Information

S2018_Föreläsning21_Läsning - Biologi

S2018_Föreläsning21_Läsning - Biologi


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Flödet av genetisk information

I bakterier, arke och eukaryoter är DNA: s primära roll att lagra ärftlig information som kodar instruktionsuppsättningen som krävs för att skapa organismen i fråga. Även om vi har blivit mycket bättre på att snabbt läsa den kemiska sammansättningen (sekvensen av nukleotider i ett genom och några av de kemiska modifieringarna som görs på den), vet vi fortfarande inte hur vi på ett tillförlitligt sätt kan avkoda all information inom och allt av de mekanismer genom vilka den läses och slutligen uttrycks.

Det finns dock några grundläggande principer och mekanismer i samband med läsning och uttryck av den genetiska koden vars grundläggande steg förstås och som måste vara en del av den konceptuella verktygslådan för alla biologer. Två av dessa processer är transkription och translation, vilket är hanteringen av delar av den genetiska koden skriven i DNA till molekyler av det relaterade polymer-RNA:t och läsning och kodning av RNA-koden till proteiner.

I BIS2A fokuserar vi till stor del på att utveckla en förståelse för

bearbeta

av transkription (kom ihåg att en energihistoria helt enkelt är en rubrik för att beskriva en process) och dess roll i uttrycket av genetisk information. Vi motiverar vår diskussion om transkription genom att fokusera på funktionella problem (ta in delar av vår problemlösnings-/designutmaningsrubrik) som måste lösas i processen som ska ske. Vi fortsätter sedan med att beskriva hur processen används av naturen för att skapa en mängd funktionella RNA-molekyler (som kan ha olika strukturella, katalytiska eller regulatoriska roller) inklusive så kallade budbärar-RNA (mRNA)-molekyler som bär den information som krävs för att syntetisera proteiner . På samma sätt fokuserar vi på utmaningar och frågor i samband med översättningsprocessen, den process genom vilken ribosomerna syntetiserar proteiner.

Det grundläggande flödet av genetisk information i biologiska system skildras ofta i ett schema som kallas "den centrala dogmen" (se figuren nedan). Detta schema anger att information som kodas i DNA strömmar in i RNA via transkription och slutligen till proteiner via translation. Processer som omvänd transkription (skapandet av DNA från och RNA -mall) och replikering representerar också mekanismer för att sprida information i olika former. Detta schema säger dock inget i sig om hur information kodas eller om mekanismerna genom vilka regulatoriska signaler rör sig mellan de olika lagren av molekyltyper som avbildas i modellen. Därför, även om schemat nedan är en nästan obligatorisk del av alla biologers lexikon, kanske överbliven från gammal tradition, bör eleverna också vara medvetna om att mekanismerna för informationsflöde är mer komplexa (vi kommer att lära oss om några allt eftersom, och att "den centrala dogmen" bara representerar några kärnvägar).

Figur 1. Flödet av genetisk information.
Erkännande: Marc T. Facciotti (originalverk)

Genotyp till fenotyp

Ett viktigt begrepp i följande avsnitt är förhållandet mellan genetisk information, den genotyp, och resultatet av att uttrycka det, fenotyp. Dessa två termer och mekanismerna som förbinder de två kommer att diskuteras upprepade gånger under de närmaste veckorna – börja bli skicklig med att använda detta ordförråd.

figur 2. Informationen som lagras i DNA är i sekvensen av de individuella nukleotiderna när den läses från 5'- till 3'-riktningen. Omvandling av informationen från DNA till RNA (en process som kallas transkription) ger den andra formen som informationen tar i cellen. mRNA används som mall för skapandet av aminosyrasekvensen av proteiner (i translation). Här visas två olika uppsättningar information. DNA -sekvensen är något annorlunda, vilket resulterar i att två olika mRNA produceras, följt av två olika proteiner, och slutligen två olika pälsfärger för mössen.

Genotyp avser informationen som lagras i organismens DNA, nukleotidernas sekvens och sammanställningen av dess gener. Fenotyp syftar på alla fysiska egenskaper som du kan mäta, såsom längd, vikt, mängd ATP som produceras, förmåga att metabolisera laktos, svar på miljöstimuli, etc. Skillnader i genotyp, även små, kan leda till olika fenotyper som är föremål för naturliga urval. Bilden ovan visar denna idé. Observera också att även om det talas om klassiska diskussioner om genotyp- och fenotyprelationer i samband med flercelliga organismer, gäller denna nomenklatur och de underliggande begreppen för alla organismer, till och med encelliga organismer som bakterier och archaea.

