16.3 Utangenaerfðir og stjórnun gena í heilkjörnungum
16.3 Utangenaerfðir og stjórnun gena í heilkjörnungum
Námsmarkmið
Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:
Genatjáning í heilkjörnungum er flóknari en genatjáning í dreifkjörnungum vegna þess að umritun og þýðing eru líkamlega aðskild ferli. Ólíkt dreifkjörnungafrumum geta heilkjörnungafrumur stjórnað genatjáningu á mörgum mismunandi stigum. Utangenaerfðabreytingar eru arfgengar breytingar á genatjáningu sem stafa ekki af breytingum á DNA-röðinni. Genatjáning í heilkjörnungum hefst með stjórnun á aðgengi að DNA. Aðgengi að DNA fyrir umritun má stjórna á tvo meginvegu: með endurmótun litnis og með DNA-metýleringu. Endurmótun litnis breytir því hvernig DNA tengist histónum litninganna. DNA-metýlering tengist þroskabreytingum og genaþöggun.
Utangenaerfðastjórnun: stjórnun á aðgengi að genum innan litnings
Erfðamengi mannsins kóðar fyrir yfir 20.000 genum, með hundruðum til þúsundum gena á hverjum af 23 litningum mannsins. DNA í kjarnanum er nákvæmlega vafið, brotið saman og þjappað í litninga svo það komist fyrir í kjarnanum. Það er einnig skipulagt þannig að tilteknir hlutar þess séu aðgengilegir eftir þörfum hverrar frumugerðar.
Fyrsta stig skipulags, eða pökkunar, er að DNA-þræðir vefjast utan um histónprótín. Histón pakka DNA og raða því í byggingareiningar sem kallast litnisagnaflókar og geta stjórnað aðgengi prótína að DNA-svæðum (Mynd 16.7a). Í rafeindasmásjá líta DNA-vafningar utan um histónprótín, sem mynda litnisagnir, út eins og litlar perlur á bandi (Mynd 16.7b).
Þessar perlur, það er histónprótínin, geta færst eftir bandinu, DNA-sameindinni, og afhjúpað mismunandi hluta sameindarinnar. Ef umrita á DNA sem kóðar fyrir tiltekið gen í RNA geta litnisagnirnar í kringum þetta DNA-svæði runnið eftir DNA og opnað tiltekna litningasvæðið. Þá getur umritunarvélbúnaðurinn, þar á meðal RNA-pólýmerasi, hafið umritun (Mynd 16.8).
Myndræn tenging
Hjá kvendýrum er annar af tveimur X-litningum gerður óvirkur á fósturskeiði vegna utangenaerfðabreytinga á litni. Hvaða áhrif heldurðu að þessar breytingar hafi á pökkun litnisagna?
Hversu þétt histónprótín tengjast DNA er stjórnað af merkjum sem finnast bæði á histónprótínunum og á DNA. Þessi merki eru virkir hópar sem bætt er við histónprótín eða DNA og ákvarða hvort litningasvæði eigi að vera opið eða lokað (Mynd 16.9 sýnir breytingar á histónprótínum og DNA). Þessi merki eru ekki varanleg heldur má bæta þeim við eða fjarlægja þau eftir þörfum. Sumir efnahópar, svo sem fosfathópar, metýlhópar eða asetýlhópar, tengjast tilteknum amínósýrum í histónhölum við N-enda prótínsins. Þessir hópar breyta ekki basaröð DNA en þeir breyta því hversu þétt DNA er vafið um histónprótínin. DNA er neikvætt hlaðin sameind og óbreytt histón eru jákvætt hlaðin; því breyta breytingar á hleðslu históna því hversu þétt DNA-sameindin er vafin. Þegar efnafræðilegum breytingum eins og asetýlhópum er bætt við verður hleðslan minna jákvæð og binding DNA við históna slaknar. Breytingar á staðsetningu litnisagna og þéttleika histónbindingar opna sum litnissvæði fyrir umritun en loka öðrum.
DNA-sameindin sjálf getur einnig breyst með metýleringu. DNA-metýlering á sér stað á mjög afmörkuðum svæðum sem kallast CpG-eyjar. Þetta eru raðir með hárri tíðni DNA-díbasapara úr cýtósíni og gúaníni (CG) og finnast í stýrilsvæðum gena. Cýtósínið í CG-parinu getur verið metýlerað, það er metýlhópi er bætt við. Metýleruð gen eru yfirleitt þögguð, þótt metýlering geti einnig haft önnur stjórnunaráhrif. Í sumum tilvikum berast gen sem eru þögguð við myndun kynfrumna annars foreldris áfram til afkvæma í þögguðu ástandi. Slík gen eru sögð vera markað. Mataræði foreldra eða önnur umhverfisskilyrði geta einnig haft áhrif á metýleringarmynstur gena, sem breytir síðan genatjáningu. Breytingar á skipulagi litnis verka með DNA-metýleringu. DNA-metýltransferasar virðast dragast að litnissvæðum með tilteknum histónbreytingum. Mjög metýleruð, eða ofmetýleruð, DNA-svæði með afasetýleruðum histónum eru þéttvafin og óvirk í umritun.
Utangenaerfðabreytingar eru ekki varanlegar, þótt þær haldist oft í margar frumuskiptingar og geti jafnvel borist milli kynslóða. Endurmótun litnis breytir byggingu litningsins, þannig að hún er opin eða lokuð eftir þörfum. Ef umrita á gen eru histónprótínin og DNA á litningasvæðinu sem kóðar fyrir genið breytt þannig að stýrilsvæðið opnast og RNA-pólýmerasi og önnur prótín, sem kallast umritunarþættir, geta bundist og hafið umritun. Ef gen á að vera áfram óvirkt, eða þaggað, hafa histónprótínin og DNA annars konar breytingar sem gefa merki um lokaða litningabyggingu. Í þessari lokuðu byggingu hafa RNA-pólýmerasi og umritunarþættir ekki aðgang að DNA og umritun getur ekki átt sér stað (Mynd 16.9).