GENETYKA

Dwujęzyczna witryna Internetowa  wspomagająca nauczanie genetyki,
uwzględniająca aspekty informatyczne ( genomatyczne )

Część I 

Część II  niniejszego " Krótkiego kursu genetyki " jest dostępna tutaj 



Prace nad niniejszą witryną są wykonywane w ramach tematu badawczego nr NN- 5-131/2004

Polecamy witrynę zawierajaca wiele przydatnych adresów
(również wolnodostępnych czasopism on line) z zakresu genetyki

 

   Część II  niniejszego " Krótkiego kursu genetyki " jest dostępna tutaj 

1. Wyjaśnienia wstępne dotyczące celowości podjęcia  powyższego  tematu badań własnych.

     Wydawałoby się,  że  istnieje tyle różnych podręczników, skryptów i witryn Internetowych dotyczących genetyki, iż podjęcie prac nad utworzeniem niniejszej witryny  nie celowe celowe. Pragniemy wiec wyjaśnić na wstępie jakie były nasze motywacje do podjęcia, mimo wszystko takiego właśnie tematu  badań własnych, oraz czego może się spodziewać czytelnik niniejszej witryny.

   Otóż oryginalność i aspekt badawczy  niniejszej witryny ma dotyczyć '  efektywności nauczania genetyki '. Genetyka jest przedmiotem obowiązkowym w liceach ogólnokształcących i na  dziesiątkach różnych uniwersyteckich kierunków nauczania.  Między innymi jest ona nauczana na wydziałach  biologii, na kierunkach nauk rolniczych, na wydziałach lekarskich,  w trakcie kształcenia pielęgniarek, na studiach z zakresu zdrowia publicznego, promocji zdrowia itd.

  Autorzy niniejszej witryny mają  osobiste doświadczenie z realizowania  programów nauczania z zakresu genetyki na wydziałach lekarskich akademii medycznej oraz  w trakcie nauczania pielęgniarstwa i zdrowia publicznego.

  Okazuje się,  iż przedmiot  genetyka  może być postrzegana przez studentów jako przedmiot suchy, trudny, nudny, podobny do uczenia się ' książki telefonicznej' na pamięć.

   Nasze  osobiste doświadczenia zaprowadziły nas do wniosku, że nauczanie genetyki staje się  ciekawe  i dobrze odbierane przez studentów jeśli:

(1) genetyka jest przedstawiana jako nauka kluczowa dla zrozumienia istoty i pochodzenia życia na naszej planecie, pochodzenia człowieka, sił kierujących ewolucją - czyli jako nauka istotna dla zagadnień z kręgu filozofii przyrody a nawet zagadnień ideologicznych

(2) jeśli genetyka współczesna  jest przedstawiana jako wczesny etap rozwoju przyszłościowej dziedziny wiedzy ( genomatyki ), która będzie w stanie wytłumaczyć działanie niezwykłego zapisu na matrycy DNA i RNA,  niepodobnego do programów komputerowych, określającego działanie i rozwój ( embriogenezę )  organizmów żywych.

(3) jeśli  rozwinięte są  natychmiastowe wnioski praktyczne dotyczące np. takich zagadnień jak choroby uwarunkowane genetycznie, inżynieria genetyczna, produkcja leków, diagnostyka oparta o biologię molekularną.

(4) jeśli w tym gąszczu zagadnień przedstawiane są  jedynie podstawowe koncepty, bez wchodzenia w szczegóły ważne jedynie dla biochemików i biologów molekularnych.

  Tak więc głównym zamiarem autorów niniejszej witryny jest przedstawienia krótkiego kursu genetyki ( skryptu ) który przestrzegałby w/w zaleceń. W taki sposób powinno być utworzone ' efektywne narzędzie  dydaktyczne ' . W trakcie prac nad tym zagadnieniem rozwinięto jednak także dodatkowe wątki.   

   Struktura niniejszej witryny,  stale uzupełnianej jest więc w chwili obecnej następująca.  Na niniejszej stronie Internetowej  zamieszczamy  kolejne  rozdziały kompendium, rodzaju skryptu  zawierającego  taki zakres wiedzy jaki jest potrzebny dla studentów wydziałów lekarskich i innych medycznych kierunków studiów.

   Linki do zewnętrznych website' ów  dotyczących genetyki zebraliśmy na stronie: 

http://salve.slam.katowice.pl/genetykalinki1.htm 

   W obrębie niniejszej strony umieszczamy także  dowiązania  do innych  części  naszej  własnej  witryny poświęconej genetyce.  

   Zamieszczamy więc tutaj  dowiązania  do części anglojęzycznej  oraz dowiązania  do stron poświęconych wybranym zagadnieniom omówionym szerzej.  

   Część tych dodatkowych, naszych własnych  stron  Internetowych prezentuje  opracowania,  w  tym także teksty przekazane do druku, które stanową  wynik naszych własnych oryginalnych  dociekań  mających związek z jednej strony z genetyką a z drugiej strony z  różnymi praktycznymi zagadnieniami  medycyny klinicznej.

    W chwili obecnej prezentujemy więc  na osobnych stronach następujące zagadnienia związane z  pojęciami z dziedziny genetyki.: 

   Współczesne rozumienie pojęć  choroby i stanu zdrowia ( Contemporary meaning of  concepts of disease and state of health ) 

    Wykład wygłoszony na międzynarodowej, międzyuczelnianej konferencji pt." Spór fakultetów - 200 lat po śmierci Immanuela Kanta" pt.: Niezbędne okoliczności i konieczne, wspólne pojęcia dla ' współpracy fakultetów ' - czyli o (1) powodach ' wyniknięcia ' kodu DNA, (2) współistnieniu przeszłości, zawierającej nasze ' ślady ' i (3) zwierciadle czasu - fenomenie   

    

 

                                                                                         Krótki kurs genetyki  

[ Uwaga !  Niniejszy krótki kurs genetyki,  tymczasowo  prezentujemy korzystając z rysunków zapożyczonych z witryny:    http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookDNAMOLGEN.html  ]  

     1. Zacznijmy od próby zdefiniowania czym jest nauka zwana genetyką. Definicje encyklopedyczne stwierdzają iż.:

 Genetyka, jest  nauką  zajmująca się badaniem zjawisk dziedziczenia, czyli przekazywania cech potomstwu oraz zmiennością organizmów żywych.

   Genetyka (gr. genétes ‘rodzic’) jest dziedziną  biologii zajmująca się badaniem zjawisk związanych z dziedzicznością i zmiennością organizmów oraz mechanizmami biologicznymi tych procesów, m.in. utrzymaniem podobieństw i powstawaniem różnic pomiędzy kolejnymi pokoleniami osobniczymi, mutacjami genowymi, inżynierią genetyczną.

   Za twórcę genetyki uważa się G. Mendla, który w 1866 pierwszy opisał podstawowe prawa dziedziczenia cech ( Mendla prawa). Jego praca została jednak zapomniana, a prawa te zostały ponownie odkryte w 1900 przez trzech niezależnych uczonych - C. Corrensa, E. Tschermaka i H. de Vriesa.

  Kolejny etap rozwoju genetyki to chromosomowa teoria dziedziczenia Th. Morgana oraz badania nad mutacjami genów zapoczątkowane w latach 30. XX w. Genetyka molekularna doprowadziła do rozszyfrowania kodu genetycznego, a genetyka populacyjna analizuje zjawiska dziedziczności w odniesieniu do populacji. 