Obs: möjlig diskussion

Kan något man inte kan se "med ögat" betraktas som en fenotyp?

Obs: möjlig diskussion

Kan encelliga organismer ha flera samtidiga fenotyper? Om så är fallet, kan du föreslå ett exempel? Om inte, varför?

Gener

Vad är en gen? A gen är ett segment av DNA i en organisms genom som kodar för ett funktionellt RNA (såsom rRNA, tRNA, etc.) eller proteinprodukt (enzymer, tubulin, etc.). En generisk gen innehåller element som kodar för regulatoriska regioner och en region som kodar för en transkriberad enhet.

Gener kan förvärva mutationer—Definieras som förändringar i sammansättningen och eller sekvensen för nukleotiderna - antingen i de kodande eller reglerande regionerna. Dessa mutationer kan leda till flera möjliga resultat: (1) inget mätbart händer som ett resultat; (2) genen uttrycks inte längre; eller (3) uttrycket eller beteendet hos genprodukt (erna) är olika. I en population av organismer som delar samma gen är olika varianter av genen kända som alleler. Olika alleler kan leda till skillnader i individers fenotyper och bidra till mångfalden i biologi som är under selektivt tryck.

Börja lära dig dessa ordförråd och tillhörande begrepp. Du kommer då att vara något bekant med dem när vi börjar dyka in i dem mer detaljerat under de kommande föreläsningarna.

Figur 3. En gen består av en kodande region för en RNA- eller proteinprodukt åtföljd av dess regulatoriska regioner. Den kodande regionen transkriberas till RNA som sedan translateras till protein.

Transkription: från DNA till RNA

Avsnittssammanfattning

Bakterier, arke och eukaryoter måste alla transkribera gener från deras genom. Även om cellplaceringen kan vara annorlunda (eukaryoter utför transkription i kärnan; bakterier och archaea utför transkription i cytoplasman), är de mekanismer genom vilka organismer från var och en av dessa klader utför denna process i grunden desamma och kan kännetecknas av tre steg : initiering, förlängning och avslutning.

En kort översikt av transkription

Transkription är processen att skapa en RNA-kopia av ett segment av DNA. Eftersom detta är en bearbeta, vi vill tillämpa Energy Story -rubriken för att utveckla en funktionell förståelse för transkription. Hur ser molekylsystemet ut innan transkriptionen börjar? Hur ser det ut i slutet? Vilka omvandlingar av materia och överföringar av energi sker under transkriptionen och vad, om något, katalyserar processen? Vi vill också tänka på processen ur en designutmaningssynpunkt. Om den biologiska uppgiften är att skapa en kopia av DNA i det kemiska språket i RNA, vilka utmaningar kan vi rimligen anta eller förutse, med tanke på vår kunskap om andra nukleotidpolymerprocesser, måste övervinnas? Finns det bevis för att naturen löste dessa problem på olika sätt? Vilka verkar vara kriterierna för framgång för transkription? Du förstår tanken.

Lista några av de grundläggande kraven för transkription

Låt oss först överväga de aktuella uppgifterna genom att använda en del av vår grundläggande kunskap och föreställa oss vad som kan behöva hända under transkription om målet är att göra en RNA-kopia av en bit av en sträng av en dubbelsträngad DNA-molekyl. Vi kommer att se att med hjälp av en grundläggande logik kan vi dra slutsatser från många viktiga frågor och saker som vi behöver veta för att korrekt beskriva processen.

Låt oss föreställa oss att vi vill designa en nanomaskin/nanobot som skulle utföra transkription. Vi kan använda något Design Challenge -tänkande för att identifiera problem och delproblem som måste lösas av vår lilla robot.

• Var ska maskinen starta? Vart ska maskinen riktas längs miljontals till miljarder baspar?
• Var ska maskinen stanna?
• Om vi ​​har start- och stoppplatser kommer vi att behöva sätt att koda den informationen så att vår maskin(er) kan läsa denna information – hur kommer det att ske?
• Hur många RNA -kopior av DNA kommer vi att behöva göra?
• Hur snabbt behöver RNA -kopiorna göras?
• Hur exakt behöver kopiorna göras?
• Hur mycket energi tar processen och var kommer energin att komma ifrån?

Detta är naturligtvis bara några av kärnfrågorna. Man kan gräva djupare om de vill. Dessa är dock redan tillräckligt bra för att vi ska kunna få en bra känsla för denna process. Lägg också märke till att många av dessa frågor är anmärkningsvärt lika de som vi ansåg kan vara nödvändiga för att förstå om DNA-replikation.

