Ekspresi dan pengawalaturan gen · AP Biology

Bab 6 · Ekspresi dan pengawalaturan gen

daripada DNA kepada protein

Gen ialah jujukan DNA yang urutan basnya mengeja suatu RNA, dan lazimnya suatu protein. Untuk mengekspresikannya ada dua langkah: transkripsi, DNA kepada RNA, dan translasi, RNA kepada protein.

Rajah ini ialah sebahagian heliks berganda yang berputar. Dua untainya dipegang bersama oleh pasangan bes di tengah, dan urutan bes itulah maklumatnya.

Bab ini mengikuti maklumat tersebut: bagaimana DNA dibina (6.1) dan disalin (6.2), bagaimana gen dibaca menjadi RNA (6.3) dan menjadi protein (6.4), bagaimana sel memutuskan gen yang akan dibaca (6.5, 6.6), apa yang berlaku apabila jujukan berubah (6.7), dan bagaimana makmal memotong, menyalin dan mengasingkan DNA (6.8).

6.1 · DNA dan RNA

Struktur DNA dan RNA

DNA, dan RNA pada sesetengah virus, ialah maklumat boleh diwarisi bagi sesuatu sel. Kedua-duanya ialah rantai nukleotida: gula, fosfat dan bes bernitrogen.

Gula dan fosfat berselang-seli membentuk tulang belakang. Setiap untai mempunyai arah: hujung 5′ dengan fosfat bebas dan hujung 3′ dengan –OH bebas pada gula. Dua untai DNA berjalan dalam arah bertentangan, iaitu antiselari, dan berpintal menjadi heliks berganda.

Bes berpasangan di tengah melalui ikatan hidrogen: A dengan T (dua ikatan) dan G dengan C (tiga). A dan G ialah purina, dengan dua gelang; C, T dan U ialah pirimidina, dengan satu. Setiap pasangan terdiri daripada satu purina dan satu pirimidina, jadi heliks mengekalkan lebar yang sama (kira-kira 2 nm), berputar sekali setiap 10.5 pasangan bes.

Hukum Chargaff. Disebabkan pemasangan itu, DNA beruntai dua mempunyai A = T dan G = C. Jika sampel mengandungi 30% A, ia mengandungi 30% T, dan baki 40% dibahagi sama rata: 20% G dan 20% C.

	DNA	RNA
gula	deoksiribosa	ribosa
bes	A, T, G, C	A, U, G, C
untai	dua, heliks berganda	biasanya satu

Prokariot menyimpan DNA dalam satu kromosom membulat; eukariot dalam beberapa kromosom linear, dililit pada protein histon dalam nukleus. Kedua-duanya boleh membawa plasmid: DNA kecil, membulat, berdwiuntai di luar kromosom.

6.2 · Menyalin DNA

replikasi

Replikasi bersifat separa konservatif: setiap heliks berganda baharu mengekalkan satu untai lama dan memperoleh satu untai baharu, dibina padanya sebagai templat melalui pemasangan bes.

Pada garpu replikasi, helikase membuka heliks induk dan memutuskan ikatan hidrogen antara bes. Topoisomerase, di hadapan garpu, melonggarkan pintalan yang disebabkan oleh pembukaan itu.

DNA polimerase menambah nukleotida hanya pada hujung 3′ sesuatu untai, jadi untai baharu hanya memanjang 5′→3′. Ia juga tidak boleh memulakan untai daripada kosong: ia memerlukan primer RNA pendek (biru) untuk membina padanya.

Kedua-dua templat berjalan dalam arah bertentangan, jadi dua untai baharu (merah) dibina dengan cara berbeza:

	untai peneraju	untai mengekor
arah	menuju garpu	menjauhi garpu
dibina	secara berterusan, satu primer	dalam kepingan, satu primer setiap satu

Kepingan untai mengekor ialah serpihan Okazaki. Primer RNA-nya digantikan dengan DNA, dan DNA ligase menutup celah antaranya menjadi satu untai berterusan.

DNA polimerase juga menyemak bacaan, jadi ralat replikasi jarang berlaku, walaupun tidak pernah sifar: ralat yang tinggal ialah mutasi (6.7).

6.3 · DNA kepada RNA

transkripsi dan pemprosesan RNA

Dalam transkripsi, RNA polimerase membuka DNA pada suatu gen dan membina salinan RNA bagi satu untai.

