Name: how cells control gene expression
Uploaded: 2020-11-23T11:47:37.000Z
Duration: 2 min 24 s
Channel: JoVE

Hücreler, DNA'dan proteine kadar her adımda gen ekspresyonunu hassas bir şekilde regüle edebilir. Bu regülasyon;transkripsiyon sırasında, RNA işleme, lokalizasyon ve parçalanması sırasında ve translasyon sırasında ve sonrasında gerçekleşir. Transkripsiyonal regülasyona DNA üzerindeki düzenleyici dizilere bağlanan proteinler aracılık eder.Bu transkripsiyon faktörleri, gen ekspresyonunu kontrol etmenin en yaygın yollarından biridir ve transkripsiyonu başlatabilir ve önleyebilir. Transkripsiyonda üretilen pre-mRNA, birçok regüle edilen işlemle olgun mRNA'ya dönüştürülür. Öncü mRNA'daki kodlamayan bölgeleri ortadan kaldıran ve kodlayan bölgeleri birleştiren mRNA birleştirilmesi diferansiyel splicing modelleri ve RNA bağlayıcı proteinler aracılığıyla gen ekspresyonunu kontrol eder.Olgun mRNA'yı üretmek için poli(A)kuyruğu ve 5'cap ekleme işlemleri de kontrol edilir. Daha sonra, mRNA, ribonükleopartikül olarak bilinen bir kompleks oluşturmak için RNA bağlayıcı proteinlerle birleşmelidir. Bu işlem yüksek oranda regüle edilir ve translasyon için çekirdekten sitoplazmaya sadece bir ribonükleopartikül içinde bulunan bir mRNA taşınabilir.Translasyon kontrolü, gen ekspresyonunun regülasyonunda bir diğer önemli noktadır. Regülasyon;mRNA'lardan bir tanesi veya bir alt grubunu etkileyecek şekilde spesifik veya çoğu mRNA transkriptini etkileyecek şekilde genel olabilir. Spesifik regülasyonda, translasyonun inhibisyonu proteinler gibi işlem elemanlarıyla ve mikroRNA'lar ve kısa engelleyici RNA'lar da dahil olmak üzere belirli RNA tipleriyle etkileşimler yoluyla kontrol edilir.Genel regülasyonda, translasyon mekanizmalarında yer alan çeşitli proteinler aktive edilir veya inhibe edilir;bu da tüm transkriptleri etkiler. Son olarak, fosfatlama gibi translasyon sonrası değişiklikler proteinleri aktive edebilir veya devre dışı bırakabilirken, ubikitinasyon gibi diğer değişiklikler yıkımlarına neden olabilir.

<ol>
	<li>Alberts ve diğerleri, 6. baskı; sayfa 372</li>
	<li>Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Moleküler Hücre Biyolojisi. 4. baskı. New York: W. H. Freeman; 2000. Bölüm 11.3, mRNA İşlemenin Düzenlenmesi.</li>
	<li>Valencia-Sanchez, M. A., Liu, J., Hannon, G. J. ve Parker, R. (2006). miRNA'lar ve siRNA'lar tarafından translasyon ve mRNA bozunmasının kontrolü. Genler ve gelişim, 20(5), 515-524.</li>
	<li>Lei, E. P. ve Gümüş, P. A. (2002). Protein ve RNA çekirdekten dışa aktarılır. Gelişim hücresi, 2(3), 261-272.</li>
	<li>Hershey, John WB ve ark. "Translasyonel kontrolün ilkeleri: genel bir bakış." Cold Spring Harbor biyolojide perspektifler vol. 4,12 a011528. 1 Aralık 2012, doi:10.1101/cshperspect.a011528</li>
</ol>