                                                         

       Pojęcie genu - Genem nazywamy pewien wyróżniony funkcjonalnie ciąg nukleotydów wchodzących w skład łańcuchów DNA określających genom danego organizmu. W organizmach Eukariotycznych jest to na ogół pewien fragment ( odcinek ) łańcucha DNA pewnego określonego chromosomu. Informacja genetyczna w organi żmie człowieka jest zorganizowana w postaci 23 par tzw. chromosomów. Pojedynczy gen zawiera często informację określającą pewien konkretny łańcuch polipeptydowy białka. Ponieważ w skład wielu białek wchodzi często więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy, zatem białka takie są kodowane przez więcej niż jeden gen. Gen określony jako pewna jednostka funkcjonalna istnieje czasami w postaci kilku fragmentów umiejscowionych w różnych miejscach pewnego chromosomu. 
     Gen może także kodować funkcjonalne cząstki RNA takie jak tRNA, inny RNA rybosomów. Gen bywa także określany jako najmniejsza jednostka dziedziczności. Jest to jednak uproszczenie pojęciowe z czasów gdy nie znano jeszcze stuktury DNA. 
    Należy zauważyć, że geny zawierające informację określającą strukturę pewnych białek, to tylko podzbiór wszelakich innych. Od czasu zakończenia programu badawczego, mającego na celu ustalenie sekwencji nukleotydów całego genomu ludzkiego wiadomo, iż takich genów jest jedynie ok. 30 000. Więcej danych o innych informacjach zawartych w genomach patrz niżej w rozdziałach pt.: " Genomy prokariotyczne i genom człowieka "
    Długość fragmentów stanowiących jeden gen jest bardzo różna, od ok. 100 nukleotydów do kilku milionów nukleotydów.
W trakcie tzw. ekspresji genów, w jej początkowym stadium informacja dotycząca pewnego genu jest ' przepisywana ' ( transkrybowana ) na tzw. pre- mRNA. Z łańcucha tego są następnie usuwane pewne odcinki zwane intronami. Dawniej te odcinki DNA, które są usuwane na etapie transkrypcji nazywano niefortunnie "DNA śmieciowym" lub DNA intergenowym. Współcześnie wiadomo już, iż introny zawierają istotne informacja ważne dla określenia rozwoju i funkcji pozostałych podzbiorów informacji. Będziemy to omawiać niżej.
    Ów tzw. intergenowy DNA to obszerne fragmenty całości genomu. U człowieka sekwencje nukleotydów stanowiące geny stanowią mniej niż 30% ogólnego DNA. W trakcie transkrypcji odczytywana jest informacja zawarta na jedna z dwóch nici helisy DNA. Nić tę nazywamy nicią matrycową. Nić matrycowa służy do syntezy komplementarnej cząsteczki mRNA, stanowiącej z kolei matrycę do syntezy polipeptydu białkowego. Druga nić nazywana jest ' nicią nie matrycową '. Inne nazwy tych dwóch nici to nić niekodująca, antysensowna, kodująca, sensowna
     W danym momencie w pewnej komórce tylko niewielka ilość genów podlega ekspresji. Inne geny są nieaktywne. 
U bakterii zazwyczaj kilka genów jest zorganizowanych w jednostki funkcjonalne zwane operonami. W operonie wyróżnia się część początkową, regulacyjną zwaną promotorem od której zależy uruchomienie ekspresji genów danego operonu. Rozpoczęcie ekspresji zależy najczęściej od stężeń substratów na które wpływają białka syntetyzowane przez dane geny. Genomy bakteryjne nie zawierają intronów. W komórkach organizmów eukariotycznych.
występują tzw. rodziny wielogenowe, które zawierają identyczne lub bardzo podobne geny, które jednak nie podlegają wspólnej regulacji. Tzw. proste rodziny wielogenowe zawierają identyczne geny, których produkty są wymagane w dużych ilościach. Natomiast tzw. złożone rodziny wielogenowe obejmują podobne geny, kodujące białka o pokrewnych funkcjach. Regulacja ekspresji genów o komórkach organizmów wyższych jest złożonym procesem. Poświęcimy jej więcej uwagi niżej.

      2. Struktura  cząsteczek ( tzw. nici ) DNA

  Zdolność DNA do pełnienia funkcji nośnika informacji genetycznej niezbędnego do reprodukcji komórki jak i przeniesienia jej do struktury osobnika potomnego wynika z budową cząsteczek DNA.
   Łańcuchy (nici) DNA są tzw. polinukleotydami. DNA jest więc polimerem składającym się z długich łańcuchów zbudowanych z jednostek  zwanych nukleotydami.  Każdy nukleotyd składa się z  trzech  części: cukieru, aromatycznej zasadę azotowej, oraz grupy  fosforanowej ( rys. 1 ) 

                                                                                                                      
    Cukrem jest  5 - cio węglowa  pentoza nazywana 2'-deoksyrybozą. Jest to pochodna rybozy, w której  grupa -OH przy węglu 2 została zastąpiona wodorem.
W skład każdego  nukleotydu wchodzi jedna  z czterech zasad: adenina, guanina, tymina,  lub cytozynę . Zasady są cyklicznymi związkami aromatycznymi zbudowanymi z atomów węgla i azotu. Adenina i guanina są związkami dwupierścieniowymi. Są to tzw. zasady purynowe, gdyż  stanowią pochodne puryny(rys.2). 

                                                                      

 

Dwie inne zasady  to cytozyna i tymina, które są związkami  jednopierścieniowymi. Są to pochodne  pirymidyny( rys. 3 ) 

                                                                  

   Atomy węgla w cząsteczce cukru są oznaczone numerami od 1 do 5, z dodatkowym znakiem prim (') odróżniającym je od numerów atomów w cząsteczce zasady. Numeracja atomów jest ważna, ponieważ wskazuje miejsce przyłączenia do cukru pozostałych składników nukleotydu.  Zasady łączą się z cukrem wiązaniem między węglem 1' cukru a azotem 9 puryn lub azotem 1 pirymidyn. Związek cukru z zasadą nazywa się nukleozydem.   
    Nukleotydy zawierają grupę fosforanową  przyłączoną do węgla 5' cukru. Przyłączenie  grupy fosforanowej przemienia  nukleozyd  w   nukleotydem. Może być przyłączona  jedną, dwie lub trzy reszty fosforanowe połączone ze sobą. 
   Nukleotydy  występują w komórkach  także w  postaci pojedynczych cząsteczek. Te tzw.  trifosforany nukleozydów pełnią ważną rolę przenośników  energii. 
Produktem łączenia się trifosforanów nukleozydów są polinukleotydy. Do syntezy polinukleotydów DNA są wykorzystywane: 2'-deoksyadenozyno-5'-trifosforan (dATP lub A), 2 '-deoksyguanozyno-5'-trifosforan (dGTP lub G), 2'-deoksycytydyno-5'-trifosforan (dCTP lub C) oraz 2'-deoksytymidyno-5'-trifosforan (dTTP lub T). Podczas polimeryzacji dwie grupy  fosforanowe są usuwane, a monomeryczne nukleotydy łączą się poprzez pozostały fosforan. Fosforan 5' jednego nukleotydu tworzy wiązanie z węglem 3' następnego nukleotydu, przy czym podczas reakcji zachodzi eliminacja grupy -OH związanej z węglem 3'. Utworzone wiązanie nazywa się wiązaniem  3'-5'-fosfodiestrowym 
   

                                                       

   Łańcuch polinukleotydowy na jednym końcu - określanym jako koniec 5' - ma wolny 5'-trifosforan a na drugim końcu - określanym jako koniec 3' - wolną grupę 3'-hydroksylową. Różnica końców nadaje polinukleotydom DNA polarność, można więc powiedzieć, że cząsteczka DNA biegnie w kierunku 5'- > 3' lub w kierunku 3' - >5'.

                                                     
    Informację genetyczną koduje sekwencja zasad w polinukleotydach DNA. Sekwencję tą określa się podając ją dla łańcucha biegnącego w kierunku 5'->3' . Enzymy polimeryzujące tworzą nici  cz, bez jakichkolwiek ograniczeń co do liczby nukleotydów i kolejności ich ułożenia. Maksymalna liczba możliwych sekwencji jakiegoś polinukleotydu jest ogromna.  
   Cząsteczki DNA mają bardzo charakterystyczną strukturę przestrzenną, znaną jako dwuniciowa helisa (rys. 5). Strukturę DNA odkryli w roku 1953 Watson i Crick.  
    Cząsteczki DNA są złożone z dwóch łańcuchów polinukleotydowych, owiniętych wokół siebie i tworzących dwuniciowa helisę. Rdzeń stanowi cukrowo-fosforanowa część  polinukleotydu. Stanowi to szkielet cząsteczki DNA.  Zasady są skierowane do wnętrza helisy . Układają się one  jedna nad drugą. Uwzględniając polaryzacje 5 - > 3 i  można powiedziać że  dwa łańcuchy,  tworzące helisę biegną w przeciwnych kierunkach . Przestrzeń dostępna pomiędzy łańcuchami cukrowo-fosforanowymi ogranicza możliwość oddziaływań między zasadami w taki sposób, że puryna tworzy parę zawsze z pirymidyną. Tak więc A oddziałuje tylko z T, a G tylko z C. Określa się to jako tworzenie się par  komplementarnych. 