Ia melekat pada promoter, membaca untai templat 3′→5′, dan membina RNA 5′→3′, dengan memasangkan A dengan U, T dengan A, G dengan C dan C dengan G. Ia berhenti pada terminator. RNA itu mempunyai jujukan untai pengekod yang satu lagi, dengan U menggantikan T.

untai pengekod 5′→3′	ATG TTC GGA AAA TGG TAA
untai templat 3′→5′	TAC AAG CCT TTT ACC ATT
mRNA 5′→3′	AUG UUC GGA AAA UGG UAA

Tiga jenis RNA terlibat dalam pembuatan protein: mRNA membawa mesej gen; tRNA membawa asid amino; rRNA membentuk teras ribosom.

Pemprosesan. Dalam eukariot, transkrip pertama, iaitu pra-mRNA, diubah suai dalam nukleus sebelum keluar: topi 5′ (nukleotida guanina yang diubah suai) dan ekor poli-A ditambah, melindunginya dan membantu translasinya, manakala intron dibuang dan ekson disambung. Pra-mRNA di bawah ialah 1530 nukleotida; jumlah eksonnya ialah 480.

Melalui sambatan alternatif, satu gen boleh menghasilkan mRNA berbeza, dan seterusnya protein berbeza, bergantung pada ekson yang dikekalkan.

6.4 · RNA kepada protein

translasi

Dalam translasi, ribosom membaca mRNA tiga bes pada satu masa, satu kodon bagi setiap asid amino.

Permulaan. Subunit kecil mengikat mRNA dan mencari kodon mula, AUG; tRNA pertama, yang membawa metionina, berpasangan dengannya; subunit besar bercantum.

Pemanjangan. Setiap tRNA mempunyai antikodon yang berpasangan dengan satu kodon, dan membawa asid amino bagi kodon itu. Suatu tRNA baharu memasuki tapak A; ribosom menyambungkan rantai yang memanjang kepada asid aminonya melalui ikatan peptida; ribosom bergerak satu kodon ke arah hujung 3′, dan tRNA kosong keluar dari tapak E.

Penamatan. Pada kodon henti (UAA, UAG, UGA) tiada tRNA yang berpasangan; suatu faktor pembebasan membebaskan polipeptida.

mRNA	AUG	UUC	GGA	AAA	UGG	UAA
asid amino	Met	Phe	Gly	Lys	Trp	Stop

Kod dibaca daripada jadual kod genetik, dan ia hampir sejagat: kodon yang sama bermaksud asid amino yang sama dalam bakteria dan dalam manusia, itulah sebabnya gen manusia boleh diekspreskan dalam bakteria. Kod ini juga berlebihan: 61 kodon untuk 20 asid amino.

Dalam prokariot, ribosom menterjemah mRNA semasa ia masih ditranskripsi. Retrovirus seperti HIV menjalankan aliran secara terbalik dahulu: transkriptase balikannya menyalin RNA virus kepada DNA, yang bercantum dengan genom perumah.

6.5 · Menghidupkan dan mematikan gen

pengawalaturan ekspresi gen

Sel tidak mengekspreskan semua gennya sepanjang masa. Jujukan pengawalatur dalam DNA mengikat protein pengawalatur, yang meningkatkan atau menurunkan transkripsi.

Operon lac pada E. coli ialah sebuah operon: gen untuk satu tugas (menggunakan laktosa) di bawah satu promoter dan satu operator, ditranskripsi menjadi satu mRNA. Ia teraruh, biasanya mati:

keadaan	represor	lacZYA
laktosa tiada	represor pada operator	off
laktosa hadir	alolaktosa menghalang represor	on

Represor, yang dihasilkan oleh gen berasingan lacI, duduk pada operator dan menghalang RNA polimerase. Apabila laktosa hadir, alolaktosa (dihasilkan daripadanya) mengikat represor dan mengubah bentuknya; ia tertanggal, dan gen ditranskripsi. (Transkripsi paling kuat apabila glukosa juga kurang.)

Operon trp bersifat boleh ditindas, biasanya hidup. Represornya dihasilkan dalam keadaan tidak aktif; apabila triptofan banyak, triptofan mengikatnya, represor mengikat operator, dan gen untuk menghasilkan triptofan dimatikan.

Perubahan epigenetik mengawal atur gen tanpa mengubah jujukan. Asetilasi histon melonggarkan DNA pada histon itu dan membolehkan transkripsi; metilasi DNA biasanya membisukannya. Tanda ini boleh diterbalikkan, dan boleh diwarisi apabila sel membahagi.

6.6 · Satu genom, banyak jenis sel

ekspresi gen dan pengkhususan sel

Hampir setiap sel dalam badan anda mempunyai gen yang sama. Sel berbeza kerana ia mengekspreskan gen yang berbeza.

