DNA-replikation, genreglering och translation: Mekanismer i cellen

DNA-struktur och genetisk kod

1A En nukleotid i DNA består av en fosfatgrupp, deoxiribos och en kvävebas. De fyra kvävebaserna är adenin, tymin, cytosin och guanin.

1B Den genetiska koden är redundant, vilket gör att olika kodon kan koda för samma aminosyra. Detta beror på att 64 kodon finns men endast 20 aminosyror behövs.

1C DNA har två typer av klyftor: major groove och minor groove. I major groove exponeras fler funktionella grupper från baserna, vilket gör att transkriptionsfaktorer och regulatoriska proteiner lättare kan känna igen sekvensspecifika mönster. Därför sker mycket av genregleringen via major groove.

DNA-replikation

2A Helikas: Öppnar DNA-dubbelhelixen genom att bryta vätebindningarna mellan kvävebaserna.
DNA-polymeras: Syntetiserar den nya DNA-strängen genom att sätta in nukleotider i riktning 5’ till 3’.

2B DNA-polymeras kan bara lägga till nukleotider i 3’-änden, vilket gör att DNA alltid syntetiseras i 5’→3’-riktning.

Konsekvenser

• Den ena strängen kopieras kontinuerligt (leading strand).
• Den andra måste syntetiseras i Okazaki-fragment (lagging strand).

Eftersom lagging strand kräver flera start- och stoppunkter ökar möjligheterna för misstag, antalet RNA-primers och mutationsrisken, vilket leder till fler reparationstillfällen.

2C Substitution av en kvävebas leder inte alltid till ett aminosyrautbyte, eftersom olika kodon kan koda för samma aminosyra (den genetiska kodens redundans). Mutationer i det tredje kodonbasparet leder ofta till samma aminosyra. Aminosyror inom samma grupp kan dessutom ge liten funktionell skillnad även vid utbyte.

DNA och RNA – skillnader

Translation

3B mRNA binder till ribosomen och tRNA med rätt antikodon transporterar den aminosyra som behövs. Aminosyrorna binds samman med peptidbindningar och ribosomen rör sig tills ett stoppkodon avslutar processen. I cytoplasman sker detta på fria ribosomer, medan proteiner som ska utsöndras eller infogas i membran tillverkas på ribosomer bundna till ER.

3C mRNA kan blockeras av proteiner eller miRNA, vilket hindrar ribosomen från att starta translationen. Ett exempel är järnreglering via ferritin, där IRE-BP binder mRNA och stoppar translationen vid låga järnnivåer.

Transkriptionell kontra translationell reglering

Translationell reglering är effektiv vid snabba förändringar i cellens behov. Transkriptionell reglering används när cellen vill spara energi och långsiktigt minska produktionen.

Transposoner

4A Transposoner är DNA-sekvenser som kan flytta från en plats till en annan i genomet med stöd av enzymet transposas.

4B Transposoner kan bära på antibiotikaresistens och flyttas mellan plasmider och kromosomer. De sprids mellan bakterier via horisontell genöverföring, vilket ökar spridningen och utvecklingen av antibiotikaresistens.

Genreglering hos eukaryoter

4C Reglering av transkription hos eukaryoter sker genom att styra RNA-polymerasets startpunkt. Aktivatorer binder till enhancers och ökar transkriptionen, medan repressorer binder till silencers och minskar den. Kromatinstruktur och DNA-metylering påverkar också tillgängligheten för transkriptionsfaktorer och därmed transkriptionsstarten.

• Enhancers: DNA-sekvenser där aktivatorproteiner binder och ökar transkriptionen genom att rekrytera RNA-polymeras.
• Silencers: DNA-sekvenser där repressorer binder och minskar transkriptionen.

Kromatinomodellering

• Heterokromatin: tättpackad, leder till låg transkription.
• Eukromatin: öppet, hög transkription.

DNA-metylering tystar gener, medan histonacetylering aktiverar gener.

Genom hos däggdjur och bakterier

5A Däggdjur: stort antal introner, packat med histoner i kromatin, linjärt DNA.
Bakterier: cirkulärt DNA, ofta plasmider, saknar nukleosomer och histonkomplex.

Genomisk prägling

5B Genomisk prägling innebär att vissa gener endast uttrycks från antingen moderns eller faderns allel, medan den andra tystas via epigenetiska mekanismer.

Nedbrytning av proteiner via ubiquitin–proteasomsystemet

5C

1. Proteiner som ska brytas ner märks först med små ubiquitinmolekyler. Detta sker stegvis med hjälp av E1-, E2- och E3-enzymerna.
2. När proteinet har blivit polyubiquitinerat förs det till proteasomen.
3. Proteasomen bryter ned proteinet till kortare peptider.
4. Ubiquitinligas E3 avgör vilka proteiner som ska märkas, eftersom det står för systemets substratspecificitet.