Μεταφραστικός έλεγχος κατά τα 20 τελευταία χρόνια

Transcript

1 Μεταφραστικός έλεγχος κατά τα 20 τελευταία χρόνια Translational Regulation of Gene expression ed by J. Ilan 1987 Translational Control of Gene expression by N. Sonenberg,J Hershey and M. Mathews ed by Cold Spring Harbor Laboratory 2000 Translational Control in Biology and Medicine M. Mathews, N. Sonnenberg, J Hershey Cold Spring Harbor Laboratory Press 2007

2 The role of metal ions in RNA biochemistry in the RNA world Feig A. and Uhnlenbeck A 1999 Second edit. (Ed. Gesteland Th Chech and J. Atkins) Initiation of Protein synthesis in translational control of gene expression. Hershey J. and Merick W In translational control of gene expression (ed. By Cold Spring Harbor Laboratory Press) Models of the elongation cycle an evaluation Spahn C.M. and Nierhaus K.H Biol. Chem Translational control of Ferritin Synthesis in Translational Control of gene expression. Rounalt Tr. And Harford J.B. (ed. By Cold Spring Harbor Laboratory press)

3 Κεφάλαια που µεταξύ άλλων περιλαµβάνονται στο βιβλίο µεταφραστικού ελέγχου το 2007 οµή του βακτηριακού ριβοσώµατος και συνέπειες για την µεταφραστική ρύθµιση Λήξη της µετάφρασης το Prion και ανακύκλωση του ριβοσώµατος Ρύθµιση των mrnas µορίων µε Micro RNAs eif2a φωσφορυλίωση κατά το κυτταρικό Stress και τις ασθένειες Μεταφραστικός έλεγχος κατά την ανάπτυξη του καρκίνου

4 Θέµατα ζωής και θανάτου. Έλεγχος της µετάφρασης κατά την διάρκεια της απόπτωσης Μεταφραστικός έλεγχος σε µεταβολικές ασθένειες. Ο ρόλος της mtor σηµατοδότησης στην παχυσαρκία και τον διαβήτη Μεταφραστικός έλεγχος κατά την ανάπτυξη Μεταφραστικός έλεγχος σε φυτά και χλωροπλάστες Θεραπευτικές ιδιότητες στα πλαίσια της µετάφρασης

5 Ύλη για τα Ειδικά Κεφάλαια Βιοχηµείας 1. Μεταφραστικός έλεγχος Γενικά - Ιστορική Αναδροµή 2. Ριβόσωµα α. Γενικά β. Ριβοσωµικό RNA γ. Ριβοσωµικές πρωτεΐνες δ. Όξινες ριβοσωµικές πρωτεΐνες ε. Οργάνωση των συστατικών στο ριβόσωµα στ.λειτουργικές περιοχές ριβοσώµατος, GTPάση, πεπτιδυλοτρανσφεράση ζ. Ρύθµιση στο επίπεδο του ριβοσώµατος

6 3. m-rna α. οµή β. Καπέλο γ. Poly(A) δ. 5-µη µεταφραζόµενη περιοχή ε. 3-µη µεταφραζόµενη περιοχή στ.ρύθµιση στο επίπεδο του m-rna 4. Παράγοντες έναρξης προκαρυωτικοί ευκαρυωτικοί 5. Παράγοντες λήξης 6. Εργαλεία ρύθµισης της µετάφρασης α. Νουκλεάσες β. Πρωτεάσες

7 γ. Φωσφορυλίωση 7. Συστήµατα Μοντέλα µεταφραστικού ελέγχου α. Συστήµατα Αίµης β. Συστήµατα Ιντερφερόνης γ. Συστήµατα ιών δ. Θερµικό σόκ ε. Μεταφραστικός έλεγχος µέσω mrna στ. Μεταφραστικός έλεγχος κατά την απόπτωση ζ. Μεταφραστικός έλεγχος κατά την καρκινογένεση

