Genetika
3.4 Regulace genové exprese
Přítomnost genu na DNA ještě automaticky neznamená, že se jeho informace v organismu projeví, cizím slovem exprimuje. Některé geny jsou aktivní nepřetržitě, jejich transkripce do RNA a následná translace do pořadí aminokyselin probíhá nezávisle na prostředí a stavu buňky. Takové geny se nazývají konstitutivní. Většinou se jedná o geny, které zajišťují základní stavební a strukturní složky buňky. Ty musí být během jejího života neustále doplňovány a obměňováno. Třeba si uvědomit, že každá bílkovina má svůj biologický poločas. Je to průměrný časový úsek, po kterém je už opotřebovaná a je třeba ji nahradit. Proto se genem uvedeného typu říká i housekeeping genes (geny "udržující chod buňky").
Značná část genů se u člověka aktivuje pouze v přesně definovaném úseku jeho života nebo za specifických metabolických podmínek. Tyto geny jsou regulovatelné a jejich projev (exprese) závisí na tom, zda v buňce existuje "poptávka" po produktu, který kódují. Regulace těchto genů se děje na všech úrovních: během transkripce, po transkripci, během translace i po ní.
Samotná transkripce je výrazně ovlivňována regulačními proteiny a transkipčními faktory, které jsou schopny vázat se na specifické sekvence nukleotidů v rámci genu i mimo něj a tím regulovat jeho aktivitu. Pokud vazba regulačního proteinu na sekvenci DNA zesiluje transkripci, nazývá se taková sekvence jako zesilovač transkripce (angl. enhancer). Naopak, jiné proteiny, zvané represory mohou svou vazbou na zeslabovač transkripce (angl. silencer) aktivitu genu snižovat.
Regulace genů v lidském organismu je vícestupňová. Nejdříve se regulační molekuly (např. hormony) vážou na specifický membránový receptor buňky. Následně se aktivuje enzym adenylátcykláza, která katalyzuje přeměnu adenosintrifosfátu (ATP) na cyklický adenosinmonofosfát (cAMP). Ten spouští aktivitu specifických enzymů - proteinkináz. Ty fosforylují efektorové proteiny s regulační funkcí. Kromě cAMP organismus používá i molekuly cGMP a ionty Ca2+.
Ani role RNA není v regulaci exprese genů zanedbatelná. Existuje děj zvaný RNA interference (RNAi). Podílejí se na ní dva typy malých molekul RNA, které se označují jako siRNA (ang. small interfering RNA, malé interferující RNA) a miRNA (micro RNA). Oba typy se mohou vázat na různé komplementární sekvence RNA a vytvořit tak dvouřetězcovou formu. Ta je rozpoznána proteinem zvaným Dicer. Ten s pomocí vazby na proteinový komplex RISC (angl. RNA induced silencing complex) dvouřetězcovou RNA rozkládá. Kromě regulace genové exprese má RNAi důležitou roli v ochraně před patogeny (viry).
Vzhledem k tomu, že prokaryotní organismy (bakterie) hrají významnou roli v životě člověka a jeho zdraví, musíme se okrajově zmínit i o regulaci genové exprese u nich. Poprvé ji komplexně popsali Francois Jacob a Jacques Monod v roce 1961 a nazývá se jako operonový model.
Operon je úsek DNA, který nese několik genů, zahrnutých v metabolizaci jediného substrátu. Např. střevní bakterie člověka Escherichia Coli obsahuje operon tvořený geny pro enzymy beta-galaktosidázu beta-galaktozidpermeázu a beta-thiogalaktozidacetyltransferázu. Účastní se metabolizace laktózy. Transkripce všech tří genů začíná od jediného promotoru na začátku. Před promotorem je místo na DNA, na které se váže protein CAP (katabolický aktivační protein) aktivován vazbou s cAMP. Mezi promotorem a geny se kromě toho nachází sekvence nukleotidů, která se nazývá operátor. Na operátor se může vázat regulační protein a řídit přepis všech genů. Řízení operonu závisí od toho, zda se bakterie nachází v prostředí s laktózou, glukózou nebo oběma substráty.
Pokud v prostředí bakterie není laktóza, na operátor laktózového operonu se váže protein nazývaný represor. Represor brání enzymu RNA-polymeráze v transkripci genů, které metabolizují laktózu. Proto se v buňce bakterie nachází pouze několik málo molekul enzymu beta-galaktozidázy. V případě, že se v prostředí bakterie laktóza objeví (např. po požití člověkem), enzym beta-galaktorzdáza ji přemění na allolaktózu, která se váže na represor. Ten se inaktivuje a uvolní na DNA místo pro RNA-polymerázu. Následně může začít transkripce genů, podmíněna zvýšenou potřebou jejich produktů - enzymů na zpracování laktózy. Tento případ regulace se nazývá enzymová indukce.
Katabolická represe je děj, při kterém se v prostředí bakterie (v jejím substrátu) nacházejí laktóza i glukóza. Glukóza svými metabolity inhibuje tvorbu cAMP a tím i aktivaci proteinu CAP, který napomáhá vazbě RNA-polymerázy na promotor laktózového operonu. Geny laktózového metabolismu se nepřepisují, přednost má zpracování glukózy.
Enzymová represe je jev, kdy konečný metabolit biosyntetické dráhy (např. aminokyselina) působí jako tzv. korepresor. Váže se na neaktivní molekulu represoru, který se tak aktivuje a následně dokáže vázat na DNA. Tím se zastaví transkripce genů pro enzymy, potřebné pro syntézu dané aminokyseliny.
Kromě výše uvedených způsobů jsou bakterie schopné regulovat geny s pomocí tzv. antimediátorové RNA. Její sekvence je komplementární k mRNA, proto se na ni váže. Tím inaktivuje její translaci, protože ta u prokaryot následuje hned po transkripci a nepotřebuje zpracování RNA, jako je tomu u člověka.