Byggstenarna för transkription

Byggstenarna i RNA

Minns från vår diskussion om strukturen av nukleotider att byggstenarna i RNA är mycket lika dem i DNA. I RNA består byggstenarna av nukleotidtrifosfater som består av ett ribosocker, en kvävehaltig bas och tre fosfatgrupper. De viktigaste skillnaderna mellan byggstenarna i DNA och de hos RNA är att RNA -molekyler består av nukleotider med ribosocker (i motsats till deoxiribosocker) och använder uridin, en uracil innehållande nukleotid (i motsats till tymidin i DNA). Notera nedan att uracil och tymin är strukturellt mycket lika - uracilen saknar bara en metyl (CH3) funktionell grupp jämfört med tymin.

Figur 1. De grundläggande kemiska komponenterna i nukleotider.
Erkännande: Marc T. Facciotti (originalverk)

Transkription initiering

Arrangörer

Proteiner som är ansvariga för att skapa en RNA-kopia av en specifik del av DNA (transkription) måste först kunna känna igen början av det element som ska kopieras. A promotor är en DNA -sekvens på vilken olika proteiner, gemensamt kända som transkriptionsmaskineriet, binder och initierar transkription. I de flesta fall existerar promotorer uppströms (5' till den kodande regionen) om generna som de reglerar. Den specifika sekvensen för en promotor är mycket viktig eftersom den avgör om motsvarande kodande del av genen transkriberas hela tiden, en del av tiden eller sällan. Även om promotorer varierar mellan arter, är några få element av liknande sekvens ibland konserverade. Vid regionerna -10 och -35 uppströms initieringsstället finns det två promotorer konsensus sekvenser eller regioner som är likartade för många promotorer och för olika arter. Vissa promotorer kommer att ha en sekvens som är mycket lik konsensussekvensen (sekvensen som innehåller de vanligaste sekvenselementen), och andra kommer att se väldigt olika ut. Dessa sekvensvariationer påverkar styrkan till vilken transkriptionsmaskineriet kan binda till promotorn för att initiera transkription. Detta hjälper till att kontrollera antalet avskrifter som görs och hur ofta de görs.

figur 2. (a) Ett allmänt diagram över en gen. Genen inkluderar promotorsekvensen, en otranslaterad region (UTR) och den kodande sekvensen. (b) En lista över flera starka E. coli -promotorsekvenser. Boxen -35 och -10 är högkonserverade sekvenser genom listan över starka promotorer. Svagare promotorer kommer att ha fler basparskillnader jämfört med dessa sekvenser.
Källa: http://www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

Obs: möjlig diskussion

Vilka typer av interaktioner förändras mellan transkriptionsmaskineriet och DNA:t när nukleotidsekvensen för promotorn ändras? Varför skulle vissa sekvenser skapa en "stark" promotor och varför skapar andra en "svag" promotor?

Bakteriella kontra eukaryota promotorer

I bakterieceller är -10-konsensussekvensen, kallad -10-regionen, AT-rik, ofta TATAAT. -35 -sekvensen, TTGACA, känns igen och binds av proteinet σ. När denna protein-DNA-interaktion väl har gjorts, binder subenheterna i kärn-RNA-polymeraset till platsen. På grund av den relativt lägre stabiliteten hos AT -föreningar underlättar den AT -rika -10 -regionen avveckling av DNA -mallen och flera fosfodiesterbindningar görs.

Eukaryota promotorer är mycket större och mer komplexa än prokaryota promotorer, men båda har en AT-rik region-i eukaryoter kallas det vanligtvis en TATA-låda. Till exempel, i mus -tymidinkinasgenen, är TATA -rutan belägen vid ungefär -30. För denna gen är den exakta TATA -box -sekvensen TATAAAA, som läses i 5 'till 3' -riktningen på den icke -avsedda strängen. Denna sekvens är inte identisk med E coli -10-regionen, men båda delar kvaliteten på att vara AT-rika element.

Istället för ett enda bakteriellt polymeras kodar genomen för de flesta eukaryoter för tre olika RNA-polymeraser, som var och en består av tio proteinsubenheter eller mer. Varje eukaryot polymeras kräver också en distinkt uppsättning proteiner som kallas transkriptionsfaktorer att rekrytera det till en promotor. Dessutom hjälper en armé av andra transkriptionsfaktorer, proteiner som kallas förstärkare och ljuddämpare att reglera syntesen av RNA från varje promotor. Förstärkare och ljuddämpare påverkar effektiviteten av transkription men är inte nödvändiga för initiering av transkription eller dess procession. Basala transkriptionsfaktorer är avgörande för bildandet av en förinitieringskomplex på DNA -mallen som därefter rekryterar RNA -polymeras för transkriptionsinitiering.