8 Οι πρωτεΐνες καταλαµβάνουν ιδιαίτερα υψηλή θέση µεταξύ των µορίων που είναι σηµαντικά για την πορεία της ζωής Συνιστούν ένα µεγάλο κλάσµα των βιολογικών µακροµορίων. Συνιστούν π.χ. το 44% του ανθρωπίνου σώµατος σε ξηρό βάρος Καταλύουν τις περισσότερες από τις αντιδράσεις από τις οποίες εξαρτάται η ζωή Εξυπηρετούν µια σειρά ρόλους σε όλους τους οργανισµούςόπωςδοµικούς, µεταφοράς, ρυθµιστικούς Είναι κατά συνέπεια λογικό ένα µεγάλο µέρος από το ενεργειακό περιεχόµενο του κυττάρου να αφιερώνεται στην µετάφραση

9 Η µετάφραση είναι µια ιδιαίτερα έξυπνη πορεία ηοποίαγιαναεπιτελεσθείχρειάζεταιµια ιδιαίτερα περίπλοκη πρωτεϊνοσυνθετική µηχανή Ένας τρόπος για να προσδιορισθεί η ποσότητα γενετικής πληροφορίας που απαιτείται για να συγκροτηθεί η πρωτεϊνοσυνθετική µηχανή είναι να συγκροτήσουµε έναν κατάλογο µε όλες τις ουσιώδεις πρωτεΐνες και τα RNAs

10 Εάν βέβαια επιλεγεί µια τέτοια προσέγγιση είναι αναγκαίο να γίνουν ορισµένες παραδοχές οι οποίες και θα πρέπει να συζητηθούν, όπως λ.χ. ποια είναι η ταυτότητα των ουσιωδών συστατικών και ποιο είναι το ελάχιστο µέγεθος το οποίο µπορεί να έχουν. Μια άλλη εναλλακτική προσέγγιση είναι να εξετάσουµε το γονιδίωµα απλών ζωντανών οργανισµών και να προσδιορίσουµε τοµέγεθος της γενετικής πληροφορίας η οποία απαιτείται για να κωδικοποιηθούν αυτά τα στοιχεία που απαιτούνται για την πρωτεϊνοσύνθεση.

11 Το µικρότερο κυτταρικό γονιδίωµαπουσήµερα είναι γνωστό ότι κωδικοποιεί για ζωντανό οργανισµό είναι εκείνο που κωδικοποιεί για το παρασιτικό βακτήριο mycoplasma genitatum. Το γονιδίωµα κωδικοποιεί για 480 πρωτεΐνες εκ των οποίων όχι λιγότερες από 101 έχουν προσδιορισµένη λειτουργία στη διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης.

12 Όταν εξαιρέσει κανείς τα γονίδια τα οποία κωδικοποιούν για τις πρωτεΐνες που δεν συµµετέχουν άµεσα στην πορεία της µετάφρασης (π.χ. γονίδια που κωδικοποιούν για τις πρωτεάσες κ.λπ.) το Mycoplasma genitatum έχει περίπου 90 γονίδια τα οποία κωδικοποιούν για πρωτεΐνες άµεσα εµπλεκόµενες στην πορεία της πρωτεϊνοσύνθεσης. Από αυτά κωδικοποιούν για ριβοσωµικές 20 Αµινοακυλο t-rna συνθετάσες για µεταφραστικούς παράγοντες που εµπλέκονται άµεσα στο σύστηµα µετάφρασης.

13 Υπάρχουν ακόµη 37 γονίδια τα οποία κωδικοποιούν για RNA µόρια κύρια ριβοσωµικά και trnas τα οποία παίζουν επίσης σηµαντικούς ρόλους κατά τη διαδικασία της µετάφρασης.

14 Στα ευκαρυωτικά κύτταρα ο αριθµός των γονιδίων που απαιτούνται για να κωδικοποιήσουν τα διάφορα συστατικά τα οποία απαιτούνται για την πρωτεϊνοσύνθεση είναι µεγαλύτερος. Αυτό είναι αναγκαίο διότι µεγαλύτερος είναι τόσο ο αριθµός των ριβοσωµικών πρωτεϊνών όσο και των παραγόντων έναρξης και επιµήκυνσης που εµπλέκονται στη διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης.

15 Η εντυπωσιακή ανάπτυξη στη διερεύνηση του ρόλου των διαφόρων συστατικών που συµµετέχουν σ αυτή φαίνεται ανάγλυφα αν συγκρίνει κανείς τα πρακτικά του Gold Spring Harbor Το 1962 ο τόµος που αναφερόταν στους ρυθµιστικούς µηχανισµούς είναι µόλις λίγες δεκάδες σελίδες. Οτόµος που εκδόθηκε το 1970 για τους µηχανισµούς της πρωτεϊνοσύνθεσης εκατοντάδες σελίδες.