İfadenin düzenlenmesi Çok adımlı gerçekleşir

Regulation of Expression Occurs at Multiple Steps

Gen ifadesi, genden proteine kadar hemen hemen her adımda düzenlenebilir. Transkripsiyon en sık düzenlenen adımdır. Bu, proteinlerin DNA üzerindeki kısa düzenleyici dizilere bağlanmasını içerir. Bu ilişki, ilgili diziyle ilişkili bir genin transkripsiyonunu destekleyebilir veya engelleyebilir. Transkripsiyon, hem eksonlardan hem de intronlardan oluşan ve bir proteine çevrilmeden önce daha fazla işlem yapılması gereken öncülün (pre-mRNA) üretilmesiyle sonuçlanır. Bu, kodlamayan bölgelerin çıkarılmasını ve kodlayan bölgelerin birleştirilmesini içeren mRNA birleştirme yoluyla gerçekleşir. mRNA işleme ayrıca belirli eksonların atlanması, alternatif birleştirme ve intronların dahil edilmesi gibi birleştirme modellerindeki değişiklikler yoluyla düzenleyici bir mekanizma olarak da kullanılabilir. Olgun mRNA'yı üretmek için 3' ucuna bir poli-A kuyruğunun ve 5' başlığın eklenmesi de RNA işleme sırasında düzenleyici noktalardır. Düzenleme, poli-A kuyruğunun mRNA'ya nereye ekleneceğini belirleyen poliadenilasyon sinyalindeki değişiklik yoluyla gerçekleşir. Bazı durumlarda, 3' ucunda birden fazla poli-A sinyali mevcut olup, bu durum 3' translasyon geçirmemiş bölgesinin uzunluğunu değiştirecektir, ancak nihai protein ürünü aynı olacaktır. Ancak mRNA varyantlarının stabilitesi ve translasyon potansiyeli farklılık gösterebilir ve bu da üretilen protein miktarını değiştirebilir. Diğer durumlarda, gen dizisi içindeki intron veya ekson üzerinde ek bir poli-A sinyali mevcuttur; bu, poliadenilasyon için birleştirme bölgelerinde varyasyona yol açabilir ve aynı pre-mRNA zincirinden farklı proteinlerle sonuçlanabilir. Metillenmiş guanozinden oluşan 5' başlığın eklenmesi iki mekanizma tarafından düzenlenir. Bunlardan biri, metil grubunu guanozine ekleyen metiltransferazların düzenlenmesini içerir, diğeri ise metilasyona yol açan hücresel sinyal yollarının düzenlenmesi yoluyladır. Daha sonra, olgun mRNA'nın translasyon için nükleer gözenek kompleksleri (NPC'ler) aracılığıyla çekirdekten sitoplazmaya taşınması gerekir. Bu, mRNA tarafından, RNA bağlayıcı proteinlerle ribonükleopartikül olarak bilinen bir kompleksin oluşturulması için düzenlenir. NPC'ler yalnızca kompleks içindeki mRNA'ların sitoplazmaya geçmesine izin verir. Bir mRNA, translasyon için sitoplazmaya girdiğinde, belirli düzenlemeler yoluyla bireysel olarak veya bir grubun parçası olarak hedeflenebilir veya sitoplazmadaki diğer tüm mRNA'larla ortak bir düzenlemeye tabi tutulabilir. Spesifik düzenlemede, proteinler ve farklı RNA tipleri gibi belirli trans-etkili elemanlar transkripsiyonu düzenler. Genel düzenlemede, translasyon makinesinde yer alan proteinler etkinleştirilir veya engellenir, bu da tüm transkriptlerin translasyonunu etkiler. En yaygın translasyon düzenleyici mekanizma, translasyon başlatma faktörünün değiştirilmesidir. Gen ifadesi aynı zamanda translasyon sonrası modifikasyonlar yoluyla da düzenlenebilir; burada enzimle katalize edilen geri dönüşümlü bir modifikasyon, bir proteinin fonksiyonunu değiştirebilir. Yaygın bir translasyon sonrası modifikasyon, kinazlar olarak bilinen enzimler tarafından gerçekleştirilen fosforilasyondur. Proteinlerin defosforilasyonu ise fosfataz adı verilen proteinler tarafından gerçekleştirilir. Bir proteinin fosforilasyonu onun aktivasyonuna veya deaktivasyonuna neden olabilir ve fonksiyonunu değiştirebilir.

İfadenin Düzenlenmesi Çok Adımlı Gerçekleşir

Gen ekspresyonu, genden proteine kadar hemen hemen her adımda düzenlenebilir. Transkripsiyon, en yaygın olarak düzenlenen adımdır. Bu içerir ...

regulation-of-expression-occurs-at-multiple-steps

Education

JoVE Core

Molecular Biology

Moleküler Biyoloji

Unit 1

Ünite 1

Gene Expression

Gen İfadesi

KEY TERMS AND CONCEPTS

TEMEL TERİMLER VE KAVRAMLAR

how cells control gene expression

Cells control gene expression at several points between DNA and protein. The most common control point is transcription. At this stage, proteins bind to short regulatory DNA sequences and can either increase or reduce transcription of the linked gene.

