Ekspresija gena je proces kojim se informacija iz gena prepisuje i prevodi u funkcionalni genski produkt. Ovi proizvodi su obično proteini, ali i ne-proteinski kodirajući geni, kao što su tRNK ili snRNK (mala nuklearna RNK), proizvodi su funkcionalne RNK. Proces ekspresije gena je svojstven svim poznatim oblicima života - eukariota (uključujući i višećelijske organizme), prokariota (bakterija i archaea), a koje koriste virus - za generiranje makromolskih sistema za održavanje životnih struktura i funkcija.Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .Sofradžija A., Šoljan D., Hadžiselimović R. (2004): Biologija 1, Svjetlost, Sarajevo, .
Nekoliko koraka u procesu genske ekspresije mogu biti modulirani, uključujući i transkripciju, preradu RNK, translaciju i post-modifikaciju proteina.
Regulacija ekspresije gena daje ćeliji mogućnost kontrole nad strukturom i funkcijom, a to je osnova za ćelijsku diferencijaciju, morfogenezu i svestranu prilagodljivost bilo kog organizma.
Genska regulacije može biti i osnov evolucijskih promjene, jer kontrola nad vremenom , mjestom i količinom ekspresije gena može imati dubok utjecaj na funkcije gena u ćeliji ili u višećelijskim organizmima.
U genetici, ekspresija gena je najfundamentalnijia razina na kojoj genotip utiče na formiranje fenotipa. Genetički kod iz molekula DNK interpretira se putem genske ekspresije, čije osobenosti, u interakciji sa epigenetičkom i spoljnom sredinom, formiraju individualni fenotip. Takvi fenotipovi su obično izraz sinteze proteina koji kontroliraju građu i funkciju organizma, odnosno djeluju kao njihovi regulatori – enzimi, koji kataliziraju specifične metaboličke puteve karakterizacije organizma.Ibrulj S., Haverić S., Haverić A. (2008): Citogenetičke metode – Primjena u medicini . Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,.Berberović LJ., Hadžiselimović R. (1986): Rječnik genetike. Svjetlost, Sarajevo, .Hadžiselimović R. (2005): Bioantropologija – Biodiverzitet recentnog čovjeka. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, . Mehanizmi Transkripcija Prerada RNK, procesuiranje (splicing)
Prerada RNK , eng. splicing = srastanje (egzona), je najznačajnija post-translacijska modifikacija primarnog transkripta i zrenja iRNK.
Dok transkripcija kodirajućih gena za sintezu prokariotskih proteina ide preko iRNK, transkripcija eukariotskih gena daje primarni transkript RNK (pre-iRNK), koji se mora proći procesuiranje u nizu modifikacija da postane zrela iRNK.
To uključuje 5' „kaptažu“, koja je uređena enzimskim reakcijama koje dodaju 7-metilguanozine (m7G) na 5' kraj pre-iRNK i na taj način štite RNK od degradacije putem egzonukleaza. Tako je 7G kaptažni faktor tada vezan u heterodimer (CBC20/CBC80), koji pomaže iRNK ulaz u citoplazmu i štite RNK od dekaptaže
Druga modifikacija je 3 otkrivanje i poliadenilacija. Ako je poliadenilacijski signal (5'AAUAAA-3') prisutan u pre-iRNK signal, obično se javljaju između sekvenci proteina i terminatora. Pre-iRNK se prvo rascijepi, a zatim se niz od približno 200 adenina (A) dodaje da formiraju poli (A) rep, koji RNK štiti od degradacije. Poli (A) rep je vezan više za proteine (PABP) neophodne za eksport iRNK i ponovno pokretanje translacije.
Većina eukariotskih pre-iRNK sastoji od naizmjeničnih segmenata zvanih egzoni i introni. U procesu prerade, RNK-protein katalizirajući kompleks poznat kao splajsosom, koji katalizira dvije trans-esterifikacijske reakcije, koje uklanjaju intron i oslobađaju ga u obliku omčaste (laso) strukture, a zatim uvezuju susjedne egzone. U određenim slučajevima, neki introni ili egzoni mogu biti uklonjeni ili zadržani u zrelim iRNK. Ova takozvana alternativna prerada (splicing) stvara niz različitih transkripata porijeklom iz jednog gena, jer te transkripte potencijalno može prevesti u različite proteine, čime prerada proširuje složenost ekspresije eukariotskih gena.