Gen eukariot dihidupkan oleh faktor transkripsi. Faktor am membantu RNA polimerase mengikat promoter. Pengaktif khusus mengikat pemantap, yang mungkin terletak beribu-ribu bes jauhnya; DNA membengkok supaya pengaktif menyentuh jentera pada promoter, dan transkripsi meningkat. Represor mengikat dan menghalangnya.

Dalam rajah: kromatin termampat dan senyap; kumpulan asetil (merah) melonggarkan histon; pengaktif (biru) mengikat pemantap, DNA membentuk gelung, dan mRNA dihasilkan.

sel	actin	albumin	insulin	crystallin
liver	on	on	—	—
pancreas	on	—	on	—
lens	on	—	—	on

Setiap jenis sel mempunyai set faktor transkripsinya sendiri, maka set gen dan proteinnya yang aktif sendiri. Gen yang berkongsi jujukan pengawalatur bertindak balas kepada faktor yang sama, jadi satu isyarat boleh menghidupkan seluruh program serentak.

Ekspresi juga diselaraskan selepas transkripsi: RNA kecil (seperti mikroRNA) berpasangan dengan mRNA tertentu dan menghalang translasinya atau menyebabkannya dimusnahkan.

6.7 · Apabila jujukan berubah

mutasi

Mutasi ialah perubahan pada jujukan DNA. Ia boleh mengubah protein yang dihasilkan oleh gen, dan seterusnya fenotip.

Rajah ini mengubah mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA, yang mengekod Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala:

mutasi	kodon	protein
silent	GAG → GAA	Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala
missense	GAG → GUG	Met-Val-Phe-Lys-Trp-Ala
nonsense	AAA → UAA	Met-Glu-Phe (stop)
frameshift	UUC → CUU	Met-Glu-Leu-Gln-Met-Gly-Leu

Penggantian senyap menukar kodon kepada kodon lain bagi asid amino yang sama. Penggantian missens mengubah satu asid amino: GAG → GUG, glutamat kepada valina, ialah mutasi sel sabit dalam hemoglobin. Penggantian nonsens menghasilkan kodon henti dan memendekkan protein. Sisipan atau pemadaman satu bes ialah anjakan bingkai: setiap kodon selepasnya dibaca dalam bingkai yang salah.

Mutasi timbul daripada ralat dalam replikasi atau pembaikan, dan daripada sinaran serta bahan kimia. Ia rawak terhadap apa yang diperlukan oleh organisma; kesannya mungkin memudaratkan, neutral atau bermanfaat bergantung pada persekitaran. Ia ialah sumber asal variasi genetik.

Seluruh kromosom juga berubah: ketakdisjungan dalam meiosis memberikan gamet kromosom tambahan atau kekurangan kromosom, seperti dalam trisomi 21 (sindrom Down). Bakteria juga memperoleh gen secara sisi: transformasi (mengambil DNA), transduksi (dibawa oleh virus), konjugasi (sel ke sel) dan transposisi (gen bergerak dalam genom).

6.8 · Membaca dan menyalin DNA

bioteknologi

Empat kaedah makmal berpunca daripada apa itu DNA.

Elektroforesis gel mengasingkan DNA mengikut saiz. DNA bersifat negatif (fosfatnya), jadi dalam medan elektrik ia bergerak ke arah hujung +; gel menahan cebisan panjang lebih daripada yang pendek, jadi yang paling pendek bergerak paling jauh. Suatu tangga saiz yang diketahui dijalankan di sebelah sampel. Jarak berkurang secara sekata dengan logaritma saiz:

saiz (bp)	1500	1000	700	500	300	200	100
jarak (mm)	10.7	16.0	20.6	25.0	31.7	37.0	46.0

Satu jalur 27.9 mm dari telaga terletak di antara jalur 500 dan 300 bp; membacanya pada garis memberikan kira-kira 400 bp. Dalam rajah, jalur sampel tempat kejadian jenayah sepadan dengan jalur suspek 2.

PCR (tindak balas berantai polimerase) menyalin suatu bahagian DNA yang dipilih: panaskan hingga 95 °C untuk memisahkan untai, sejukkan hingga kira-kira 55 °C supaya primer mengikat pada kedua-dua sisi sasaran, kemudian 72 °C supaya DNA polimerase tahan haba memanjangkannya. Setiap kitaran menggandakan sasaran: 5 kitaran mengubah satu salinan menjadi 32, dan 30 kitaran menjadi kira-kira 1.07 bilion.

Transformasi bakteria memasukkan gen ke dalam bakteria pada plasmid, selalunya dengan gen rintangan antibiotik supaya hanya sel yang bertransformasi tumbuh pada plat yang mengandungi antibiotik.

Penjujukan DNA membaca susunan bes.