After transcription, a precursor mRNA is made. This pre-mRNA contains exons, which code for protein, and introns, which do not. It must be processed before translation, and splicing removes the introns and joins the exons. Cells can also regulate gene expression through changes in splicing patterns, including skipping certain exons, alternative splicing, and including introns.

RNA processing also includes adding a 3' poly-A tail and a 5' cap to form mature mRNA. The poly-A tail is added at a site marked by a polyadenylation signal. In some cases, more than one poly-A signal is present at the 3' end. This can change the length of the 3' untranslated region without changing the final protein, but the mRNA variants may differ in stability and translation potential. In other cases, an extra poly-A signal in an intron or exon can change splicing during polyadenylation and produce different proteins from the same pre-mRNA strand.

The 5' cap is a methylated guanosine, and its addition is also regulated. One control route acts through methyltransferases, the enzymes that add the methyl group. Another route works through cellular signaling pathways that lead to methylation. After processing, mature mRNA must leave the nucleus through nuclear pore complexes. It does this by forming a ribonucleoparticle with RNA-binding proteins, and only mRNAs in this complex can pass into the cytoplasm.

Once mRNA reaches the cytoplasm, translation can be regulated in specific ways or in a more general way. Specific regulation affects particular transcripts through trans-acting elements such as proteins and different types of RNA. General regulation affects all cytoplasmic mRNAs by turning translation machinery proteins on or off. The most common translational control step is modification of the translation initiation factor. Gene expression can also change after a protein is made through post-translational modifications. A common example is phosphorylation, which is carried out by kinases, while phosphatases remove the phosphate group through dephosphorylation. Phosphorylation can activate or deactivate a protein and change its function.

How Cells Control Gene Expression

cell specific gene expression

How Cells Switch Genes On and Off

Cells switch genes on and off to make different proteins for different jobs. In multicellular organisms, many cell types are built from the same DNA, but they do not use the same genes in the same way. This difference in gene expression helps explain why cells can look and act so differently. Liver cells are a clear example. They help detoxify blood, make bile to help digest fats, and produce proteins needed for metabolism. To do these jobs, liver cells must express a specific set of genes.

regulation of expression occurs at multiple steps

Cells control gene expression at several points between DNA and protein. The most common control point is transcription. At this stage, proteins bind to short regulatory DNA sequences and can either increase or reduce transcription of the linked gene. After transcription, a precursor mRNA is made. This pre-mRNA contains exons, which code for protein, and introns, which do not. It must be processed before translation, and splicing removes the introns and joins the exons. Cells can also regulate...

cis-regulatory sequences

How Cis-Regulatory DNA Controls Transcription

Cis-regulatory sequences are short, non-coding DNA segments that control gene transcription. They sit on the same chromosome as the genes they regulate and act as binding sites for transcriptional regulators. In eukaryotes, these proteins help control gene expression patterns in different cell types. These DNA sequences can be close to a gene or thousands of bases away. When they are far from the gene in the DNA sequence, they are often brought close together in space because chromosomes are...

cooperative binding of transcription regulators

cooperative-binding-of-transcription-regulators

How Transcription Factors Bind DNA

Transcriptional regulators bind to cis-regulatory DNA sequences to control gene transcription. These DNA sequences are very short, usually fewer than ten nucleotide pairs long. Because they are so short, the same sequence can appear by chance in many places across the genome. Some regulators can also bind to groups of similar sequences. That raises the chance of random binding even more. To lower this risk, transcription regulators often form dimers, which are pairs of proteins that bind a DNA...

prokaryotic transcriptional activators and repressors

prokaryotic-transcriptional-activators-and-repressors

Operon Control by Activators and Repressors

Operon control in prokaryotes depends on activators and repressors. Prokaryotic genes are often arranged in groups, not one by one like in eukaryotes. Genes that help carry out the same biochemical process are placed together with their regulatory elements. This group is called an operon, and it is transcribed into a single polycistronic mRNA strand. Activators and repressors are DNA-binding proteins that control transcription in an operon. Activators bind near the promoter, which is the site...

operons

Operons in Bacterial Gene Control

Operons help bacteria control groups of genes at the same time. An operon is a set of genes that are regulated together and can be turned on or off as a unit. This shared control helps bacteria respond quickly to changes in their environment. In many operons, a promoter gives RNA polymerase a place to bind and start transcription. The operon also includes a regulatory region that helps control whether the genes are expressed. When conditions change, the cell can use this setup to manage gene...