16 Ανάλυση του γονιδιώµατος από διάφορες ερευνητικές οµάδες διαφόρων µικροοργανισµών απεκάλυψε Οι διάφοροι µικροοργανισµοί χρησιµοποιούν περίπου 130 γονίδια για να κωδικοποιήσουν τα διάφορα συστατικά της πρωτεινοσυνθετικής µηχανής 90 γονίδια κωδικοποιούν για πρωτεΐνες (50-60 για ριβοσωµικές πρωτεΐνες 20 για αµινοακυλο t- RNA συνθετάσες παράγοντες µετάφρασης) 40 γονίδια κωδικοποιούν για ριβοσωµικό και t- RNAs

17 Ένας µεγαλύτερος αριθµός γονιδίων συµµετέχει στα ευκαρυωτικά τα οποία βέβαια έχουν ένα µεγαλύτερο αριθµό ριβοσωµικών υποµονάδων και παραγόντων έναρξης

18 Περίπου το 40% του ελαχίστου γονιδιώµατος που απαιτείται για να ζήσει ένας οργανισµός είναι το θεωρητικό ελάχιστο που χρησιµοποιείται για την λειτουργία της µεταφραστικής συσκευής

19 Αυτή η υψηλή αναγκαιότητα σε γονιδιακή πληροφορία σχετίζεται άµεσα µε το υψηλό ποσό ενεργείας που χρειάζεται γιαναγίνειηµετάφραση Κατά την πρωτεϊνοσύνθεση καταναλώνεται το 5% των θερµίδων που προσλαµβάνονται από τον άνθρωπο και γύρω στο 30-50% της ενέργειας που παράγεται από ένα γρήγορα αναπτυσσόµενο οργανισµό π.χ. E.coli Ένα µέρος της ενέργειας χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία πεπτιδικού δεσµού(4 δεσµοί υψηλής ενέργειας περίπου 28Kcal/Mol) ένα µέρος για την έναρξη και την λήξη Μεγάλες ποσότητες ενέργειας επενδύονται στα ριβοσωµάτια t-rnas και ένζυµα που απαιτούνται

20 Ένα Παράδειγµα Ένα ταχέως αναπτυσσόµενο κύτταρο ζύµης περιέχει ριβοσωµάτια Καταλαµβάνουν το 30-40% του κυτταροπλασµατικού όγκου Για την ανάπτυξη του κυττάρου απαιτείται το κύτταρο ζύµης να παράγει ριβοσωµάτια/λεπτό Για την λειτουργία αυτή απαιτείται το 60% της µεταγραφικής ενεργότητας προκειµένου να κατασκευασθούν ριβοσωµικά RNA και mrna (Τα mrna για τις ριβοσωµικές πρωτεΐνες συγκροτούν το 1/3 του πληθυσµού των mrnas

21 Φυσικά και θα ήταν παράλογο εάν µια πορεία τέτοιας σηµασίας δεν ελεγχόταν σχολαστικά ώστε να γίνεται όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση της καταναλισκόµενης ενέργειας

22 Ηκεντρικήιδέατουµεταφραστικού ελέγχου είναι ότι η γονιδιακή έκφραση ελέγχεται στην συνέχεια µέσω της ικανότητος χρησιµοποίησης των mrna για την σύνθεση συγκεκριµένων πρωτεϊνών Ο µεταφραστικός έλεγχος φαίνεται σήµερα να έχει ιδιαίτερη σηµασία στην Ιατρική την Γεωργία και την Βιοτεχνολογία

23 Η επισήµανση για µεταφραστικό έλεγχο διατυπώθηκε λίγα µόλις χρόνια µετά την διατύπωση του κεντρικού δόγµατος της µοριακής Βιολογίας από τους Watson και Crick 1958 και πολύ γρήγορα µετά από την διατύπωση της υπόθεσης για το µήνυµα RNA.

