrolle der Genexpression und können die Transkription entweder initiieren oder verhindern.
Die Transkription erzeugt Prä-mRNA, die durch mehrere regulierte Prozesse zu reifer mRNA verarbeitet werden muss.
mRNA-Spleißen, das die nicht-kodierenden Regionen in der Vorläufer-mRNA entfernt und die kodierenden verbindet, steuert die Genexpression durch differentielle Spleißmuster und RNA-bindende Proteine. Das Hinzufügen eines Poly-A-Schwanzes und einer 5′-Kappe zur Produktion der reifen mRNA wird ebenfalls kontrolliert.
Als nächstes muss sich die mRNA mit RNA-bindenden Proteinen verbinden, um einen Komplex zu bilden, der als Ribonukleopartikel bekannt ist. Dieser Prozess ist hochgradig reguliert, und nur eine mRNA, die in einem Ribonukleopartikel vorliegt, kann vom Zellkern in das Zytoplasma transportiert werden, um translatiert zu werden.
Die Translationskontrolle ist ein weiterer entscheidender Punkt für die Regulation der Genexpression. Die Regulation kann spezifisch sein, wenn ein Individuum oder eine Untergruppe von mRNAs beteiligt ist, oder allgemein, wenn die meisten mRNA-Transkripte betroffen sind.
Bei der spezifischen Regulation wird die Hemmung der Translation durch Wechselwirkungen mit transaktiven Elementen wie Proteinen und bestimmten RNA-Typen, einschließlich microRNAs und kurzen interferierenden RNAs, gesteuert.
In der allgemeinen Regulation werden die verschiedenen Proteine, die an der Translationsmaschinerie beteiligt sind, aktiviert oder gehemmt, was sich auf alle Transkripte auswirkt.
Schließlich können posttranslationale Modifikationen, wie die Phosphorylierung, Proteine entweder aktivieren oder deaktivieren, während andere, wie die Ubiquitinierung, zu deren Abbau führen können.
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