ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΩΝ 23-24, 18/4/2016 Π.Παπαζαφείρη Βασικοί μηχανισμοί προσαρμογής Προσαρμογή σε μοριακό και γονιδιακό επίπεδο Επίπεδα ελέγχου 1. Πρωτεïνική δράση 2. Πρωτεïνοσύνθεση 3. Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης 4. Επεξεργασία σήματος
Προσαρμογή σε μοριακό και γονιδιακό επίπεδο Το DNA αποθηκεύει τις πληροφορίες που αφορούν στην οργάνωση και ολοκλήρωση του κυττάρου Το RNA μεταφέρει την πληροφορία στο κυτταρόπλασμα και συμμετέχει στην κυτταρική ρύθμιση αλλά η σημαντικότερη λειτουργία του είναι η σύνθεση των πρωτεïνών Οι πρωτεΐνες είναι βασικοί παράγοντες όλων των κυτταρικών λειτουργιών (μοριακή αναγνώριση, μεταφορά, ολοκλήρωση σημάτων, ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης...) Προσαρμογή συμβαίνει όταν μια αλλαγή σε επίπεδο DNA εκφράζεται - μέσω πρωτεïνικής μεταβολής- σαν ένα ωφέλιμο χαρακτηριστικό σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Η αλλαγή επικρατεί τελικά κατά την επιλογή με διασπορά μέσα στον πληθυσμό. Έτσι, κάθε τι που ρυθμίζει τις πρωτεΐνες ευθύνεται και για τη προσαρμογή Στόχος: Κατανόηση της προσαρμογής σε μοριακό επίπεδο
Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης Μια σχετικά μικρή αλλαγή στη συγκέντρωση του προσδέτη μπορεί να μετατρέψει μια πρωτεΐνη από ανενεργή σε πλήρως ενεργή και αντίστροφα
Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης 1. Αλλοστερική επίδραση από προσδέτες Οι πρωτεΐνες, στα μόρια των οποίων διαμορφωτικές αλλαγές μπορούν να επηρεάσουν δύο διακριτές θέσεις δέσμευσης, φαίνεται ότι επιλέγονται κατά την εξέλιξη επειδή επιτρέπουν στο κύτταρο να συνδέονται με δύο διαφορετικά μόρια. Τελικά οι πρωτεΐνες που ρυθμίζονται αλλοστερικά είναι πολύ διαδεδομένες 2. Ανάδραση συνεργατική συναγωνιστική
Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης Επίδραση δέσμευσης ανασταλτικού προσδέτη στην ενζυμική δραστικότητα μονομερών ή πολυμερών αλλοστερικών ενζύμων. Με μια μόνο υπομονάδα, οι επιδράσεις είναι σχετικά αργές και απαιτούνται υψηλές συγκεντρώσεις για αναστολή 90% ενώ για ένα τετραμερές, η αναστολή είναι πολύ πιο γρήγορη
Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης Κινάσες/φωσφατάσες: αυτά τα δύο είδη ενζύμων είναι οι κύριοι ρυθμιστές της λειτουργίας και της φυσιολογίας του κυττάρου (ένας από τους πιο κοινούς τύπους αλλοστερικής ρύθμισης) Υπάρχουν δύο ομάδες κινασών: η μια μεταφέρει μια φωσφορική ομάδα ΑΤΡ στην υδροξυλομάδα σερίνης ή θρεονίνης σε πλευρική ομάδα μιας πρωτεΐνης ενώ η άλλη μεταφέρει την φωσφορική ομάδα σε μια τυροσίνη πλευρικής αλυσίδας. Αυτές οι αντιδράσεις δεν είναι αντιστρεπτές εξαιτίας της υψηλής χημικής ενέργειας που αποδεσμεύεται όταν το ΑΤΡ μετατρέπεται σε ADP, μπορούν όμως να γίνουν αντιστρεπτές παρουσία μιας πρωτεïνικής φωσφατάσης. Οι κινάσες λειτουργούν σε ομάδες φωσφορυλιώνοντας η μια την άλλη σε ολοκληρωμένα συστήματα-καταρράκτες όπου μερικά στάδια ενισχύουν την προηγούμενη επίδραση
Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης Ενεργοποίηση G πρωτεïνών Απλές GTP-συζευγμένες πρωτεΐνες έχουν συγκροτηθεί κατά την εξέλιξη σε μεγαλομόρια που αποτελούνται από πολλές υπομονάδες (πρωτεΐνες G) Κάθε στάδιο ενεργοποίησης μπορεί να λειτουργεί και σαν διακόπτης που μπορεί να συνδυάσει δύο ή περισσότερα σήματα Η ικανότητα των κυττάρων για φωσφορυλιώσεις με κατανάλωση της ενέργειας των τριφωσφορικών νουκλεοτιδίων προκειμένου να προκαλούν αλλοστερικές μεταβολές σε πρωτεΐνες είναι σημαντική σε όλες τις εξελικτικές διαδικασίες (πχ. αντλίες)
Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης Πρότυπο μιας αλλοστερικής κινητικής πρωτεΐνης. Η πρωτεΐνη μπορεί να πάρει τρία πιθανά σχήματα (1,2 και 3). Η πρόσδεση του ΑΤΡ προκαλεί την αλλαγή 1 2 και η υδρόλυση του ΑΤΡ την αλλαγή 2 3. Η απελευθέρωση του φωσφορικού και του ADP προκαλεί την τελική αλλαγή 3 1 ολοκληρώνοντας τον κύκλο. Η αντίστροφη μετατόπιση φυσιολογικά αποκλείεται επειδή η διάσπαση του ΑΤΡ είναι ενεργειακά μη αντιστρεπτή. Έτσι, η πρωτεΐνη κινείται προς μια κατεύθυνση κατά μήκος του υποστρώματος.
Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης Μικρές αλλαγές στη δομή των πρωτεïνών (που προέρχονται από μικρές αλλαγές σε ένα απλό αμινοξύ-κλειδί της πεπτιδικής αλυσίδας) μπορούν να προκαλέσουν τεράστιες επιδράσεις σε επίπεδο λειτουργίας Πολλές από τις λειτουργίες των κυττάρων είναι τόσο στενά συνδεδεμένες μεταξύ τους ώστε πρέπει να υπάρχει ισχυρή σταθεροποιητική επιλογή για να εμποδίζονται οι μεταβολές
Έλεγχος της πρωτεïνοσύνθεσης Μικρές μόνο περιοχές του DNA μεταγράφονται και μερικά μόνο τμήματα RNA μεταφράζονται Μια πρωτεΐνη είναι λειτουργική μόνο όταν έχει «σωστή διαμόρφωση» που καθορίζεται από τις πλευρικές ομάδες των αμινοξέων και ελέγχεται από τις πρωτεΐνες συνοδούς α-έλικα μοτίβα επικράτειες β-φύλλο Ο αριθμός των πιθανών πρωτεϊνών είναι τεράστιος (20 η ) αλλά στη φύση υπάρχει πολύ μικρός αριθμός πιθανών συνδυασμών μάλλον επειδή πολύ λίγοι έχουν σταθερή δομή Οι πρωτεΐνες που έχουν επιλεγεί είναι εκείνες που διπλώνονται αξιόπιστα και συνεχώς σε σταθερές μορφές ενώ μικρές αλλαγές στη διαμόρφωση επιτρέπονται με ελεγχόμενο τρόπο για να εξασφαλίσουν ειδικές δομικές ή καταλυτικές λειτουργίες
Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης
Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης Συστατικά της γονιδιακής ρύθμισης Υποκινητής: ασθενής ισχυρός (χειριστής) μια ομάδα γονιδίων που σχετίζεται με μια ειδική μεταβολική οδό ή μορφολογική αλλαγή, μπορεί να ελέγχεται σαν μια μονάδα Πρωτεΐνες γονιδιακής ρύθμισης που συνδέονται σε ειδικές περιοχές κοντά στην αλληλουχία του γονιδίου που μεταγράφονται εξασφαλίζουν την ενεργοποίηση των γονιδίων στο σωστό χρόνο Γενικούς μεταγραφικούς παράγοντες Μεταγραφικούς ενεργοποιητές Μεταγραφικούς καταστολείς Ενισχυτές Μεθυλίωση, συμπύκνωση χρωματίνης, ομοιωτικά κουτιά...
Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης Ο υποκινητής βρίσκεται σχετικά κοντά στο γονίδιο μαζί με την RNA πολυμεράση και γενικούς μεταγραφικούς παράγοντες. Η περιοχή του υποκινητή περιέχει πάντα μια μικρή έκταση επαναλαμβανόμενων ΤΑΤΑ που αναγνωρίζονται από έναν μεταγραφικό παράγοντα κλειδί. Πιο μακρυά υπάρχουν περιοχές που αναγνωρίζονται από πρωτεΐνες γονιδιακής ρύθμισης που λειτουργούν σαν συμπλέγματα.
Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης Το σημαντικό στοιχείο της γονιδιακής ρύθμισης από πρωτεΐνες είναι ότι η έλικα του DNA μπορεί να «αναγνωριστεί» από την εξωτερική της πλευρά χωρίς δηλαδή τη διάσπαση των δυο αλυσίδων Τελικά, ειδικές ακολουθίες νουκλεοτιδίων διαβάζονται από ειδικά μοτίβα των ρυθμιστικών παραγόντων: Έλικα-στροφή-έλικα Δάκτυλος ψευδαργύρου Φερμουάρ λευκίνης Το ταίριασμα της έλικας του DNA και της ρυθμιστικής πρωτεΐνης είναι τόσο ακριβές, ώστε να μπορούν να αναπτυχθούν μέχρι και 20 διαφορετικά είδη δεσμών μεταξύ αυτών των δυο μορίων
Πρωτεïνική σύνθεση και μορφολογία το σύμπλεγμα που ελέγχει τη μεταγραφή μπορεί να είναι ιδιαίτερα πολύπλοκο και να καταλαμβάνει μέχρι και 40.000-50.000 ζεύγη βάσεων Μια ρυθμιστική πρωτεΐνη μπορεί να δρα σαν ενεργοποιητής σε ένα σύμπλοκο και σαν καταστολέας σε ένα άλλο Η ανόμοια κατανομή των μεταγραφικών παραγόντων κατά μήκος ενός εμβρύου, καθορίζει τη χωροθέτηση της πληροφορίας έτσι ώστε τα χρωμοσώματα των κυττάρων ή των πυρήνων να εκτίθενται σε διαφορετικό ρυθμιστικό περιβάλλον Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης μπορεί να μεταβιβάζεται από κύτταρο σε κύτταρο και στο χώρο και στο χρόνο (κυτταρική μνήμη) Προσαρμοστική αλλαγή: μέσω μεταλλάξεων στα γονίδια που κωδικοποιούν για αυτούς τους παράγοντες ή μέσω επαναδιευθέτησης των ρυθμιστικών κέντρων, δημιουργώντας έτσι ένα νέο κύκλωμα και τροποποιώντας τους υπάρχοντες ελέγχους.
Βασικοί μηχανισμοί προσαρμογής ρύθμιση μέσω συστημάτων επεξεργασίας νουκλεïνικών οξέων Η ποσότητα του DNA στο απλοειδές γονιδίωμα διαφόρων οργανισμών δεν έχει ιδιαίτερη σχέση με τη πολυπλοκότητα του οργανισμού
Οργάνωση γονιδίων Δυνατότητα : 3 εκατομμύρια πρωτεΐνες Πραγματικότητα : 60.000 Δορυφορικό, εσώνια, μεταθετά στοιχεία
Επιδιόρθωση του DNA Θερμική διάσπαση πουρινών Απαμίνωση κυτοσίνης Υπεριώδης ακτινοβολία Ελεύθερες ρίζες οξυγόνου >99.9% επιδιορθώνονται (σταθεροποιητική επιλογή) π.χ. μόνο 1 στα 200 νουκλεοτίδια μεταλλάσσεται τυχαία κάθε 1000 χρόνια
ανασυνδυασμός Παρέχει τη δυνατότητα τεμαχισμού και επανασύνδεσης Σε μεγαλύτερη έκταση, ο επιχιασμός, δηλαδή ο γενικός ανασυνδυασμός που συμβαίνει μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων γιατί προκαλεί ριζικές μεταβολές στα γονίδια με διπλασιασμούς, μεταθέσεις και απαλείψεις.