24 To 1961 οι Jacob and Monod διετύπωσαν την άποψη ότι η σύνθεση των εξατοµικευµένων πρωτεϊνών µπορεί να προωθηθεί ή να κατασταλεί µέσα στο κύτταρο υπό την επίδραση συγκεκριµένων εξωτερικών παραγόντων The relative rates at which different proteins are synthsized may be profoundly altered depending on external conditions και σηµείωσαν ότι η ρύθµιση είναι absolutely essential to the survival of the cell

25 Η ιδέα ότι το mrna µπορεί να είναι αντικείµενο διαφορετικής χρησιµοποίησης παρέµεινε αναξιοποίητη για δέκα περίπου χρόνια. Για να αρχίσει να αντιµετωπίζεται µε ενθουσιασµό από τους ερευνητές το 1971 Ο Humphrey το 1971 διετύπωσε την άποψη ότι τα αυγά περιέχουν µεταφραστικά σιωπηρά mrna τα οποία ενεργοποιούνται µετά την γονιµοποίηση Το ίδιο καιρό άρχισαν να µελετώνται και άλλα συστήµατα ρύθµισης της µετάφρασης όπως το σύστηµα τηςµετάφρασης, συστήµατα επιµόλυνσης κυττάρων από ιούς και φηγούς. Ανταποκρίσεις κυττάρων σε διάφορα ερεθίσµατα όπως θερµοκρασία ορµόνες, πείνα

26 Σε πολυσταδιακό πολυλειτουργικό δρόµο όπως αυτό της πρωτεϊνοσύνθεσης, η ρύθµιση µπορεί να αναµένεται σε πολλά επίπεδα. Αλλά η πλέον συχνή περίπτωση µεταφραστικού ελέγχου που έχει εντοπιστεί σε πολλά γνωστά συστήµατα είναι το επίπεδο της έναρξης. Ηεµπειρική αυτή παρατήρηση ταιριάζει απόλυτα µε τη βιολογική αλλά και λογική αρχή η οποία λέει ότι είναι πιο αποτελεσµατικό να κατευθύνεται µια πορεία από την αρχή παρά να την διακόπτεις στο µέσο, οπότε έχεις να αντιµετωπίσεις και τη διαχείριση των ενδιάµεσων προϊόντων.

27 Βεβαίως έχουν αναφερθεί περιπτώσεις που υφίσταται µεταφραστικός έλεγχος στο επίπεδο της επιµήκυνσης όπου φαίνεται ότι το σταµάτηµα της µετάφρασης θεωρείται ως µέτρο ασφαλείας για να διακοπεί ο σχηµατισµός πεπτιδικού δεσµού.

28 Οόροςµεταφραστικός έλεγχος είχε αρχίσει να χρησιµοποιείται σταθερά µετά το 1968 όταν οι διάφορες ερευνητικές οµάδες παρουσίασαν ερευνητικά αποτελέσµατα που είχαν προκύψει από τέσσερα συστήµατα. Το σύστηµα των ερυθροκυττάρων. Το σύστηµα των εµβρύων που αναπτύσσονταν µετά τη γονιµοποίηση των αυγών. Το σύστηµα κυττάρων στο οποίο παρουσιάζονταν διάφορες µεταβολές µετά την επιµόλυνση µε ιούς και φάγους καθώς και συστήµατα κυττάρων στα οποία κατεγράφονταν διάφορες µεταβολές µετά την επίδραση διαφόρων ερεθισµάτων όπως ορµόνες, µεταβολές στη θερµοκρασία κ.λπ.

29 Ησυστηµατική µελέτη µεταφραστικού έλεγχου αναπτύχθηκε ουσιαστικά στα επόµενα χρόνια όταν υπήρχε έξαρση στη µελέτη των διαφόρων συστηµάτων µετάφρασης. Οι αντιδράσεις έχουν µελετηθεί σε σηµαντικό βαθµό παρόλο που και τα επιµέρους συστατικά δεν έχουν χαρακτηρισθεί πλήρως και οι διάφορες µηχανιστικές λεπτοµέρειες εξακολουθούν να παραµένουν περίπου άγνωστες.

30 Ηβιοχηµική διερεύνηση στην πορεία της πρωτεϊνοσύνθεσης έχει αρχίσει εδώ και πολλά χρόνια γύρω στο 1950 περίπου παράλληλα µετηνανακοίνωση τηςαλληλούχισηςτηςβαλυσίδοςτηςινσουλίνης. Ηπορείατηςµελέτης συµβαδίζει µε τηνεισαγωγήτων ισοτόπων στη Βιοχηµεία. Στην αρχή τα ισότοπα παρασκευάζονταν από σηµασµένες ουσίες όπως φορµαλδεύδη και κυανίδιο για αρκετά χρόνια πριν αρχίσουν να υπάρχουν εµπορικά διαθέσιµα.