   Helisa DNA jest prawoskrętna Na  jeden jej obrót przypada 10 par zasad. W helisie  wyróżnia się duży rowek, stanowiący miejsce oddziaływań DNA z białkami. 
Helisę DNA stabilizują wiązania wodorowe między zasadami dwóch przeciwległych łańcuchów polinukleotydowych. Pewne  odczynniki  lub enzymów, powodują  oddzielenie się poszczególnych nici helisy DNA.
    RNA zamiast tyminy zawiera uracyl, a zamiast 2'deoksyrybozy — rybozę. RNA zwykle występuje w postaci jednoniciowych cząsteczek> Czasami spotyka się krótkie  odcinki pomiędzy komplementarnymi sekwencjami tego samego łańcucha RNA.

3. Kod genetyczny 

   Nośnikiem informacji potrzebnej dla przekazania informacji do somatycznych komórek potomnych, w trakcie tzw. mitozy oraz do wnętrza osobnika potomnego poprzez podział mejotyczny prekursorów gamet co jest niezbędne dla reprodukcji organizmów żywych jest jego DNA. Informacja ta jest zapisana poprzez sekwencję nukleotydów w niciach DNA. 
   Proces, w którym komórka odczytuje informację i wykorzystuje ją do syntezy białek umożliwiających jej funkcjonowanie, jest określany terminem „ekspresja genów". Ekspresja genów polega na syntezie komplementarnych cząsteczek tzw. mRNA Z kolei sekwencja nukleotydów tzw. mRNA decyduje o sekwencji aminokwasów w białkach. Sekwencja aminokwasów w polipeptydzie jest współliniowa z sekwencją nukleotydów w genie. 
   Kod genetyczny .: Aminokwasy są kodowane przez 64 tryplety, tzn. trójki zasad, zwane kodonami. Kodony określają który z 20 aminokwasów zostanie wprowadzony do polipeptydu. Dla większości aminokwasów istnieje więcej niż jeden odpowiadający im kodon. Prawidłowość taka, określona jest jako tzw. degeneracja kodu genetycznego. Zapewne minimalizuje ona skutki mutacji. 

                                                  

 Tabelę pobrano z witryny http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookTOC.html    
    Kodony określające ten sam aminokwas są nazywane kodonami synonimowymi, różnią się one zasadą znajdującą się w trzeciej pozycji. kodonem inicjującym tzw. transkrypcję jest triplet AUG. Koduje on metioninę. Zakończenie transkrypcji wyznaczaja jeden z trzech różnych kodonów, a mianowicie UAG, UGA, i UAA. 
Ważnym pojęciem jest tzw. " ramka odczytu " Zalężnie od tego który nukleotyd zostaje wybrany jako początek kodonu, z danej sekwencji nukleotydów można odczytać trzy zestawy kodonów. Są więc możliwe tzw. trzy ramki odczytu. Tym nie mniej ramka odczytu sekwencji kodującej białko rozpoczyna się od kodonu inicjującego AUG. W rezultacie przyjęcia innej ramki odczytu często mogą się pojawiać kodony stop, co sprawia że przy takiej ramce odczytu nie da się syntetyzować białka. 
Wszystkie organizmy stosują się do tego samego przyporządkowania kodonów poszczególnym aminokwasów. Kod genetyczny jest więc powszechny dla wszystkich organizmów ożywionych bytujących na naszej planecie. Pewne wyjątki występują w genomach mitochondrialnych i u niektórych organizmów jednokomórkowych.

4.Transkrypcja 

    Proces, podczas którego powstaje RNA, stanowiący kopię sekwencji DNA nazywa się transkrypcją. Transkrypcja jest pierwszym etapem ekspresji genów i polega na syntezie RNA na matrycy DNA przez polimerazę RNA. Dwie nici helisy DNA są nazywane odpowiednio nicią matrycową i nicią niematrycową zwaną także nicią sensowną. RNA powstają na nici matrycowej. Określenie „sekwencja genu" zwykle odnosi się do nici niematrycowej, którą jest nazwyna także też nicią sensowną lub nicią kodującą. Syntetyzowana cząsteczka RNA nazywana jest transkryptem. 
    Pewien transkrypt RNA, czyli pewien odpowiednik określonego genu, zapisanego przez nukleotydy DNA wyznacza syntezę polipeptytu białkowego. Podobnie transkrtyp taki może wyznaczać także sekwencję  RNA rybosomowego lub RNA transportującego.  
    RNA jest syntetyzowany na tzw. nici matrycowej nici DNA i ma taką samą sekwencję zasad jak nić nie matrycowa, zwana także, jak już wspomniano nicią sensowną lub kodującą. Synteza RNA polega na polimeryzacji trifosforanów rybonukleozydów, zachodzącej w kierunku 5' - > 3', czyli w kierunku odwrotnym niż ułożenie matrycy, biegnącej w kierunku 3' - > 5'.

                                              
    Wyróżnia się trzy etapy tego procesu , a mianowicie tzw. inicjację, elongację i terminację. W komórkach E. coli istnieje jedna polimeraza RNA złożona z pięciu podjednostek tanowiących razem tzw. holoenzym
    Transkrypcja rozpoczyna się w bakteriach od tzw. promotora genu, o czym będzie mowa niżej. Polimeraza RNA u Escherichia Coli rozpoznaje wpierw elementy sekwencji nukleotydów określane jako kasety -10 i -35, a podjednostka jej podjednostka a wiąże się z kasetą -35. Początkowo holoenzym tworzy z promotorem zamknięty kompleks. Następnie dwuniciowa helisa ulega w miejscu -10 dysocjacji, tworząc otwarty kompleks promotorowy. Podjednostka a ulega oddysocjowaniu i rozpoczyna się synteza RNA.
    Podczas elongacji polimeraza RNA dołącza rybonukleotydy do końca 3' cząsteczki RNA w kolejności określanej przez sekwencję nukleotydów matrycy DNA. Holoenzym polimerazy przesuwa się wzdłuż DNA, zrywając wiązania wodorowe między zasadami. Zozplata on w ten sposób dwuniciowa helisę. Rozpleceniu ulega tylko krótki odcinek DNA (12-17 par zasad). Krótki 3' końcowy odcinek powstającego RNA jest sparowany z matrycą, ale w miarę wydłużania RNA, jego rejon 5' końcowy oddziela się od matrycy, co umożliwia odtworzenie się dwuniciowej helisy DNA. 

                                                               

                                                              

                                                              


    Wystąpienie etapu terminacji mogą wyznaczać tzw. sekwencje palindromowe, które tworzą struktury typu spinki RNA. Polimeraza RNA kończy aktywność za strukturą spinki. Za spinką słabe pary A-U ulegają zerwaniu, co uwalnia transkrypt od matrycy. Pary zasad między matrycą a transkryptem są zrywane przez białko Rho. Powoduje to uwalnianie transkryptu. Podczas terminacji uwolniona od matrycy zostaje też polimeraza RNA, która ponownie może asocjować z podjednostka a.