Δομή - λειτουργία Το DNA έχει περιορισμένη δομική ποικιλομορφία και γραμμική μορφή, αλλά οι πρωτεΐνες που προκύπτουν έχουν τεράστια ποικιλομορφία παρότι αποτελούνται από αλυσίδες 20 μόνο διαφορετικών αμινοξέων κάθε μια από τις οποίες έχει χαρακτηριστική τρισδιάστατη δομή και συνεπώς τη δική της βιοχημική ταυτότητα. Αλλαγές του DNA που επηρεάζουν σημαντικά τη δομή των πρωτεïνών μπορεί να είναι σημειακές μεταλλάξεις, ελλείψεις ή διπλασιασμοί. Η σημαντικότερη αλλαγή είναι όμως ο ανασυνδυασμός
Εξέλιξη των πρωτεïνών Διπλασιασμός (από ανασυνδυασμό): πολλαπλά διαθέσιμα αντίγραφα γονιδιακές οικογένειες Συρραφή (εναλλακτική) Ενσωμάτωση εσωνίων :νέες πρωτεΐνες με νέες λειτουργίες από τμήματα προϋπαρχουσών Μεταθετά στοιχεία συνδετικός κρίκος μεταξύ περιβάλλοντος και προσαρμογής Ανασυνδυασμός, σύνδεση ακολουθιών που κωδικοποιούν για σταθερές επικράτειες Μετα-μεταφραστική σύνδεση, σύμπλοκα, πολυμερή Πολλαπλές εσωτερικά επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες Πολύ μικρή πιθανότητα δημιουργίας μιας νέας πρωτείνης : μεταλλαγές παλιών Ισομορφές ισοένζυμα - αλλοένζυμα Η εξέλιξη των πρωτεϊνών στηρίζεται σε ένα σύστημα «δοκιμής-λάθους»
Φυσιολογική ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης Τα σήματα που λαμβάνονται στην επιφάνεια πρέπει να προωθηθούν στο εσωτερικό του κυττάρου και συχνά προς το πυρήνα έτσι ώστε να επηρεαστεί η έκφραση γονιδίων. Υποδοχείς: ενδοκυτταρικοί συζευγμένοι με ένζυμα συζευγμένοι με διαύλους ιόντων Συζευγμένοι με G-πρωτεΐνη
Φυσιολογική ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης
Ρυθμιστικά σήματα Εξωκυτταρικά σήματα: αυξητικοί παράγοντες, ορμόνες, νευροδιαβιβαστές Η τεράστια ενίσχυση του αρχικού σήματος και η συνεργασία ποικιλίας ενζυμικών ακολουθιών που παράγουν και καταναλώνουν ΑΤΡ, παρέχουν μια υπερβολικά πολύπλοκη αλλά οργανωμένη απόκριση στο εξωτερικό σήμα Πολλές φορές, η ενισχυμένη πολυπλοκότητα των ρυθμιστικών συστημάτων σε επίπεδο οργανισμού οφείλεται στη ρυθμικότητα μερικών πρωτεïνών
Περίληψη Η βιολογική προσαρμογή στηρίζεται στις πρωτεΐνες. Μικρές αλλαγές στη δομή των πρωτεïνών επηρεάζουν τα περισσότερα κυτταρικά γεγονότα όπως η πυροδότηση ή η λήξη μιας λειτουργίας, η κίνηση, ή η μετακίνηση άλλων μορίων. Αυτές οι επιδράσεις υφίστανται πολύπλοκες ρυθμίσεις και ενισχύσεις ώστε να προκύπτουν ελεγχόμενα αποτελέσματα σε επίπεδο οργανισμού. Οι μόνιμες αλλαγές στη δομή των πρωτεïνών, που προκαλούνται από μεταλλάξεις ή ανασυνδυασμούς στην αλληλουχία του DNA, μπορεί να επάγουν λεπτές μεταβολές στην ενζυμική δραστικότητα, τη σηματοδότηση και την υποκυτταρική μορφολογία και κυρίως να επιδράσουν στην έκφραση άλλων πρωτεïνών που με τη σειρά τους μπορεί να οδηγήσουν σε μόνιμες κληρονομικές μεταβολές κατά την ανάπτυξη των οργανισμών. Αλλαγές σε διάφορα επίπεδα: μορφολογικές, φυσιολογικές και σε επίπεδο συμπεριφοράς Είναι ο οργανισμός κάτι ανώτερο από το άθροισμα των μοριακών ή των γενετικών του τμημάτων;;;;;;;;;;;