31 Το 1951 δηµιουργείται από Sickevicz και Zamecni το πρώτο πρωτόγονο σύστηµαελεύθερωνκυττάρωναπό συκώτι ποντικών το οποίο µπορούσε να πρωτεϊνοσυνθέσει όταν προσετίθετο ATP και GTP. Το σύστηµα στη συνέχεια βελτιώθηκε και δείχθηκε ότι τα ριβοσώµατα ήταν ο τόπος που γινόταν η πρωτεϊνοσύνθεση. Η ανακάλυψη ήταν αρκετά δύσκολη διότι και η ταχύτητα της πρωτεϊνοσύνθεσης ήταν µεγάλη και οι απόψεις που επικρατούσαν περίπλοκες, όπως ότι η πρωτεϊνοσύνθεση επιτελείται µέσω συνάθροισης ενζύµων ή ότι επιτελείται παρουσία ενδιάµεσων πεπτιδίων.

32 Περίπου τον ίδιο χρόνο εντοπίζεται ενδιάµεσο RNA που είχε προσδεδεµένο το ενεργοποιηµένο αµινοξύ. Προχωρεί ο χαρακτηρισµόςκαιγίνεταιοεντοπισµός τουπρώτουαποδέκτηµορίων. Επακολούθησαν µελέτες µέσω χηµικών τροποποιήσεων και επιβεβαιώθηκε ότι αυτό ήταν το µόριο που προχωρεί στην αποκωδικοποίηση του υποστρώµατος.

33 Στα επόµενα χρόνια εκτός από την αµινοακυλο t-rna µεταφοράση µια σειρά άλλα ένζυµα και πρωτεϊνικοί παράγοντες καθαρίζονται και χαρακτηρίζονται. Για τα περισσότερα πρωτεϊνικά συστατικά που εµπλέκονται στην πρωτεϊνοσύνθεση η δοµήέχει διευκρινισθεί. Εξακολουθούν όµως να µένουν αδιευκρίνιστοι µια σειρά παράγοντες όπως ο eif-5 ή συµπαράγοντες που λειτουργούν σε συνεργασία µε τους διάφορους παράγοντες.

34 Σύµφωνα µε την υπόθεση του µηνύµατος που αναπτύχθηκε από τους Jacobs και Mono (1961) τα ριβοσώµατα και τα άλλα συστατικά της πρωτεϊνοσυνθετικής µηχανής συγκροτούν µια σχετικά σταθερή αποκωδικοποιητική συσκευή η οποία προγραµµατίζεται από ένα ασταθές υπόστρωµα.

35 ΗανακάλυψηαπότονNurenberg και τους συνεργάτες του ότι το poly (u) µπορείνακατευθύνειτησύνθεσητης πολυφαινυλαλανίνης βοήθησε ιδιαίτερα στη διευκρίνιση του γενετικού κώδικα.

36 Η µεγάλη σταθερότητα των περισσότερων ευκαρυωτικών µηνυµάτων επηρέασε ουσιαστικά στο να γίνει προφανής η υπόθεση «του ασταθούς υποστρώµατος» στα κύτταρα των ευκαρυωτικών οργανισµών.

37 Το µήνυµα θεωρήθηκε ως ουσιαστικό ενδιάµεσο στοιχείο στη ροή της πληροφορίας και έγινε παγκοσµίως αποδεκτό ως χωριστή οντότητα µερικά χρόνια πριν από το 1970 οπότε ανακαλύφθηκε το 5 άκρο και η poly (A) αλυσίδα στο 3 άκρο των περισσότερων mrnas.

38 Ένα από τα κύρια πλεονεκτήµατα της µετάφρασης ως θέσης ρύθµισης είναι διότι προσφέρει τη δυνατότητα ταχείας ανταπόκρισης σε εξωτερικό ερέθισµα χωρίς να εµπλέκονται οι διαδικασίες για τη σύνθεση του mrna, την ωρίµανση και τη µεταφορά. Αυτονόητο είναι ότι το φαινόµενο παρατηρήθηκε πρώτα σε ευκαρυωτικούς οργανισµούς όπου ήταν προφανές ή απλό να διαπιστωθεί ότι η µεταγραφή και άλλα πυρηνικά γεγονότα δεν ήταν υπεύθυνα για ρύθµιση.

