Expresia genică este mecanismul care reunește tot procesul care conduce la un produs funcțional al genei.
Transcriere este procedeul de obținere a unei catene ARN dintr - o catenă de ADN. Acest mecanism implică mai multe proteine, care vor deschide catenele ADN complementare. Odată ce acest lucru este făcut, ARN polimeraza sintetizează o catena de ARN complementară la catena de ADN șablon. Catenă de ARN sintetizată, poate extrage și lăsa catenele de ADN să se atașeze împreună prin proteine.
Cu toate acestea, catena de ARN obținută nu este matură, în măsura în care gena conține părți codificatoare, exonii, dar și părți necodificatoare, intronii. Acești introni nu sunt necesari pentru a obține un produs funcțional al genei. Prin urmare, acestea trebuie retrase. Acest proces, numit splicing, clivează ARN-ul astfel încât să îndepărteze intronii și să lipească exonii unul lângă altul. În acest fel, catena de ARN conține doar părțile codificatoare ale genei. Mai sunt încă doi pași pentru ca firul de ARN să se maturizeze.
ARN-ul este modificat mai întâi la capătul său 5 ', pentru a adăuga un capac de metilguanozină. Acest capac are mai multe roluri, dar trebuie amintit mai presus de toate că împiedică acțiunea ribonucleazei asupra acestuia, pe lângă facilitarea exportului său în citoplasmă și recrutarea ribozomilor.
Apoi, este modificat la capătul său 3 ', unde i se adaugă o coadă poli-A (adenină), astfel încât și ea să poată facilita exportul de ARN în afara nucleului.
Produsul final obținut după toate aceste operații este ARN messenger sau ARNm.
TraducereaOdată ce ARN-ul mesager este matur, acesta este exportat în afara nucleului pentru a recruta ribozomi și a se traduce.
Într-adevăr, există 4 tipuri de baze azotate: A, T (sau U în ARN), G și C. Prin urmare, nucleotidele sunt citite în grupuri de 3, codonii. Fiecare codon codifică un aminoacid sau face posibilă inițierea sau oprirea traducerii.
Odată ce ribozomul s-a așezat pe catena de ARNm, acesta va călători prin el până când va găsi primul codon AUG care permite începerea traducerii. Ribozomul va citi apoi fiecare codon, ceea ce va duce la producerea unui aminoacid. Acest lucru are ca rezultat producerea unui lanț de aminoacizi, cu alte cuvinte a unei proteine. Traducerea se termină atunci când ribozomul întâlnește un codon stop.
Deci, la sfârșitul acestui proces, obținem un produs funcțional al genei: o proteină.
Cascade de geneDupă cum tocmai am menționat, scopul traducerii este de a produce produsul final funcțional al unei gene. Acest produs, o proteină poate fi, în unele cazuri, un factor de transcripție utilizat pentru a transcrie o altă genă. Această genă, odată transcrisă, poate produce, de asemenea, același tip de produs pentru a merge și transcrie o altă genă și așa mai departe, până când transcrie o genă care va produce o proteină finală cu un alt scop. În acest caz, vorbim despre o cascadă de gene.
După cum am spus mai devreme, locusul unei gene nu se schimbă de la persoană la persoană. Cu toate acestea, la aceeași persoană, pot exista două versiuni diferite ale aceleiași gene pe același cromozom, cu alte cuvinte, o versiune diferită pe fiecare cromatidă. Se numește alelă . Prin urmare, alela este o versiune a genei și poate exista mai multe. Astfel, gena fiind o caracteristică ereditară, fiecare dintre părinți ne-a putut transmite alele diferite pentru aceeași genă - heterozigozitate sau aceeași alelă - homozigozitate.
Homozigozitatea și heterozigoției sunt două condiții care joacă un rol important în expresia genelor. De ce ? Pentru că există ceea ce se numește fenomenul dominanței alelelor.
Când un individ este heterozigot și, prin urmare, are două versiuni diferite ale aceleiași gene și se exprimă doar una dintre aceste alele, se spune că această alelă este dominantă. Invers, se spune că alela neexprimată este recesivă. Astfel, o alelă dominantă trebuie să fie prezentă doar într-o singură copie care să fie exprimată, în timp ce individul trebuie să fie homozigot pentru alela recesivă pentru ca aceasta să fie exprimată.
Cu toate acestea, există și alte concepte în afară de simpla dominanță.
Pentru restul conceptelor, traversăm doi părinți homozigoti, respectiv pentru alela dominantă care produce un fenotip specific și cealaltă pentru alela recesivă, producând un fenotip diferit.