                                                              
    Inicjacja transkrypcji u eukariotów jest bardziej złożona, a terminacja nie polega na tworzeniu się struktury spinki. U Eukariotów istnieją trzy różne polimerazy RNA I, II i III Transkrybują one różne klasy genów. P.C.  
   Winter w swoim podręczniku " Genatyka " pisze na ten temat co następuje.:  
[ " .. Polimeraza RNA II transkrybuje geny kodujące białka. Sekwencje promotorowe tych genów zwykle zawierają kasetę TATA, ulokowaną około 25 par zasad przed miejscem startu transkrypcji. Czynniki transkrypcyjne wiążą się z DNA w pobliżu kasety TATA i tworzą platformę, z którą łączy się enzym polimeraza RNA II. Geny nie zawierające kasety TATA mogą mieć element inicjujący, jednak niektóre geny nie zawierają ani kasety TATA, ani elementu inicjującego.
Inne elementy sekwencji promotorowych, takie jak kaseta CAT, działają jako miejsca wiązania innych czynników transkrypcyjnych, wpływających na szybkość inicjacji transkrypcji. Wpływ na szybkość transkrypcji mają też elementy sekwencji DNA odległe od genu, nazywane sekwencjami wzmacniającymi lub wyciszającymi (ang. enhancers i silencers). Sygnały warunkujące terminację nie są jednak jeszcze dobrze poznane.
    Polimeraza RNA I transkrybuje geny 18S, 28S i 5,8S rybosomowych RNA { rRNA }. Promotor zawiera dwa elementy istotne dla transkrypcji: element rdzeniowy, nachodzący na miejsce startu transkrypcji, oraz sekwencję kontrolną zlokalizowaną przed sekwencją kodującą w rejonie około -100. W odległości około 600 pz za końcem genu znajduje się sygnał terminacji o długości 18 pz. 
    Polimeraza RNA III transkrybuje krótkie geny kodujące, transportujący (transferowy) RNA {tRNA) i 5S rRNA. Promotory tych genów znajdują się w obrębie sekwencji kodujących i są określane jako wewnętrzne regiony kontrolne (fCR — ang. internal control regions). Geny tRNA maja dwa ważne elementy sekwencji, nazywane blokami A i B. Transkrypcja genów 5S rRNA wymaga sekwencji zwanej kasetą C. Ważna jest też sekwencja określana jako kaseta A. Transkrypcja kończy się w odpowiedzi na sygna! w postaci ciągu reszt A...."] 


5. Transportujący - transferowy RNA 

    Transportujące RNA (tRNA) są małymi cząsteczkami, które dostarczają aminokwasy do rybosomów, czyli miejsc syntezy białka. W obrębie rybosomów zachodzi układanie aminokwasów w kolejności wyznaczanej przez sekwencję nukleotydów w tzw. informacyjnym RNA (mRNA). 
Komórki zawierają różne tRNA. Każdy z nich wiąże określony aminokwas. Każdy tRNA wiąże się także z odpowiednim kodonem w mRNA. U możliwia to ulokowanie aminokwasu we właściwej pozycji rosnącego polipeptydu.
   Cząsteczki tRNA dzięki wiązaniom poprzez komplementarne pary zasad przyjmują drugorzędową strukturę liścia koniczyny. Poszczególne odcinki tej struktury są określane jako tzw. ramiona. W ramionach wyróżniamy sparowane odcinki zwane nasadami i pętle które są odcinkami jednoniciowymi. 
    Cząsteczki tRNA mają tzw. ramię akceptorowe, z którym wiąże się aminokwas i tzw. ramię antykodonowe, rozpoznające kodony w sekwencji mRNA. 
Prócz tego w strukturze tRNA wyróżnia się tzw. ramię dihydrourydylowe, ramię dodatkowe oraz ramię rybotymidynowe (TipC ), zawierające pseudouracyl i rybotymidynę. W przestrzennej strukturze tRNA zostają zachowane pary zasad widoczne w dwuwymiarowej strukturze liścia koniczyny. R amię akceptorowe i antykodonowe znajdują się na przeciwnych końcach cząsteczki.

                                                                   
    Geny tRNA występują w postaci wielokrotnych kopii. Każdy gen koduje inny rodzaj tRNA. W komórkach eukariotycznych geny tRNA transkrybuje polimeraza RNA III, tworząc transkrypty w postaci pre-tRNA, które przy udziale rybonukleaz ulegają dojrzewaniu do funkcjonalnych cząsteczek tRNA. 

                                                                        
Po transkrypcji część nukleotydów w cząsteczkach tRNA ulega modyfikacjom. Polegają one na metylacji, przekształceniu niektórych zasad, wysyceniu podwójnych wiązań, przyłączeniu siarki lub przyłączeniu innych większych grup. Funkcje większości tych modyfikacji nie są dokładnie znane.

6. Rybosomowy RNA 

    Rybosomy są strukturami złożonymi z RNA rybosomowego (rRNA) i pewnych białek. Występują w dużych ilościach w cytoplazmie. Są to organella komórkowe, które dokonują translacji informacji zawartych w mRNA tworząc według nich odpowiednie białka. Rybosomy składają się z dużej i małej podjednostki. Części te mają charakterystyczną wielkość, określaną przez tzw. stałą sedymentacji (S). 
Prokariotyczne rybosomy o stałej sedymentacji 70S mają podjednostki 50S i 30S. Rybosomy eukariotyczne sedymentują z szybkością 80S i mają podjednostki 60S i 40S. 

                                                                               
. P.C. Winter w swoim podręczniku " Genatyka " pisze na ten temat co następuje.:  
[ "... Trzy rodzaje rybosomowych RNA są u E. coli transkrybowane z jednego wspólnego genu (operonu rRNA). Genom E. coli zawiera siedem takich operonów. Każdy operon koduje jeden długi transkrypt (pre-rRNA), który ulega obróbce prowadzącej do dojrzałych cząsteczek rRNA. Obróbka ta, określana też jako dojrzewanie, polega na odpowiednim sfałdowaniu się RNA, przyłączeniu białek rybosomowych, metylacji niektórych zasad i rozcięciu łańcucha pre-RNA przez rybonukleazy. Eukariotyczne rRNA są transkrybowane ze wspólnego genu, którego wielokrotne kopie są zorganizowane w szereg zespołów genów rRNA. Geny te ulegają transkrypcji z udziałem polimerazy RNA I. W wyniku transkrypcji genu rRNA tworzy się jeden pre-rRNA, ulegający obróbce prowadzącej do dojrzałych cząsteczek 28S, 18S i 5,8S rRNA. Obróbka polega na odpowiednim sfałdowaniu rRNA, przyłączeniu białek rybosomowych, metylacji reszt rybozy przy udziale małych jąderkowych rybonukleoprotein (snRNP — ang. smali nuclear ribonucleoproteins) oraz usunięciu przez rybonukleazy sekwencji przerywnikowych, oddzielających poszczególne rRNA. Cząsteczki 5S rRNA powstają w wyniku transkrypcji
oddzielnych genów, dokonywanej przez polimerazę RNA III..."] 

7. Informacyjny RNA 


    Początkujący adepci wiedzy z zakresu genetyki powinni uświadamiać sobie i pamiętać, że informacja zawarta w łańcuchach DNA, jest wykorzystywana na kilka różnych celi. Jednym z nich jest syntetyzowanie białek. Dla kontrastu zwróćmy uwagę, że informacja ta może być np. pobrana po to aby ją powielić przed somatycznym podziałem pewnej komórki lub aby ją umiejscowić w gamecie, która przekaże ją do wnętrza osobnika potomnego.
    Jeśli skoncentrować się w niniejszym wywodzie teraz na poznanych mechanizmach syntezy białek to konieczne jest omówienie struktury tzw. przekaźnikowego, informacyjnego RNA ( mRNA ) . Informacyjny RNA (mRNA) powstaje w jądrze komórkowym poprzez transkrypcję niektórych genów. Są to zazwyczaj geny kodujące informacje o strukturze białek. Owa transkrypcja jest realizowana przez polimerazę RNA II.
   W przebiegu tego procesu, początkowo jest tworzony transkrypt, zawny pre-mRNA,. Zawiera on między innymi także tzw. niekodujące sekwencje intronowe. Ulegają one później usunięciu. Owe' wycinanie ' i odrzucanie niektórych odcinków pre-mRNA jest nazywane splicing ' iem. 