39 Οι απλούστερες περιπτώσεις µεταφραστικού ελέγχου που εξετάστηκαν σε βάθος ήταν τα γονιµοποιηµένα αυγά στα ασπόνδυλα και τα δικτυοκύτταρα των θηλαστικών. Ήταν τα συστήµατα στα οποία η απόκλιση από τους ρυθµιστικούς µηχανισµούς της µεταγραφής ήταν ιδιαίτερα προφανής. Η πρωτεϊνοσύνθεση απότοµα άρχιζε (στα γονιµοποιηµένα αυγά) ή διεκόπτετο(σε πτωχά σε σίδηρο ερυθροκύτταρα) απουσία οποιασδήποτε µεταγραφής.

40 Γενικά έλεγχοι όπως αυτοί που απαντούν στα αυγά και στα ερυθροκύτταρα επηρεάζουν ολόκληρο τον πληθυσµό τωνmrna εντός του κυττάρου. Αυτό το είδος της ρύθµισης συνήθως εξασφαλίζεται µε αλλαγές στην ενεργότητα γενικών συστατικών της πρωτεϊνοσύνθετικής µηχανής οι οποίες λειτουργούν µε µη ειδικό τρόπο.

41 Πρέπει να σηµειωθεί ότι οι ρυθµικοί µηχανισµοί που λειτουργούν κατά την πρωτεϊνοσύνθεση δεν είναι όλοι της ίδιας µορφής ώστε να επηρεάζουν κατά τρόπο γενικό τη ρύθµιση του συνόλου των µηνυµάτων. Υπάρχουν ρυθµιστικοί µηχανισµοί που επηρεάζουν τη µετάφραση επιλεγµένων µηνυµάτων. Συχνά οι δύο µηχανισµοί ελέγχου, ο γενικός και ο επιλεγµένος, αναφέρονται εσφαλµένα ως ποιοτικός και ποσοτικός έλεγχος.

42 Κατά το γενικό έλεγχο της µετάφρασηςόπωςγια παράδειγµα σε αυτόν που εµφανίζεται στα γονιµοποιηµένα αυγά του αχινού και στα δικτυoκύτταρα ο µηχανισµός µετάφρασης των mrna µεταβάλλεται µέσω σηµαντικών αλλαγών που επισυµβαίνουν στην ενεργότητα γενικών συστατικών της πρωτεϊνοσυνθετικής µηχανής τα οποία δρουν πλέον µε µη ειδικό τρόπο κατά τη µετάφραση όλων των mrna.

43 Πρέπει ίσως να σηµειωθεί ότι κατά την πορεία µελέτης του µεταφραστικού ελέγχου τα πρώτα µοντέλα που µελετήθηκαν ήταν εκείνα που αναφερόταν σε γενικό µεταφραστικό έλεγχο και αρκετά χρόνια αργότερα µελετήθηκαν συστήµατα τα οποία παρουσιάζουν εξειδικευµένο µεταφραστικό έλεγχο.

44 Η δυνατότητα µεταφραστικού ελέγχου προσφέρει: α. Αµεσότητα. Έλεγχος στη µεταγραφή σηµαίνει ότι το κύτταρο έχει να αντιµετωπίσει µια σειρά επόµενες αντιδράσεις (όπως µάτισµα, πυρηνική µεταφορά κ.λπ.) που σηµαίνει ότι τα επόµενα βήµατα µπορούν να αποδειχθούν περιοριστικά. β. υνατότητα αναστρεπτών τροποποιήσεων Η δυνατότητα αναστροφής των µηχανισµών του µεταφραστικού ελέγχου προσφέρει ενεργειακό κέρδος που έχει ιδιαίτερη βιολογική αξία σε κύτταρα µε περιορισµένες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, προσφέρει λεπτό έλεγχο. γ. Ρύθµιση µεγάλων γονιδίων Μερικά γονίδια που είναι ιδιαίτερα µεγάλα π.χ. γονίδιο δυστροφίνης που είναι µεγαλύτερο από 2000Kb χρειάζεται αρκετό χρόνο προκειµένου να µεταγραφεί. Τέτοια γονίδια ρυθµίζονται γρήγορα στο µεταφραστικό επίπεδο.