Initiering av transkription börjar med bindningen av RNA -polymeras till promotor. Transkription kräver att DNA -helixen delvis rullas upp så att en sträng kan användas som mall för RNA -syntes. Avvecklingsområdet kallas a transkriptionsbubbla.

Figur 3. Under förlängning spårar RNA-polymeras längs DNA-mallen, syntetiserar mRNA i 5'- till 3'-riktningen och lindar sedan upp DNA:t medan det läses.

Förlängning

Transkriptionen sker alltid från mallsträng, en av de två strängarna i det dubbelsträngade DNA:t. RNA -produkten kompletterar mallsträngen och är nästan identisk med den icke -avsedda strängen, kallad kodande sträng, med undantag för att RNA innehåller en uracil (U) i stället för tymin (T) som finns i DNA. Under förlängning kallas ett enzym RNA -polymeras fortsätter längs DNA -mallen och tillsätter nukleotider genom basparning med DNA -mallen på ett sätt som liknar DNA -replikation, varvid skillnaden är en RNA -sträng som syntetiseras förblir inte bunden till DNA -mallen. När förlängningen fortskrider avrullas DNA: t kontinuerligt före kärnenzymet och spolas bakom det. Observera att syntesriktningen är identisk med den för syntes i DNA—5' till 3'.

Figur 4. Under förlängning spårar RNA -polymeras längs DNA -mallen, syntetiserar mRNA i 5 'till 3' -riktningen, avlindning och återspolning av DNA: t när det läses.

Figur 5. Tillsatsen av nukleotider under transkriptionsprocessen liknar mycket nukleotidtillsats vid DNA -replikation. RNA polymeriseras från 5 'till 3', och med varje tillsats av en nukleotid hydroliseras en fosfoanhidridbindning av enzymet, vilket resulterar i en längre polymer och frisättning av två oorganiska fosfater.
Källa: http://utminers.utep.edu/rwebb/html/...longation.html

Obs: möjlig diskussion

Jämför och kontrastera energihistorien för tillägg av en nukleotid i DNA-replikation med tillägg av en nukleotid vid transkription.

Bakteriell vs eukaryotisk förlängning

Hos bakterier börjar förlängningen med frisättningen av σ subenhet från polymeraset. Dissociationen av σ tillåter kärnenzymet att fortsätta längs DNA-mallen och syntetisera mRNA i 5'- till 3'-riktningen med en hastighet av cirka 40 nukleotider per sekund. Basparningen mellan DNA och RNA är inte tillräckligt stabil för att bibehålla stabiliteten hos mRNA-synteskomponenterna. Istället fungerar RNA-polymeraset som en stabil länk mellan DNA-mallen och de begynnande RNA-strängarna för att säkerställa att förlängningen inte avbryts i förtid.

I eukaryoter, efter bildandet av förinitieringskomplexet, frigörs polymeraset från de andra transkriptionsfaktorerna, och förlängning får fortsätta som i prokaryoter med polymeraset som syntetiserar pre-mRNA i 5 'till 3'-riktningen. Som diskuterats tidigare transkriberar RNA -polymeras II huvuddelen av eukaryota gener, så detta avsnitt kommer att fokusera på hur detta polymeras åstadkommer förlängning och avslutning.

Uppsägning

I bakterier

När en gen transkriberats måste bakteriepolymeras instrueras att dissociera från DNA -mallen och frigöra det nygjorda mRNA. Beroende på genen som transkriberas finns det två typer av termineringssignaler. Den ena är proteinbaserad och den andra är RNA-baserad. Rho-beroende uppsägning styrs av rho-proteinet, som följer efter polymeraset på den växande mRNA-kedjan. Nära slutet av genen möter polymeraset en körning av G -nukleotider på DNA -mallen och det stannar. Som ett resultat kolliderar rho-proteinet med polymeraset. Interaktionen med rho frisätter mRNA från transkriptionsbubblan.