                                                                                              

Rysunek pobrano z witryny.:  http://www.tau.ac.il/medicine/new/genetics_molecular/ast_res.html 

    Jest to ważne pojęcie genetyki. Proces splicingu polega na usuwaniu intronów z pre-mRNA. Na końcach intronów występują sekwencje GT (koniec 5') i AG (koniec 3'). Są to tzw. sygnały splicingowe. Aby zaistniał ów splicing potrzebne jest jeszcze jedno miejsce " sygnałowe". Nazywane jest ono sekwencją sygnałową miejsca rozgałęzienia. Sekwencja ta znajduje się wewnątrz intronu. Splicing zachodzi w ten sposó, iż następuje uwolnienie końca 5' intronu i połączenie go z miejscem rozgałęzieni. Tworzy się wtedy truktura typu lasso . Następnie następuje rozszczepienie transkryptu na końcu 3' intronu oraz zbliżenie i kowalencyjne połączenie eksonów.

                                                                                         
  
    Splicing katalizują małe jądrowe rybonukleoproteiny (snRNP). Jedna z nich oznaczana symbolem Ul wiąże się z miejscem splicingowym 5'. Natomiast U2 wiąże z miejscem rozgałęzienia. Z Ul i U2 snRNP wiążą się następnie U5 i U4/U6. Tworzy się w ten sposób kompleks zwany spliceosomem. Kompleks ten ustawia mRNA w orientacji umożliwiającej splicing oraz wyznacza aktywności enzymatyczną potrzebną do wycięcia intronów i połączenia eksonów.
W ostatniej fazie tworzenia mRNA koniec 5' mRNA ulega modyfikacji polegającej na przyłączeniu 7-metyloguanozyny, tzw. czapeczki. Owa 7-metyloguanozyn, czyli zmodyfikowany nukleozyd jest dołączany poprzez nietypowe wiązanie 5'-5' trifosforanowe. Struktura ta chroni mRNA przed degradacją przez 5'-egzonukeazy.
    Natomiast koniec 3' podlega poli-adenylacji czyli przyłączenia „ogona poli-A". Polimeraza poli A dołącza ciąg około 250 reszt adenylowych. Poliadenylacja chroni koniec 3' mRNA przed degradacją przez egzonukleazy.
    W porównaniu z rRNA i tRNA omawiany tu mRNA jest stosunkowo niestabilny. Umożliwia to reulację poziomu białek przez zmiany szybkości transktypcji genów.  Zmiany w sposobie splictngu umożliwiają tworzenie się z jednego pre-mRNA różnych sekwencji mRNA. Umożliwia to syntezę różnych wariantów białek. Odmienność w splicingu może polegać na odrzuceniu jednego lub kilku eksonów. Różne warianty mRNA mogą się tworzyć także w wyniku wykorzystania alternatywnych sygnałów poliadenylacji. Sekwencje mRNA mogą być też zmienione poprzez redagowanie {ang. editing } RNA, polegające na insercji, delecji lub substytucji pojedynczych zasad. Rozpatrując omawiany tu proces ogólnie, można powiedzieć że RNA syntetyzowany z udziałem polimerazy RNA II występuje w jądrze w postaci heterogennej populacji cząsteczek. Cząstki te są określane jako tzw. heterogenny jądrowy RNA (hnRNA


8. Translacja

    Translacja jest procesem prowadzącym do wytworzenia polipeptydów białkowych. W czasie translacji informacja dostępna w cząsteczce mRNA zostaje wykorzystana do określenia kolejności aminokwasów w białku. Aminokwasy są dostarczane do rybosomów przez cząsteczki tRNA. W komórkach znajduje się zazwyczaj od 31 do 40 rodzajów tRNA. Każda z tych cząstek tRNA jest odpowiedzialna rozpoznanie odpowiedniego aminokwasu i dostarczenie go do rybosomu. Każdy aminokwas może być wiązany z przynajmniej jednym rodzajem tRNA. Aminokwas zostaje połączony kowalencyjnie z końcem ramienia akceptorowego tRNA, gdzie zawsze, występuje sekwencja polinukleotydowa 5'CCA3'- Wiązanie zostaje utworzone między grupą karboksylową aminokwasu i 3'- hydroksylem ostatniej adenozyny ramienia akceptorowego. 
   Kilka rodzajów tRNA może wiązać ten sam aminokwas. Są to tzw. izoakceptory. Przed rozpoczęciem translacji aminokwasy zostają połączone kowalencyjnie ze specyficznymi tRNA. Te ostatnie z kolei rozpoznają kodony mRNA oznaczające określone aminokwasy. Przyłączenie aminokwasu do tRNA nazywa się aminoacylacją lub ładowaniem.  Porządek włączanych do peptydu aminokwasów zależy od sekwencji nukleotydowej informacyjnego RNA (mRNA). 
Aminokwasy są wiązane kowalencyjnie w reakcji zwanej reakcja "aminoacylacji. Wiązanie następuje - do końca ramienia akceptorowego cząsteczki tRNA . Reakcję tą katalizuje enzym nazywany syntetazą aminoacylo-tRNA. Parowanie się zasad {zgodnie z regularni komplementamości) kodonu mRNA i antykodonu tRNA zapewnia prawidłową kolejność włączanych aminokwasów w trakcie biosyntezy białka. 
   Jak wiadomo tzw. kod genetyczny jest " zdegenerowany " tzn. większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden kodon. Każdy tRNA rozpoznaje więcej niż jeden kodon określający dany aminokwas. Pierwsza zasada antykodonu, licząc od końca 5' cząsteczki tRNA, może oddziaływać z różnymi zasadami znajdującymi się w trzeciej pozycji kodonu. Zjawisko to jest nazywane " regułą tolerancji". 
     W procesie translacji można wyróżnić trzy etapy: inicjację, elongację i terminację. 

                                                                          

    Każdy z etapów wymaga obecności dodatkowych białek. Energię do tego procesu dostarcza hydroliza trifosoforanu adenozyny (ATP) i trifosforanu guanozyny (GTP). Translacja rozpoczyna się od wiązana małej podjednostki rybosomowej z mRNA w obrębie sekwencji Shine-Dalgamo. U Eukaryota podjednostka rybosomowa przesuwa się wzdłuż mRNA w kierunku 3' („w dół" mRNA) do kodonu inicjującego AUG, następnie przyłącza się metioninowy tRNA inicjatorowy ( tRNA i MMet ). Zostaje utworzony kompleks inicjujący. W procesie inicjacji jest zaangażowanych przynajmniej dziewięć czynników inicjujących. Kilka tych czynników jest odpowiedzialnych za rozplatanie drugorzędowej struktury mRNA. Po zakończeniu etapu inicjacji do kompleksu przyłącza się duża podjednostka rybosomowa. Zostają utworzone miejsca A i P. Miejsce P jest zajęte przez Met-tRNA.  Aminoacyiowany tRNA zajmuje miejsce A, a peptydylotransferaza syntetyzuje wiązanie peptydowe między dwoma aminokwasami. Po utworzeniu wiązania peptydowego rybosom ulega translokacji do następnego kodonu, dipeptyd związany z tRNA przesuwa się do miejsca P wypierając inicjatorowy tRNA. Nowy aminoacylo-tRNA zajmuje miejsce A i cykl elongacji zostaje powtórzony. 

                                                                        
 Koniec translacji następuje w momencie, gdy kodon terminacyjny znajdzie się w miejscu A. Czynniki terminujące wiążą się z miejscem A i powodują uwolnienie peptydu. Po terminacji rybosom dysocjuje na podjednostki, a mRNA zostaje uwolniony.

                                                                         

                                                                            
Po translacji polipeptydy mogą ulegać modyfikacji przez dodanie grup chemicznych do łańcuchów bocznych aminokwasów oraz proteolityczne odcięcie końców N i C peptydu. Może to być istotne dla nadanie peptydom pełnej aktywności. 