45 Ηρύθµιση γονιδίων µέσω µεταφραστικού ελέγχου στα αρχικά στάδια ανάπτυξης εισηγείται ότι είναι πιθανόν ένας µεταφραστικός έλεγχος να προηγείται του µεταγραφικού κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Μια τέτοια υπόθεση είναι σύµφωνη και µετηνάποψηπου έχει διατυπωθεί για την παρουσία RNA κόσµου προ της εµφάνισης του DNA. Έτσι είναι υπό ερώτηση κατά πόσο είναι πιθανό ο µεταφραστικός έλεγχος να ήταν πιο επικρατής στα αρχικά στάδια εξέλιξης και εµείς απλά σήµερα να αντιλαµβανόµαστε τα υπολείµµατα αυτού του ελέγχου.

46 Ρύθµιση της πρωτεϊνοσύνθεσης κατά την µετάφραση εµπλέκεται και σε διαδικασίες τοπογραφικού ελέγχου. Ρύθµιση σε συγκεκριµένες θέσεις δηµιουργεί γραµµικά µεταβαλλόµενες κλίσεις πρωτεΐνης. Τέτοιες γραµµικά µεταβαλλόµενες κλίσεις είναι γνωστό ότι επηρεάζουν τη µεταφραστική απόδοση άλλων ειδικών µηνυµάτων τα οποία µε τη σειρά τους επηρεάζουν την κατανοµήτων πρωτεϊνών στα αρχικά στάδια ανάπτυξης.

47 Η αναγνώριση του µεταφραστικού ελέγχου σχετίζεται µε τη µέτρηση δύο παραµέτρων, της ταχύτητας της πρωτεϊνοσύνθεσης και της συγκέντρωσης των αντίστοιχων mrnas Όπως είναι αυτονόητο οι προσπάθειες για τη διερεύνηση του µεταφραστικού ελέγχου εστιάζονται σήµερα προς πολλές κατευθύνσεις µε σκοπό να διερευνηθούν οι παράγοντες που επηρεάζουν τις παραµέτρους αυτές.

48 Επιλεκτικός έλεγχος επηρεάζει ένα υποσύνολο των mrna εντός του κυττάρου, σε εξαιρετικές περιπτώσεις µάλιστα, µόνο ένα είδος. Αυτό µπορεί να εξασφαλιστεί µε µηχανισµούς που συνδέονται µε εξειδικευµένα mrna ή οµάδες mrna ή µε εκµετάλλευση της διαφορετικής ανταπόκρισης των mrna σε αλλαγές στην ενεργότητα γενικών συστατικών της µετάφρασης όπως είναι ο eif-4e ήοeif-2.

49 Ο κύριος στόχος της ρύθµισης της γονιδιακής έκφρασης είναι να προσδιορίσουµε τα επίπεδα των πρωτεϊνών στο κύτταρο

50 Το επίπεδο µιας πρωτεΐνης είναι ανάλογο µε την ταχύτητα σύνθεσης και αντίστροφα ανάλογο µε την ταχύτητα αποικοδόµησης (αγνοώντας όποια αραίωση επισυµβαίνει λόγω κυτταρικής διαίρεσης). Για παράδειγµα όταν η ταχύτητα της πρωτεϊνοσύνθεσης διεγείρεται δύο φορές, το επίπεδο της πρωτεΐνης θα αυξάνει δύο φορές εάν η σταθερά ταχύτητας αποικοδόµησης παραµένει αµετάβλητη

51 Μια ιδιαίτερα σηµαντική παράµετρος είναι ο χρόνος ο οποίος απαιτείται προκειµένου να προσεγγισθεί το νέο επίπεδο της πρωτεΐνης Η ταχύτητα προσέγγισης του νέου επιπέδου ισορροπίας είναι ίση µε την ταχύτητα αποικοδόµησης πρώτης τάξεως.

