שיעור 7 שיעתוק, תרגום ובקרת ביטוי גנים

מבוא: למה צריך RNA כמתווך?

סיבות לקיום ה-mRNA

1. שמירה על ה-DNA - ה-DNA הוא המידע החשוב ביותר בתא. כל שינוי בו עשוי להשפיע על התכונות שלנו ולגרום למחלות כמו סרטן. לכן:
   • ה-DNA נשמר בגרעין (כמו בכספת)
   • מוגן על ידי ממברנה
   • לא בא במגע ישיר עם אנזימים בציטופלזמה

2. יעילות - ה-DNA הוא רצף ארוך מאוד. במקום לחבר את כל הכרומוזום לריבוזום, שולחים מקטעים קצרים וברורים של RNA.

3. הגברת ייצור - ניתן לייצר עותקים רבים של mRNA מאותו גן, ובכך לייצר כמויות גדולות של חלבון במהירות.

תהליך השיעתוק (Transcription)

מושגי יסוד

• גדיל Antisense - הגדיל שמשמש כתבנית ליצירת ה-mRNA (בכיווניות הפוכה)
• גדיל Sense - הגדיל שלא משמש כתבנית, אך דומה מאוד לרצף ה-RNA עצמו
• הערה חשובה: הגדיל שמשמש כ-Antisense אינו קבוע - עבור כל גן יש את ה-Antisense הספציפי שלו

RNA פולימראז - “סופר-אנזים”

RNA פולימראז מבצע מספר פעולות:

1. פתיחה והפרדה בין גדילי ה-DNA (ללא צורך ב-Helicase)
2. חיבור נוקלאוטידים משלימים
3. אינו צריך פריימר להתחלת הסינתזה

מיקום השיעתוק

עיבוד ה-mRNA

יציבות ה-RNA

• RNA פחות יציב פי 100 מ-DNA בגלל:
  • חד-גדילי (לא דו-גדילי)
  • סוכר ריבוז (במקום דאוקסיריבוז)
  • בסיס U במקום T
• זמן מחצית חיים: דקות עד שעות (מקסימום יום-יומיים)
• יוצא דופן: mRNA בביציות - נשמר לאורך זמן רב

תוספות לקצוות ה-mRNA

Cap (קצה 5’)

• מולקולת GTP הקשורה הפוך לרצף
• אנזים: Guanyl Transferase
• תפקידים:
  • הגנה מפני אקסונוקלאזות
  • סימון כיווניות
  • זיהוי על ידי הריבוזום

זנב Poly-A (קצה 3’)

• רצף של כ-200 אדנינים (A)
• אנזים: Poly-A Polymerase
• ככל שהזנב ארוך יותר, ה-mRNA יציב יותר

שחבור (Splicing)

אקסונים ואינטרונים

• אקסונים - אזורים מקודדים (יישארו ב-mRNA הבשל)
• אינטרונים - אזורים לא מקודדים (נחתכים החוצה)

מאפייני רצף האינטרון

מנגנון השחבור - Spliceosome

• מורכב מ-snRNPs (Small Nuclear Ribonucleoproteins)
• יחידות: U1, U2, U4, U5, U6 (אין U3)
• התהליך דורש אנרגיה

הבדלים בין אורגניזמים

בפרוקריוטים אין אינטרונים כלל!

שחבור חליפי (Alternative Splicing)

• מאפשר יצירת חלבונים שונים מאותו גן
• לפעמים נחתכים אקסונים יחד עם האינטרונים
• יכול להיות ספציפי לרקמה

תרגום (Translation)

הקוד הגנטי

• 64 קומבינציות של קודונים (4³)
• 20 חומצות אמינו בלבד
• קודון התחלה: AUG (מתיונין)
• קודוני סיום: UGA, UAA, UAG

מיקום התרגום

• ריבוזומים על ה-ER - חלבונים ממברנליים או מופרשים
• ריבוזומים חופשיים - חלבונים ציטופלזמיים

tRNA

• נושא אנטי-קודון מצד אחד
• חומצת אמינו מצד שני
• מתווך בין שפת הנוקלאוטידים לשפת חומצות האמינו

בקרת ביטוי גנים

עקרון כללי

לא כל הגנים מתבטאים בכל תא:

• הבדלים בין סוגי תאים (עור vs. שריר)
• הבדלים לאורך החיים (תינוק vs. קשיש)
• הבדלים פיזיולוגיים (הריון vs. לא בהריון)

בקרה ברמת השיעתוק

1. פקטורי שיעתוק (Transcription Factors)

אזור הפרומוטור

• נמצא לפני הגן
• כולל TATA Box - רצף עשיר ב-T ו-A
• אתר קישור ל-RNA פולימראז

אזור ה-Enhancer

• רחוק יותר מהגן (upstream)
• יכול להשפיע דרך יצירת לולאה ב-DNA

סוגי פקטורים

• קיימים מעל 2,000 סוגים שונים של פקטורי שיעתוק
• כולם בעלי DNA Binding Domain

הבדלים בין פרוקריוטים לאאוקריוטים

2. אפיגנטיקה

מתילציה של DNA

• תוספת קבוצת מתיל ($\ce{CH3}$) לבסיסי $\ce{C}$ באזורי CpG
• אנזים: DNA Methyl Transferase
• מתילציה = עיכוב שיעתוק

מודיפיקציות של היסטונים

• מתילציה, אצטילציה, פוספורילציה
• משפיעות על צפיפות ה-DNA:
  • DNA פרוס = שיעתוק אפשרי
  • DNA מקובץ = שיעתוק מעוכב