9. Replikacja DNA 

   Jak wspomnieliśmy, jest kilka celi wykorzystywania informacji zapisanej na łańcuchach polipeptydowych DNA. Istnieje między innymi potrzeba aby całość tej informacji powielić, po to aby jej kopię przekazać do komórki potomnej. Proces taki jest nazywany replikacją DNA. Podział komórki eukariotycznej jest jednym z etapów tzw. cyklu komórkowego. 
    Proces replikacji rozpoczyna się od rozsupłaniu dwóch nici w czym uczestniczą enzymy zwane DNA helikazami. Komórka kopiuje swój DNA przed podziałem komórkowym. DNA ulega powieleniu zawsze w kierunku 5'->3'. Proces ten realizują enzymy zwane polimerazami DNA. Enzymy te wykorzystują jednoniciowy DNA jako matrycę. Polimerazy DNA I i III mają dodatkowo aktywność umożliwiającą korektę zsyntetyzowanej nici DNA. Właściwość ta jest ważna aby  ilość błędów powstających w trakcie replikacji nie była znaczna. Synteza DNA zachodzi w tzw. widełkach replikacyjnych. Najpierw tzw. helikaza rozplata dwuniciową helisę. Z jedną z tych nici wiążą się specjalne białka po to aby utrzymać na pewnym odcinku stan rozplecenia. Ilustruje to rysunek ( pobrany z witryny  Rysunek pobrano z witryny http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/genetics980209.html    ) 

                                                                              
     DNA jest syntetyzowany na tzw. nici wiodącej w sposób ciągły, a na nici opóźnionej w sposób nieciągły, w postaci tzw. fragmentów Okazaki. U E. coli syntezę DNA prowadzi polimeraza DNA III. Syntezę tę inicjuje krótki starter RNA syntetyzowany przez tzw. prymazę. Fragment stanowiący starter jest później zastępowany przez DNA, a proces ten katalizuje polimeraza DNA I. U Eukaryota polimeraza DNA inicjuje syntezę DNA dzięki posiadanej przez nią aktywności prymazy. Nić wiodąca i opóźniona są syntetyzowane odpowiednio przez polimerazy DNA alfa i delta. Następnie ligaza DNA łączy ze sobą fragmenty Okazaki wiązaniami fosfodiestrowymi.

                                                                         
   Koliste cząsteczki DNA bakterii są replikowane z jednego miejsca inicjacji replikacji. Replikacja kolistego DNA daje w rezultacie dwie splecione ze sobą, siostrzane nici. Ich rozdzielenia dokonuje topoizomeraza II. Natomiast na liniowych niciach DNA chromosomów organizmów eukariotycznych 
widełki replikacyjne posuwają się w dwóch przeciwnych kierunkach. W końcu spotykają się i one i łączą. Rozplatanie dwuniciowej helisy wprowadza dodatkowe superskręty w kolistej cząsteczce DNA, które usuwane są przez topoizomerazę I. Replikacja DNA wymaga rozpakowania nukleosomów. 
Replikacja DNA chromosomowego rozpoczyna się w wielu miejscach inicjacji replikacji. Tworzą się "bąble" replikacyjne. Miejsca replikacyjne ostatecznie spotykają się i łączą ze sobą. Rejony DNA aktywne transkrypcyjnie ulegają replikacji jako pierwsze. Telomeraza dodaje sekwencje niekodujące umożliwiając replikację końców chromosomów.

10. Regulacja ekspresji genów bakteryjnych 

    Większość genów genomu bakteryjnego jest nieaktywna. Ekspresji podlegają jedynie te geny, które są niejako potrzebne w danej chwili ze względu na sytuację w środowisku otaczającym bakterię. Pozwala to komórce prokariotycznej reagować na zmiany otoczenia.
    Zmiana w ilości wytwarzanego produktu genu może być uzyskiwana poprzez zmianę tempa transkrypcji, zmianę okresu półtrwania mRNA i zmianę wydajności translacji. Najlepiej poznany jest mechanizm regulujący tempo transkrypcji.
   Wiele genów bakteryjnych jest zorganizowanych we jednostki zwane operonami. Geny pewnego operonu są regulowane przez wspólny mechanizm. Operony najczęściej kodują białka powiązane funkcjonalnie. Np. tzw. " operony indukowane" , np. operon laktozowy, kodują enzymy związane ze konkretnym szlakiem metabolicznym, a ich induktorem jest substrat tego szlaku. Tzw." operony ulegające hamowaniu ", takie jak na przykład operon tryptofanowy, kodują enzymy związane z torami anabolicznymi , syntetyzującymi. Ekspresja genów tych operonów jest regulowana przez końcowy produkt toru biosyntetycznego lub przez atenuację.
   W podręcznikach genetyki regulacja ekspresji genów bakteryjnych jest często omawiana na przykładzie tzw. "operonu lactozowy (lac) E. coli ". Operon ten realizuje syntezę enzymu zwanego beta- galaktozydazą, który umożliwia bakterii rozłożenie lactozy do cząstek galaktozy i glukozy. Schemat operonu Lac przedstawia poniższy rysunek.:
                                                               
   Składa się on z trzech genów (lac Z, Y, A) kodujących enzymy niezbędne do przyswojenia laktozy. Prócz tego operon ten ma wspólną część regulującą zwaną promotorem. 
    Aby geny tego operonu mogły być transkrybowane polimeraza RNA musi się związać z w szczególnym miejscu łańcucha DNA zwanym promoterem. Czasami miejsce to jest niedostępne dla polimerazy RNA, gdyż jest zablokowane przez białko zwane represorem. Dopiero działanie innego białka zwanego aktywatorem ( transcription activator protein ) powoduje odsłonięcie tego miejsca. Owym aktywatorem w tym wypadku jest drobina białkowa CAP ( catabolite activator protein ) a właściwie kompleks CAP/cAMP W sąsiedztwie promotora znajduje się sekwencja nukleotydów zwana operatorem. To właśnie z owym operatorem wiąże się czasami wspomniany represor. Co więcej dla represora istnieje osobne miejsce promotorowe. Jest one oznaczone symbolem PI. 
    Bakteria wykorzystuje jako żródło energii i materiał zawierający atomy węgla albo glukozę albo laktozę. Wtedy gdy poziom glokozy jest wysoki białko represorowe (I) jest związane z regionem operatora. Ponieważ w warunkach dużej dostępności glukozy poziom cAMP jest niski cząsteczka białkowa CAP nie wiąże się z represorem. Są to okoliczności kiedy transkrypcja genów operatora Lac jest zablokowana. 
Jeśli natomiast poziom glukozy spadnie poziom cAMP się zwiększa. Może powstawać wtedy kompleks CAP/cAMP, co umożliwia związanie się polimerazy RNA z miejscem promotorowym. Aby rozpoczęła się transkrypcja genów operatora Lac potrzebna jest jednak obecność laktozy. Laktoza tworzy kompleks z białkiem represorowym ( I ) Miejsce operatora zostaje wtedy odsłonięte i wtedy polimeraza RNA może rozpocząć transkrypcję. Ilustruje to poniższy schemat.:

                                                              

                                                             

                                              
    Podsumowując aby zachodziła transkrypcja genów operatora Lac konieczne jest aby poziom glukozy był niski i aby była dostępna laktoza. Jeśli poziom glukozy jest wysoki n ie powstaje komplekst CAP/cAMP. i transkrypcja jest nadal zablokowana.  

   Nieco inne mechanizmy regulacji ekspresji genów bakteryjnych można przedstawić omawiając działanie tzw. operonu tryptofanowego ( operonu trp ) . Operon ten zawiera pięć genów kontrolowanych przez jeden promotor. Geny te kodują enzymy niezbędne do biosyntezy tryptofanu. Represor trp wiąże się z operatorem trp w obecności tryptofanu i blokuje transkrypcję operonu. Pod nieobecność tryptofanu, trp represor nie może wiązać się z operatorem, co umożliwia z kolei transkrypcję operonu.