Există ceea ce se numește dominație incompletă. În această situație, generația heterozigotă obținută din această încrucișare prezintă un fenotip intermediar. Nu este nici fenotipul dominant, nici fenotipul recesiv, ci mai degrabă un fenotip între ele.
Există, de asemenea, ceea ce se numește co-dominanță. În această situație, generația fiică rezultată exprimă ambele fenotipuri, mai degrabă decât un fenotip intermediar. Exemplul prin excelență este cel al grupei de sânge a unui individ. În acest caz există 3 alele: A, B și o. Alelele A și B sunt alele dominante, deoarece în cazul heterozigoților A / o sau B / o, se exprimă doar alela A sau B. Cu toate acestea, pentru heterozigoții A / B ambele alele vor fi exprimate, nu există nicio dominație asupra celeilalte.
În timpul traducerii, nucleotidele sunt citite în grupuri de trei, permițând sinteza unui aminoacid corespunzător. Cu toate acestea, este posibil ca firul șablon ADN să fie deteriorat înainte de transcriere. Există patru tipuri de mutații punctuale: tranziție, transversie, inserție și ștergere. Transversia și tranziția constă în înlocuirea unui nucleotid cu altul. Este posibil ca acest tip de mutație să nu schimbe nimic, cum ar fi un impact mare asupra corpului. Într-adevăr, codul genetic fiind redundant, există mai multe combinații posibile pentru același aminoacid. Astfel, mutația care a avut loc poate duce la sinteza aceluiași aminoacid inițial. Pe de altă parte, în caz contrar, aminoacidul sintetizat poate fi diferit, modificând astfel proteina produsă. Acesta este cazul, de exemplu, în cazul bolii falciforme. Lanțul alfa al hemoglobinei este normal, în timp ce lanțul beta este schimbat într-o poziție: aminoacidul valină este înlocuit cu glutamină. Rezultatul este că celulele roșii din sânge sunt deformate, luând o formă de seceră alungită, care poate duce la probleme vasculare grave.
În ceea ce privește inserțiile și delețiile, acestea sunt mutații care duc la schimbări grave în structura proteinei finale, deoarece cadrul de citire este complet deplasat.
Splicing alternativÎn timpul maturării ARNm, trecem prin etapa de îmbinare. În acest pas, odată ce intronii au fost scindați, exonii sunt lipiți împreună, dar ordinea lor poate fi modificată. Aceasta este denumită splicing alternativ. Datorită acestui fapt, o singură genă poate permite sinteza mai multor proteine diferite.
Heterotopie este o schimbare în locația de exprimare a unei gene. Într-adevăr, unele gene de dezvoltare sunt exprimate local, ducând la dezvoltarea diferitelor structuri. De exemplu, în Drosophila, găsim pe axa antero-posterioară, genele care duc la dezvoltarea capului, picioarelor, toracelui, aripilor etc. și în această ordine. În acest fel, schimbând poziția anumitor gene de dezvoltare, putem ajunge, de exemplu, cu picioare în loc de antene în Drosophila.
Heterotipia se referă la expresia a ceva diferit. Cel mai bun exemplu rămâne în continuare cel al anemiei cu celule secera, în care se produce un alt aminoacid, provocând deformarea celulelor.
În cele din urmă, heterocronia se referă la o schimbare în momentul exprimării unei gene. Prin urmare, o genă ar putea fi exprimată mai devreme, mai târziu, pentru o perioadă mai lungă sau mai scurtă. Acest fenomen duce la modificări directe asupra fenotipurilor individului. Putem lua de exemplu cazul omului. Acest lucru se datorează faptului că corpul uman se dezvoltă mai repede decât organele sale de reproducere, care este exemplul perfect al peramorfozei, care este o categorie de heterocronie.
Coopțiunea geneticăConceptul de coopțiune genetică este unul dintre fenomenele care oferă exemplul perfect pentru gene în evoluție și dezvoltare. Acest concept aduce ideea că o genă care are o funcție în dezvoltare, poate evolua și poate juca un rol nou în dezvoltare. De exemplu, gena Distal-less permite formarea unui organ de echilibrare a zborului în zbor, aripi în liliac, tentacule în caracatiță și brațe în steaua de mare. Opțiunea este, prin urmare, un fenomen care are un impact mare asupra dezvoltării și fenotipul final al unui individ, dar ar putea fi, de asemenea, una dintre numeroasele explicații pentru evoluția speciilor în timp.