Rho-oberoende uppsägning styrs av specifika sekvenser i DNA -mallsträngen. När polymeraset närmar sig slutet av genen som transkriberas, möter det en region rik på CG -nukleotider. mRNA:t viks tillbaka på sig själv, och de komplementära CG-nukleotiderna binder samman. Resultatet är ett stabilt hårnål som får polymeras att stanna så snart det börjar transkribera en region rik på AT -nukleotider. Den komplementära UA-regionen av mRNA-transkriptet bildar endast en svag interaktion med mall-DNA:t. Detta, i kombination med det avstannade polymeraset, inducerar tillräckligt med instabilitet för att kärnenzymet ska bryta sig loss och frigöra det nya mRNA-transkriptet.

I eukaryoter

Avslutningen av transkriptionen är olika för de olika polymeraserna. Till skillnad från i prokaryoter sker förlängning med RNA -polymeras II i eukaryoter 1000–2 000 nukleotider bortom slutet av genen som transkriberas. Denna pre-mRNA-svans avlägsnas därefter genom klyvning under mRNA-bearbetning. Å andra sidan kräver RNA -polymeraser I och III termineringssignaler. Gener som transkriberats av RNA-polymeras I innehåller en specifik 18-nukleotidsekvens som känns igen av ett termineringsprotein. Avslutningsprocessen i RNA-polymeras III innefattar en mRNA-hårnål som liknar rho-oberoende avslutning av transkription i prokaryoter.

I archaea

Avslutning av transkription i archaea är långt mindre studerad än i de andra två livsområdena och är fortfarande inte väl förstådd. Även om de funktionella detaljerna sannolikt kommer att likna mekanismer som har setts i livets andra domäner, ligger detaljerna utanför denna kurss omfattning.

Mobil plats

I bakterier och archaea

I bakterier och archaea sker transkription i cytoplasman, där DNA finns. Eftersom platsen för DNA:t, och därmed transkriptionsprocessen, inte är fysiskt åtskilda från resten av cellen, startar översättningen ofta innan transkriptionen har avslutats. Detta innebär att mRNA i bakterier och archaea används som mall för ett protein innan hela mRNA produceras. Avsaknaden av rumslig segregation innebär också att det finns mycket liten tidsmässig segregation för dessa processer. Figur 6 visar processerna för transkription och translation som sker samtidigt.

Figur 6. Tillsatsen av nukleotider under transkriptionsprocessen liknar mycket nukleotidtillsats vid DNA -replikation.
Källa: Marc T. Facciotti (eget verk)

I eukaryoter ....

I eukaryoter är transkriptionsprocessen fysiskt separerad från resten av cellen, sekvestrerad inuti kärnan. Detta resulterar i två saker: mRNA är klart innan översättning kan starta, och det finns tid att "justera" eller "redigera" mRNA innan översättning startar. Den fysiska separationen av dessa processer ger eukaryoter en chans att förändra mRNA på ett sådant sätt att förlänga mRNA: s livslängd eller till och med ändra proteinprodukten som kommer att produceras från mRNA.

MRNA-bearbetning

5 'G-lock och 3' poly-A-svans

När en eukaryot gen transkriberas bearbetas det primära transkriptet i kärnan på flera sätt. Eukaryota mRNA modifieras i 3'-änden genom tillsats av en poly-A-svans. Denna körning av A-rester tillsätts av ett enzym som inte använder genomiskt DNA som mall. Dessutom har mRNA en kemisk modifiering av 5'-änden, kallad en 5'-keps. Data tyder på att dessa modifieringar både hjälper till att öka mRNA: s livslängd (förhindra dess för tidiga nedbrytning i cytoplasman) såväl som att hjälpa mRNA att initiera translation.

Figur 7. pre-mRNA behandlas i en serie steg. Introner tas bort, en 5'-kåpa och poly-A-svans läggs till.
Källa: http: //www.discoveryandinnovation.co...föreläsning12.html

Alternativ skarvning

Splitsning sker på de flesta eukaryota mRNA i vilka introner avlägsnas från mRNA -sekvensen och exoner ligeras tillsammans. Detta kan skapa ett mycket kortare mRNA än initialt transkriberat. Splitsning tillåter celler att blanda och matcha vilka exoner som ingår i den slutliga mRNA -produkten. Som visas i figuren nedan kan detta leda till att flera proteiner kodas för av en enda gen.

Figur 8. Informationen som lagras i DNA: t är begränsad. I vissa fall kan organismer blanda och matcha denna information för att skapa olika slutprodukter. I eukaryoter möjliggör alternativ splitsning skapandet av olika mRNA-produkter, som i sin tur används i translation för att skapa olika proteinsekvenser. Detta leder i slutändan till produktionen av olika proteinformer och därmed olika proteinfunktioner.
Källa: http: //www.discoveryandinnovation.co...föreläsning12.html