    Jeszcze innym mechanizmem regulacji ekspresji genów bakteryjnych jest tzw. atenuacja. P. C. Winter w podręczniku pt.: " Genetyka - krótkie wykłady " pisze na ten temat następująco.: [ " ... Mechanizm ten umożliwia szczególny tryb regulacji ekspresji operonu trp, oraz innych operonów. Sekwencje DNA znajdujące się między promotorem trp i pierwszym genem operonu trp są zdolne do tworzenia alternatywnych struktur: struktury spinki do włosów nie wpływającej na transkrypcję lub mniejszej od niej tzw. pętli terminującej, kończącej transkrypcję. Krótki rejon kodujący „powyżej" zawiera kodony tryptofanowe. Jeśli poziom tryptofanu w komórce jest dostatecznie wysoki, to w bliskiej odległości za transkrybującą polimerazą RNA „podąża" rybosom, co uniemożliwia utworzenie struktury spinki do włosów, ale powoduje powstanie struktury pętli terminującej transkrypcję. Jeśli tryptofanu brak w komórce, rybosom posuwa się wolniej (zatrzymuje się na kodonach trp), polimeraza RNA przemieszcza się dalej wzdłuż DNA i dochodzi to utworzenia struktury spinki do włosów. W tej sytuacji utworzenie pętli terminującej transkrypcję jest niemożliwe, w związku z tym polimeraza RNA kontynuuje transkrypcję operonu...." ] 
   Jeszcze inny mechanizm regulacji poprzez tzw. czynniki sigma wykorzystywany jest przy znacznych zmianach ekspresji genetycznej w komórce w odpowiedzi na zmiany w otoczeniu. Te tzw. alternatywne czynniki sigma zmieniają własności bakteryjnej polimerazy RNA powodując, że rozpoznaje ona promotory innych genów. Alternatywne czynniki sigma aktywują ekspresję genów u E.coli w warunkach szoku termicznego a u Bacillus subtilis w czasie sporulacji. Tzw. „własne" czynniki sigma kierują transkrypcją genów bakteriofagów.

 

11. Regulacja ekspresji genów organizmów wyższych

         Rysunki ilustrujące treść niniejszego podrozdziału pobrano  pobrano z witryn.:  http://fig.cox.miami.edu/Faculty/Dana/euktranscripcontrol.jpg  
http://www.prism.gatech.edu/~gh19/b1510/genreg.htm  

    Stopień złożoności procesów sterowania różnymi operacjami przetwarzania danych zachodzących w obrębie genomu zwierząt wyższych jest coraz bardziej złożony, jeśli rozważyć gatunki ewolucyjnie coraz bardziej rozwinięte. Złożoność tych procesów regulacyjnych nie jest w pełni poznana, gdyż zachodzi z udziałem informacji tkwiących w DNA międzygenowym, między innymi w tzw. intronach.
   Jednak we wszystkich organizmach eukariotycznych, nawet tych najprostszych już sama regulacja ekspresji genów jest znacznie bardziej złożona aniżeli u prokariotów. Jak wspomniano, regulacja taka może odbywać się na etapie transkrypcji, poprzez wpływ na mRNa i na poziomie translacji.
Regulacja na etapie transkrypcji jest znacznie bardziej skomplikowana, poprzez to,  iż bierze w niej udział wręcz kilkanaście różnych, specyficznych białek, zwanych czynnikami transkrypcyjnymi. Czynniki transkrypcyjne są syntetyzowane w cytoplaźmie, przedostają się następnie do jądra komórkowego i wiążą się z pewnymi miejscami łąńcucha DNA. Owe czynniki przedostające się z cytoplazmy są więc nazywane ' trans - acting factoras '  , a owe miejsca na które one wpływają nazywane są   ' cis- acting elements'. Czynniki te muszą związać się z rejonem promotera i polimerazą RNA.
   Powstający kompleks czynników transkrypcyjnych i polimerazy RNA wiążę się przede wszystkim z sekwencją TATAAT, zwaną kasetą TATA lub kasetą Pribnow.
Istnienie wielu tzw. czynników transkrypcyjnych umożliwia zachodzenie wielu mechanizmów regulujących proces transkrypcji. 
   Należy odróżnić tzw. podstawowe czynniki transkrypcyjne, do których należy przede wszystkim tzw.'  białko wiążące się z kasetą TATA ' od licznych innych czynników transkrypcyjnych,  z których każdy może regulować poziom transkrypcji dodatnio lub ujemnie. 
   Na transkrypcje wpływają także dość odległe albo nawet bardzo odległe od promotora miejsca zwane sekwencjami wzmacniającymi ( enhancer sites). Do miejsc tych przyłączają się ( lub nie ) duże białka, zwane aktywatorami, które na drugim swoim biegunie wiążą się z omówionym kompleksem czynników transkrypcyjnych. Ilustrują to poniższe   schematy.: 

                                                

                                                 

                                                  
   Należy zauważyć, że sekwencje wzmacniające mogą być z kolei blokowane przez białka zwane represorami. Tak skomplikowane mechanizmy regulacji transkrypcji są możliwe dzięki odpowiedniemu wygięciu nici DNA, która podlega transkrypcji. Jeśli pewna sekwencja wzmacniająca transkrypcję jest bardzo odległa to może następować wypętlenie tego odcinka po to aby miejsce to związać poprzez pewne białko stanowiące aktywator z kompleksem przyłączonym do kasety TATA.
   Należy także zauważyć że czynniki transkrypcyjne muszą mieć zdolność wiązania się z  łańcuchem DNA. Niektóre specyficzne sposoby wiązania się zachodzą bez rozpętlenia struktury dwuniciowej. Czynniki transkrypcyjne wiążące się z helisą DNA, posiadają specjalne części, moduły ( domeny ) a w obrębie nich struktury zwane  tzw. motywami,  które umożliwiają takie powiązanie.  Poznano trzy rodzaje takich domen ( motywów ).: helisa-zwrot-helisa, palce cynkowe i tzw. domeny z zamkiem leucynowym lub inaczej motywem helisa- pętla - helisa. 
   Motyw helisa - zwrot - helisa składa się z dwóch alfa helis połączonych zwrotem beta. Jedna z tych alfa helis wiąże się z DNA w obrębie dużego rowka dwuniciowej helisy DNA. Ekspresja wielu tzw. homeobloków, czyli genów istotnych w regulacji embriogenezy jest regulowana przez czynniki transkrypcyjne typu helisa-zwrot-helisa. 
   Motyw palca cynkowego jest pętlą składającą się z 12 aminokwasów,  sprzężoną stabilizująco, u podstawy,  przez cztero- wartościowe jony Cynku dołączone do dwóch reszt cysteinowych i dwóch reszt histydynowych. Motyw palca cynkowego jest powtórzony w domenie wiążącej DNA wiele razy Zazwyczaj jest konieczne przynajmniej trzykrotne powtórzenie tego motywu. 
   Motyw zamka leucynowego zawiera dwie helisy alfa dowiązane do części pętlowej białka. Sposoby  wiązania się poprzez wymienione motywy  ilustruje poniższy rysunek.

                                                          


   Uruchomienie albo przyspieszenie transkrypcji pewnych genów, jest końcowym ogniwem działania hormonów i cytokin. Istnieją hormony które są względnie prostymi cząsteczkami biochemicznymi. Przykładem mogą być np. estrogeny lub glukokortykoidy. Niektóre hormony są polipeptydami. Cząsteczkami białkowymi są także cytokiny.
    Hormony które są małymi cząsteczkami chemicznymi mogą przedostać się do cytoplazmy komórek docelowych i związać się z czynnikami transkrypcyjnymi. Np. glukokortykoidy wiążą się z czynnikiem transkrypcyjnym, zwanym receptorem hormonu steroidowego. Zetknięcie się hormonu z tym receptorem powoduje uwolnienie owego czynnika transkrypcyjnego z kompleksu z białkiem blokujący. Czynnik ten jest tranposportowany do jądra komórkowego, gdzie aktywuje transkrypcję genu docelowego. Hormony polipeptydowe wpływają na komórki docelowe w odmienny sposób. Wiążą się one z tzw. receptorami białkowymi istniejącymi na powierzchni komórek docelowych. Proces zwany transdukcją sygnału, polegający na aktywacji całej kaskady białek prowadzi w końcu do aktywacji czynników transkrypcyjnych i uruchomienia polimerazy RNA, dokonującej transkrypcji genów docelowych 