תורשה אפיגנטית

• חלק מהמודיפיקציות עוברות לתאי בת
• חלק יכולות להשתנות בהשפעת סביבה (תזונה, פעילות גופנית, מחלות)

3. מיקרו-RNA (miRNA)

• רצפים קצרים של RNA (23-21 בסיסים)
• לא מקודדים לחלבון - פעילים כ-RNA
• תפקיד: עיכוב ביטוי של גנים אחרים

תהליך היווצרות miRNA

1. שיעתוק ← Pri-miRNA
2. חיתוך על ידי Drosha (בגרעין)
3. יציאה מהגרעין על ידי Exportin-5
4. חיתוך על ידי Dicer (בציטופלזמה)
5. התחברות לקומפלקס RISC עם חלבון Argonaute (AGO2)
6. קישור ל-mRNA מטרה ← עיכוב תרגום/פירוק

שימושים רפואיים

• השתקת גנים בסרטן
• כשליש מהגנים תחת בקרת miRNA

בקרה ברמת התרגום

גורמים משפיעים

• כמות ריבוזומים
• זמינות קודון ההתחלה
• יציבות ה-mRNA
• קצב התרגום

סוגי בקרה

• Enhancers - מעודדי תרגום
• Inhibitors - מעכבי תרגום

בקרה לאחר התרגום

1. קיפול חלבונים

• חלק מתקפל באופן טבעי (מבנה שניוני ושלישוני)
• חלק בעזרת Chaperones (חלבוני Heat Shock)
• Chaperones רגישים לחום (בעיה בחום גבוה)

2. מודיפיקציות פוסט-תרגומיות

• פוספורילציה - הוספת זרחן (על ידי קינאזות)
• גליקוזילציה - הוספת סוכר
• הוספת שומנים
• חיתוך פרוטאוליטי

יתרון המודיפיקציות - הפעלה מהירה

• חלבונים יכולים להיות קיימים בתא אך לא פעילים
• רק לאחר מודיפיקציה (למשל פוספורילציה) הם הופכים לפעילים
• יתרון: כאשר נדרשת הפעלה/כיבוי מהירים של חלבון (בפרקי זמן קצרים), אין צורך לחכות לשיעתוק ותרגום מחדש
• מספיק לבצע מודיפיקציה אחת כדי להפעיל או לכבות את החלבון
• מתאים לחלבונים שצריך “לשחק” איתם במינונים משתנים

מפלי איתות (Signal Cascades)

• לעיתים קרובות קישור ליגנד לרצפטור מפעיל מפל של אקטיבציות
• קינאזות - אנזימים שמעבירים זרחן לחלבונים אחרים
• חלבון אחד עובר אקטיבציה ← מפעיל חלבון שני ← מפעיל חלבון שלישי וכן הלאה

דוגמה: אינסולין

1. ייצור פרו-אינסולין בריבוזום
2. קיפול ב-ER
3. יצירת קשרי $\ce{S-S}$
4. מעבר לגולג’י
5. חיתוך על ידי פרוטאזות (אנזימים ספציפיים שחותכים חלבונים במקום מסוים)
6. ← אינסולין פעיל

משמעות: אינסולין הוא דוגמה לחלבון שגם אחרי השלמת שיעתוק ותרגום, הוא עדיין לא פעיל עד שעובר מודיפיקציות נוספות. זה מאפשר הזדמנויות נוספות לבקרה ולהפעלה רק כשבאמת יש צורך.

3. פירוק חלבונים - הפרוטאזום

• גילוי: פרופ’ אהרון צ’חנובר, אברהם הרשקו ופרופ’ עירווין רוז מקליפורניה (פרס נובל 2004)

מנגנון הפירוק

1. סימון החלבון בשרשרת יוביקויטין (3 מולקולות)
2. זיהוי על ידי הפרוטאזום
3. פירוק לפפטידים קצרים וחומצות אמינו בודדות
4. מיחזור הרכיבים לבניית חלבונים חדשים

• התהליך דורש אנרגיה (ATP)
• משמש גם להגנה מפני פתוגנים (מפרק גם חלבונים שהגיעו ממקור חיצוני)
• הפרוטאזום הוא “תחנת מיחזור” לחלבונים בתא

חלבונים המיועדים לפירוק

• חלבונים זקנים
• חלבונים פגומים/שרופים
• חלבונים שאינם נחוצים יותר לתא

חשיבות קצב הפירוק

• גם אם נוצר הרבה חלבון מהר, אם הוא מתפרק מהר מאוד - הוא לא יישאר פעיל לאורך זמן
• קצב הפירוק משפיע על רמת החלבון הפעיל בתא

סיכום רמות הבקרה

עיקרון מרכזי: בקרה ברמת השיעתוק היא הקריטית ביותר - אם לא צריך את החלבון, עדיף לא להתחיל את התהליך כלל. עם זאת, לאורך כל הדרך ואפילו אחרי שנוצר החלבון, אפשר עדיין לשחק עם הרמות שלו.

סיכום נושאי השיעור

• DNA, RNA וחלבונים
• מבנה הגן עם הפרומוטורים ואזורי הבקרה
• מנגנונים שונים של בקרה: מיקרו-RNA, אפיגנטיקה
• תרגום ומה קורה אחרי התרגום

הערה: נושאי miRNA ואפיגנטיקה הם נושאים גדולים שיילמדו בהמשך באופן מפורט יותר.