52 Σηµαντική παράµετρος είναι ο χρόνος που απαιτείται προκειµένου να προσεγγισθεί το υψηλότερο επίπεδο της πρωτεΐνης Η ταχύτητα της προσέγγισης στο νέο επίπεδο ισορροπίας είναι ίση µε την ταχύτητα αποικοδόµησης

53 Σε κύτταρα όπου η ρύθµιση των επιπέδων της πρωτεΐνης πρέπει να εξασφαλισθεί γρήγορα είναι αυτονόητο ότι θα πρέπει να διαµορφώνεται υψηλή ταχύτητα σύνθεσης. Ηρύθµισηβέβαιατωνεπιπέδωντωνπρωτεϊνών επηρεάζεται άµεσα από την αποικοδόµηση της πρωτεΐνης. Αν και η αποικοδόµηση απαντά συχνά τουλάχιστον στα ευκαρυωτικά κύτταρα, δεν θα µελετηθεί ιδιαίτερα στα πλαίσια αυτού του µαθήµατος.

54 Ο µεταφραστικός έλεγχος ορίζεται ως η µεταβολή στην ταχύτητα (απόδοση) της µετάφρασηςενόςή περισσοτέρων mrnas. π.χ. οαριθµός των συµπληρωµένων πρωτεϊνικών προϊόντων ανά mrna στη µονάδα του χρόνου.

55 Είναι γενικά αποδεκτό ότι κατά τη διάρκεια της πρωτεϊνοσύνθεσης ο αριθµός των πρωτεϊνικών αλυσίδων που ξεκινούν είναι περίπου ίδιος µε τον αριθµό των πρωτεϊνικών αλυσίδων που συµπληρώνονται. Με άλλα λόγια, λίγες αρτιγενείς πολυπεπτιδικές αλυσίδες αποβάλλονται και πέφτουν από τα ριβοσώµατα ακόµα και όταν η επιµήκυνση ελαττώνεται. Έχει βεβαίως αναφερθεί ότι ένας αριθµός πολυπεπτιδικών αλυσίδων πτυχώνεται εσφαλµένα ή αποικοδοµείται κατά τη διάρκεια της πρωτεϊνοσύνθεσης και ασφαλώς αυτό µπορεί να οδηγήσει σε µια υποεκτίµηση των αριθµών των θέσεων έναρξης.

56 Παρά τις δυσκολίες που αναφέρθησαν είναι σκόπιµονα συµπεράνουµε ότι υπό συνθήκες δυναµικής ισορροπίας οαριθµός των πρωτεϊνικών προϊόντων που παράγεται είναι περίπου ίσος µε τοναριθµότωνθέσεωνέναρξης Αυτό µε αλλά λόγια σηµαίνει ότι η ταχύτητα της πρωτεϊνοσύνθεσης προσδιορίζεται από τον αριθµό των γεγονότων έναρξης στην µονάδα του χρόνου

57 Τι είναι όµως αυτό που προσδιορίζει τα γεγονότα έναρξης στην µονάδα του χρόνου Τέσσερις είναι οι κύριες παράµετροι που επηρεάζουν ή προσδιορίζουν την ταχύτητα µιας σφαιρικής πρωτεΐνης. Ποσότητα ή ριβοσωµάτων απόδοση του mrna,αφθονία, ενεργότητα της πρωτεινοσυνθετικής µηχανής, ταχύτητα επιµήκυνσης

58 Το επίπεδο του mrna στο κυτταρόπλασµα προσδιορίζεται από: Την ταχύτητα της µεταγραφής Την αναλογία των πρωτογενών µεταγράφων τα οποία µεταφέρονται στο κυτταρόπλασµαως ώριµο mrna Την ταχύτητα αποικοδόµησης των ώριµων mrna στο κυτταρόπλασµα

59 Σε κύτταρα θηλαστικών που συνθέτουν έντονα πρωτεΐνες. Το mrna συχνά βρίσκεται όλο στα πολυσώµατα (όπως έχει δειχθεί π.χ. για την περίπτωση της ακτίνης από τους Endo και Nadal) Στην περίπτωση αυτή η σύνθεση της συγκεκριµένης πρωτεΐνης περιορίζεται από το mrna Συχνά όµως εµφανίζεται το ολικό mrna στο κυτταρόπλασµα να βρίσκεται σε περίσσεια. Έχει υπολογισθεί σε καλλιέργειες κυττάρων ότι περίπου το 30% του mrna βρίσκεται υπό την µορφή mrnp σωµατιδίων. Κατά συνέπεια το επίπεδο του mrna δεν φαίνεται να είναι ο περιοριστικός παράγοντας για τη δηµιουργία γεγονότων έναρξης στο κύτταρο