Translacija Regulacija ekspresije gena Hromosom E. coli se sastoji od kružne molekule DNK (4,7 x 106 bp) koja kodira nekoliko hiljada različitih proteina, od kojih se samo neki sintetiziraju u određenom momentu. Neki proteini bakterijske ćelije su konstitutivni, tj. sintetiziraju se kontinuirano, nezavisno od trenutnih uslova, dok su drugi inducibilni i njihova sinteza je regulisana u skladu s intracelularnom koncentracijom pojedinih metabolita. Bakterije obično žive u vrlo promjenljivim uslovima, tako da enzimi koji su ćeliji potrebni u jednom trenutku ubrzo mogu postati suvišni, a iznenada se može pojaviti potreba za nekim drugim enzimima. Genom bakterija je organizovan tako da omogućuje veliku fleksibilnost u pogledu ekspresije pojedinih gena. Bakterija može da odgovori na promjene uslova veoma brzo, sintezom enzima koji su joj u datom trenutku neophodni, i prestankom sinteze onih za koje trenutno nema supstrata. Skoro kompletna regulacija ekspresije gena kod bakterija se odvija na nivou transkripcije. Geni bakterija su grupisani tako da se jedan do drugog nalaze oni koji kodiraju funkcionalno povezane enzime, najčešće enzime jednog biohemijskog puta. Cijeli set takvih gena sadrži samo jedan promotor i transkribuje se kao jedna transkripciona jedinica, a iRNK je policistronska. Set gena koji predstavlja jednu ekspresionu jedinicu, tj. uključuje strukturne gene i elemente koji kontrolišu njihovu ekspresiju, nazvan je operonom. Takva organizacija genoma omogućuje efikasnu i koordinisanu regulaciju seta gena, interakcijom između regulatornog proteina i zajedničkog promotora. Indukcija sinteze pojedinih enzima je veoma brza (obično traje samo nekoliko minuta) zahvaljujući i tome što su procesi transkripcije i translacije spregnuti. Translacija započinje na 5'-kraju iRNK čija je sinteza još u toku. Bakterijske iRNK su kratkoživeće, degradiraju već 1-3 minute poslije transkripcije čime se izbjegava sinteza onih proteina koji ćeliji više nisu potrebni. Osnovna saznanja o mehanizmima putem kojih se kontroliše aktivnost pojedinih gena u bakterijskim ćelijama pružila su ispitivanja regulacije sinteze inducibilnih enzima.
Regulacija transkripcije laktoznog operona - negativna kontrola Prvi model regulacije ekspresije gena kod bakterija predložili su Jacob i Monod 1961. godine, na osnovu izučavanja sinteze enzima koji su uključeni u razgradnju laktoze kod bakterije E. coli. U bakterijskom genomu se nalaze tri strukturna gena (lacZ, lacY i lacA ) koji kodiraju glavne enzime za razgradnju laktoze: 0-galaktozidazu (katalizuje razgradnju laktoze do glukoze i gataktoze), P-galaktozid permeazu (omogućava transport laktoze kroz plazma membranu) i P-tiogalaktozid acetil-transferazu (fiziološka uloga joj nije utvrđena). Ova tri gena čine jednu transkripcionu jedinicu, tzv. laktozni operon (lac operon) čiji se promotor (lacP) nalazi uzvodno od gena lacZ. Uzvodno od promotora smješten je regulatorni gen (lac-1) koji predstavlja zasebnu transkripcionu jedinicu (ima svoj promotor) i transkribuje se u monocistronsku iRNK. Ova iRNK kodira protein koji ima ulogu represora transkripcije lac operona.