12 . Genomy bakteryjne 

   Poznawanie mechanizmów genetycznych rozpoczęto od badań na d bakteriami. Jak wiadomo do Prokariota zaliczamy bakterie i archebakterie. Genom bakteryjny to kolisty łańcuch DNA zwany chromosomem. Łańcuch ten jest jednak powyginany w tzw. pętle superhelikalne łączące się z jednym rdzeniem białkowym. Struktura ta jest nazywana nukleoidem. Jak wiadomo bakterie nie posiadają wyróznionego jądra komórkowego Chromosom bakteryjny w trakcie podziału komórkowego, po replikacji przyczepia się chwilowo do błony komórkowej. 
    Większość genów bakteryjnych, jak już wspomniano na wstępkie niniejszego kursu genetyki jest zorganizowanych w tzw. operony, których ekspresja zależy od tzw. promotora. Część genów to jednak elementy pojedyńcze. Geny to ok. 75 % całości genomu bakteryjnego Reszta to sekwencje sterujące, wyznaczające początek replikacji itp.
Mała część genów bakteryjnych istnieje w tzw. plazmidach. Są to małe koliste łańcuchy DNA położone w cytoplazmie bakterii w ilościach od kilku do kilkudziesięciu. Plazmidy warunkują niektóre szczególne cechy bakterii między innymi takie jak odporność na poszczególne antybiotyki, wirulencję. 
    Już także w genomach bakteryjnym dostrzeżono istnienie tzw. transpozonów. Są to takie sekwencje nukleotydów, które czasami, w trakcie podziału bakterii przemieszczają się w obrębie genomu bakteryjnego, wywołując rekombinacyjną odmienność. 
    Transpozony kodują przedewszystkim enzym transpozazę, która umożliwia ich przemieszczanie się. Pewnym typem transpozonu u Escherichia colii są tzw. ' sekwencje insercyjne ', które na swoich końcach zawierają odwrócone powtórzenia kilku nukleotydów. 
    Te końcowe sekwencje po przemieszczeniu się trannzpozonu zostają zduplikowane. Po opuszczeniu tego miejsca owe części zduplikowane pozostają. Tranzozony na wskutek przemieszczenia się dokonują mutacji. Już samo opuszczenie przez trannspozon pewnej lokalizacji powoduje mutację. 

13. Genom człowieka 

    Genom człowieka jest wyznaczony przez ok. 3 miliardy par nukleotydów. Jak już wspominaliśmy jest on zorganizowany w postaci 23 par chromosomów. Około 25 % całości łańcuchów DNA to informacja stanowiąca klasycznie pojmowane geny, które kodują pewne białka. Genów takich jest ok. 30 tysięcy. 
Transkrypcję genów regulują sekwencje promotorowe występujące przed 5' końcem rejonu kodującego genów. Sekwencje genów znajdujące się na ich końcach 5' i 3' ulegają transkrypcji, ale nie translacji. 
    Wśród ' klasycznie pojmowanych' genów, kodujących białko należy wyróżnić tzw. rodziny genów składające się z wielokrotnych kopii takich samych genów albo genów bardzo podobnych. Geny pewnej rodzuny genów mogą znajdować się w jednym miejscu (locus) bądż mogą mieć lokalizację rozproszoną
Pseudogeny to odcinki DNA, które- jak się wydaje - są zmienionymi nieco sekwencjami nukleotydów mRNA, inkorporowanym niejako z powrotem do DNA przez tzw. odwrotną transkryptazę. Sekwencje te, nie podlegają ekspresji. Sądzi się, że błędy zaistniałe w tych sekwencjach powstały w wyniku delecji lub rekombinacji sekwencji orginalnego genu.     

                                                          
    Wyróżnia się ponadto tzw. pozagenowy DNA, który jest złożony z sekwencji, które nie są genami ani pseudogenami. Pozagenowy stanowią one 75% genomu. 
Większość sekwencji pozagenowych ( 70-80% ) jest unikatowa lub występuje w niewielkiej liczbie kopii. Pozostała część ( 20-30% ) składa się z często powtarzanych sekwencji, występujących jako szeregi tandemowe lub fragmenty rozproszonych po całym genomie. Znaczenie istnienia pozagenowego DNA nie jest poznane.
     Wspomniane ' rozproszone sekwencje powtórzone ' są albo tzw. elementami SINE  ( short interspersend nucler elements ) albo elementami LINE ( long interspersend nucler elements ) Elementy SINE to sekwencje o długości rzędu 250 nukleotydów. Występujące w ilości ok. 700 000 rozproszonych kopii. Sądzi się, że pochodzą one z przetworzonych pseudogenów, które nabyły zdolność przemieszczania się w genomie. Elementy LINE są dłuższe, liczą ok. 6500 par zasad i występuje w liczbie około 60000 kopii. Elementy LINE są retroelemnetami. 
     Ludzki genom zawiera liczne regiony zawierające długie szeregi tandemowo powtórzonych sekwencji. Są to tzw. zespoły sekwencji powtórzonych. Ze względu na długość zespołu powtarzalnej sekwencji, określa się je jako: satelitarny DNA, mini satelitarny DNA i mikro satelitarny DNA. Mikrosatelitamy DNA charakteryzuje się krótkimi powtarzalnymi sekwencjami. Powtórzenia sekwencji CA i pojedynczych nukleotydów stanowią 0,8% całego genomu.
     Symbolem VNTR oznacza się tzw. ' polimorfizm ilości tandemowych powtórzeń '. Są to powtórzone sekwencje, które różnią się wielokrotnością powtórzeń zawartych w nich charakterystycznych sekwencji. W danej lokalizacji VNTR, między osobnikami i między parami chromosomów danej osoby, występuje znaczna zmienność. Można się posłużyć tzw. łańcuchowa reakcja polimeryzacji (PCR) aby wykryć takie zmienności. Może to być użyte w badaniach sądowych w celu identyfikacji osób w sprawach kryminalnych oraz w genetyce medycznej w celu identyfikacji nosicieli chorób genetycznych.

Część I niniejszego " Krótkiego kursu genetyki " jest dostępna tutaj 

Niniejszy " Krótki kurs genetyki " będzie rozbudowywany  ... 

 

                                                               


Z treść merytoryczną niniejszej witryny odpowiadają :

prof. dr. hab. n. med. Andrzej Brodziak  i  prof. dr hab. n. med. Małgorzata Muc- Wierzgoń

Lista publikacji naukowych głównego autora  witryny  patrz tutaj http://salve13.webpark.pl/listapublikacji.htm    

Inne nasze witryny składające się na ' rozproszony website ' dotyczący zdalnego wspomagania nauczania:    

Powrót do planszy początkowej ' rozproszonego website ' dotyczącego zdalnego wspomagania nauczania - tutaj

Psychologia, promocja zdrowia 

Filozofia przyrody - przegląd teorii starających się wyjaśnić " kosmologiczny sens istnienie ludzi " 

Wprowadzenie do nauk społecznych

Geofizyka, heliofizyka - wpływ na organizm człowieka

Strony sformułowane w języku angielskim

Fizjologia, neurofizjologia, działanie mózgu

Materiały ' narzędziowe ' pomocne dla realizowania zadań praktycznej medycyny klinicznej 

Metodologia badań naukowych. Teoria systemów. Technozofia ( autor witryny prof. Czesław CEMPEL

Witryna  dotycząca genetyki jest umieszczona także  na serwerze Śląskiej  Akademii Medycznej 

Użyteczne witryny narzędziowe.: 
Sprawny słownik angielsko- polski i polsko angielski  http://www.dict.pl/plen  
Free Medical Books   http://www.freebooks4doctors.com/fb/english1.htm 
E-medicine - Instant access http://www.emedicine.com/med/topiclist.htm 
Inne książki fachowe, dostępne on-line http://biblioteka.slam.katowice.pl/e-book.htm 
Baza danych o publikacjach medycznych http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi 
Medline Plus Trusted Health Information  http://medlineplus.gov/ 
Scientific American http://www.sciam.com/