the eukaryotic promoter region

Eukaryotic Promoter Motifs and Gene Control

The eukaryotic promoter region is a stretch of DNA located upstream of a gene. It includes an RNA polymerase binding site, a transcription start site, and several cis-regulatory sequences. These DNA signals help control when transcription begins. The promoter can be divided into proximal and distal regions. The proximal promoter lies close to the gene and includes cis-regulatory sequences and the core promoter. The core promoter is the RNA polymerase binding site, and it is usually found...

co-activators and co-repressors

Chromatin Control in Gene Transcription

Chromatin control plays a major role in gene transcription in eukaryotes. Gene expression is regulated by several proteins that work together at a gene regulatory site. Some of these proteins bind directly to specific DNA sequences, while co-regulators attach to those regulators but do not bind DNA on their own. Co-regulators can act as co-activators or co-repressors, depending on the complex they join. One co-regulator may even switch roles in different settings. For example, the...

eukaryotic transcription activators

How Transcription Activators Turn Genes On

Transcription activators are proteins that help turn genes on by promoting transcription from DNA to RNA. They often have two parts. One part binds to DNA, and the other part activates transcription. In some proteins, such as the glucocorticoid receptor and MyoD, one domain can do both jobs. The DNA-binding part recognizes specific regulatory sequences on the DNA. These binding domains are grouped into families based on their structure. Common examples include the leucine zipper, zinc finger,...

eukaryotic transcription inhibitors

How Eukaryotic Gene Repressors Work

Eukaryotic gene repressors help turn specific genes off when the cell needs to control growth, development, or other biochemical processes. These DNA-binding proteins regulate gene expression in eukaryotes. Their presence at the right time and place can be triggered by hormones and signals from other cells. Most transcription inhibitors have two main parts. One part binds DNA, and the other is a repressor domain, which helps shut down transcription. Repressor domains can connect with basal...

combinatorial gene control

Gene Expression by Transcription Factor Combinations

Gene expression can depend on combinations of transcription factors working together. In combinatorial gene control, several transcription factors act in a coordinated way to regulate a single gene. If one or more of these factors are missing, the level of gene expression or repression can change a lot. This kind of control helps explain how a relatively small number of transcription factors can regulate a very large number of genes. More than 30,000 genes are controlled by about 2,000 to...

induced pluripotent stem cells

Reprogramming Cells into Stem Cells

Induced pluripotent stem cells are created by reprogramming mature cells back into a stem-cell state. This process shows that specialized cells can be changed into cells with broader developmental potential. The topic is important in biology because it links cell identity, gene control, and stem cell research. These cells begin as ordinary body cells and are pushed to de-differentiate, or lose their specialized features. After reprogramming, they behave like pluripotent stem cells, which means...

master transcription regulators

MEF2C and Gene Control Cascades

MEF2C is a master transcription regulator that controls gene expression in coordinated cascades. These regulators are proteins that manage the activity of multiple genes that often work together to produce a complex outcome. When a master transcription regulator is activated, it can start a chain of transcriptional activation that supports that outcome. Master transcription regulators can act in two main ways. They may bind directly to the regulatory sequences of several genes involved in a...

epigenetic regulation

DNA Methylation and Histone Changes

Epigenetic regulation controls gene activity without changing the DNA sequence. It helps determine when genes are turned on or off in a cell. Two major epigenetic mechanisms are DNA methylation and histone modification. DNA methylation adds chemical groups to DNA, while histone changes affect how tightly DNA is packed around histone proteins. These changes can make genes easier or harder to use. In high school biology, epigenetic regulation is important for understanding how cells with the...

genomic imprinting and inheritance

Genomic Imprinting in Human Disease

Genomic imprinting affects how some inherited genes are turned on or off in human cells. Diploid organisms inherit chromosomes from both parents, and each gene usually has two alleles. In most cases, both alleles are expressed. If one allele is missing or mutated, the other can often compensate, but some genes do not work that way. In genomic imprinting, a gene or its regulatory sequence carries chemical tags, such as methyl groups, on the copy inherited from only one parent. These tags are...

key terms and concepts

Explore how gene expression is controlled at transcription, RNA processing, mRNA export, translation, and protein phosphorylation in high school biology.

How Cells Control Gene Expression | JoVE K12

molecular biology

JoVE Core Moleküler Biyoloji, hücrenin moleküler süreçlerini açık ve özlü animasyonlu video dersleriyle sergiler. Buna ek olarak, bilim insanı-eylem videolarında, bu kavramların uygulaması modern laboratuvarlarda gerçek deneylerle gösterilmektedir.

How Cells Control Gene Expression

Description

Transcript

Tags