U toku ispitivanja mehanizma regulacije transkripcije lac operona, izolovan je i prečišćen laktozni represor (lac++ represor) – protein koji se vezuje za niz nukleotida nazvan operator. Ovaj niz sadrži 21 bp i prisutan je u genomu E. coli u samo jednoj kopiji, a lociran je unutar promotorskog regiona lacP. Laktozni represor je tetramer koji ima visok afinitet prema operatoru (lacO). Kada se represor veže za operator, on blokira pristup RNK polimerazi i sprečava transkripciju strukturnih gena vezanih za taj promotor. S druge strane, represor ima i vezivno mjesto za šećer alolaktozu (izomer D-laktoze koji je u ćeliji prisutan onda kada je prisutna i laktoza). Kada koncentracija alolaktoze u bakterijskoj ćeliji dostigne određeni nivo, ona se vezuje za represor, izazivajući njegovu alosteričnu promjenu, usljed koje slabi njegov afinitet prema operatoru, tako da represor disocira sa operatora. Sada je transkripcija gena ponovo omogućena. Ova pojava se naziva derepresija, a ovakav vid kontrole, zasnovan na konformacionoj promjeni represora izazvanoj vezivanjem šećera, je alosterična kontrola. Kao rezultat derepresije, ćelija počinje da sintetiše enzime neophodne za razgradnju laktoze. Kada se razgradi sva prisutna laktoza, a u ćeliju iz okoline ne dospijeva nova, represor se ponovo vezuje za operator i sprečava transkripciju strukturnih gena lac operona. Prema tome, bakterija sintetiše enzime za razgradnju laktoze samo onda kada je laktoza (odnosno alolaktoza) prisutna u ćeliji, a ne i onda kada je nema.
Do sada su poznati mnogi slični primjeri kontrole transkripcije. U svim ovakvim slučajevima, specifičan ligand (kao alolaktoza), koji se naziva induktor, biva prepoznat od strane represora koji imaju visok afinitet prema operatorima. Vezivanje induktora za represor “uključuje” transkripcijsku jedinicu u blizini operatora, slabljenjem veze između represora i operatora. Međutim, poznati su i primjeri kada vezivanje induktora za represor dovodi do takve alosterske promjene represora usljed koje se njegov afinitet prema operatoru povećava, a transkripcijska jedinica ostaje “zaključana”. Znači, u nekim slučajevima, kao što je lac operon, povećana koncentracija induktora stimulira, dok u drugim slučajevima inhibira transkripciju gena. lpak, u oba slučaja radi se o istom regulatornom mehanizmu, jer se u oba slučaja transkripcija odvija u odsustvu regulatornog proteina (represora), a ne odvija u njegovom prisustvu. Zato se ovakav tip kontrole naziva negativna kontrola.
Regulacija transkripcije laktoznog operona - pozitivna kontrola Alternativa negativnoj regulaciji je pozitivna kontrola, tj. regulacija transkripcije aktivatorima. Neke transkripcione jedinice u genomu E. coli imaju relativno slaba mjesta za vezivanje RNK polimeraze (tzv. slabe promotore), pa je vezivanje ovog enzima moguće samo uz pomoć proteina aktivatora koji se vezuju za DNK u neposrednoj blizini RNK polimeraze.
“Jačina”, tj. efikasnost promotora zavisi od redoslijeda nukleotida u karakterističnim, evolutivno očuvanim dijelovima promotorskog regiona od kojih se jedan nalazi 10, a drugi 35 nukleotida uzvodno od mjesta na kome počinje transkripcija. Najefikasniji bakterijski promotori na poziciji -10 sadrže niz TATAAT, a na -35 niz TTGACA. Molekula RNK polimeraze se specifično vezuje za niz na poziciji -35, dok onaj na poziciji -10 omogućuje da transkripcija započne na nukleotidu +1. Aktivatori se vezuju za nizove nukleotida koji se nalaze u neposrednoj blizini mjesta za koje se vezuje RNK polimeraza i za razliku od represora, koji onemogućuju vezivanje enzima, aktivatori to vezivanje olakšavaju. Po svemu ostalom, oni veoma liče na represore. Oni se često vezuju za induktore koji povećavaju ili smanjuju njihov afinitet prema DNK i na taj način “uključuju” ili “isključuju” odgovarajuće transkripcione jedinice. Ovakav način regulacije aktivnosti gena označen je kao pozitivna kontrola, jer se transkripcija odvija samo u prisustvu regulatornog proteina.