Expresia unei gene nu depinde pur și simplu de secvența de nucleotide dintre codonul „start” și codonul „stop” al ARNm pe care îl traduce.
Într-adevăr, anumite alte secvențe, cum ar fi promotori și potențatori (potențatori) sunt esențiale pentru exprimarea corectă a genelor.
Promotorii sunt o secvență de nucleotide situate în jurul a zece sau o sută de nucleotide în amonte de codonul de pornire. La această secvență ribosomul se atașează pentru a iniția traducerea transcrierii. Pentru a fi tradus, un ARNm trebuie să aibă absolut o regiune promotor aproape în amonte de codonul de start.
Un amplificator este o secvență de nucleotide de care sunt atașați factorii de transcripție. Spre deosebire de promotori, ei nu sunt neapărat localizați chiar înainte de codonul de start. Într-adevăr, un amplificator poate fi de câteva sute de mii de baze în amonte de codonul de pornire, sau chiar complet în altă parte a secvenței ADN, dar adus împreună prin conformația 3D.
Există două tipuri de potențatori: activatori, atunci când stimulează exprimarea unei gene, sau represori (amortizor) atunci când acționează negativ asupra ei. Analizele genetice au arătat că la om există mai mulți potențatori decât genele. Deoarece un amplificator este responsabil pentru activarea sau suprimarea activității unei gene, această observație ridică problema cum funcționează acestea.
Trebuie remarcat faptul că, chiar dacă cercetările discutate în urma acestui articol se referă la experimente pe potențatori legați de gene de dezvoltare, fiecare genă are cel puțin un potențator.
Redundanța amplificatorilorUn studiu al dezvoltării membrelor la șoareci a estimat în medie trei potențatori per genă legați de dezvoltarea membrelor și opt potențatori per genă legați de recrutarea factorilor de transcripție legați de aceeași activitate. Răspunzând anumitor potențiatori responsabili pentru recrutarea factorilor de transcripție legați de dezvoltarea membrelor inactive în timpul dezvoltării embrionare (knock-out de CRISPR), studiul a stabilit că acestea funcționează redundant. Într-adevăr, prin dezactivarea amplificatorilor unul câte unul și observarea dezvoltării membrelor șoarecilor, niciunul nu a avut o dezvoltare anormală. Astfel, s-a ajuns la concluzia că dezactivarea unui amplificator nu împiedică exprimarea normală a unei gene și, prin urmare, că un alt amplificator este capabil să își asume același rol.
Cu toate acestea, prin eliminarea mai multor potențatori a căror activitate permite exprimarea aceleiași gene, studiul constată că, de data aceasta, dezvoltarea membrelor este afectată. Prin urmare, se pare că amplificatorii sunt redundanți într-o anumită măsură, deoarece eliminarea numai a unuia nu împiedică dezvoltarea, dar eliminarea ambelor poate provoca anomalii ale dezvoltării. În cazul unei mutații care afectează un amplificator, redundanța asigură funcția amplificatorului afectat.
Amelioratori puternici și slabiÎn ciuda activității redundante a amplificatorilor, nu toată lumea funcționează cu aceeași forță. Într-adevăr, printre mai mulți potențiatori care au aceeași țintă, se spune că unii sunt puternici, iar alții slabi. Distingem categoria amplificatorilor de cele mai multe ori prin distanța sa de promotor: puternic (numit și primar) dacă cele două sunt apropiate, slabe (numite și umbră) dacă distanța este mai mare. Folosind cromozomi bacterieni artificiali, un studiu realizat pe embrioni de șoarece a încercat să caracterizeze modul în care funcționează aceste două categorii. S-ar părea că vrăjitorii puternici intră în contact cu promotorul mai frecvent și astfel concurează adesea între ei. Astfel, cu doi potențatori puternici, cantitatea de factori de transcripție pentru care activitatea lor este comună este mai mică decât dacă unul dintre ei este dezactivat. Cu toate acestea, potențialii slabi, în general situați puțin mai departe de promotor și, prin urmare, mai rar în contact cu acesta, acționează aditiv; adică prezența mai multor potențatori slabi cu activitate redundantă mărește concentrația factorilor de transcripție asociați cu aceștia.
Puterea unui amplificator nu depinde doar de distanța sa de promotor, ci și de poziția sa în corp. Într-adevăr, același studiu a constatat că puterea unui amplificator se poate schimba în funcție de cantitatea unui factor de transcripție în proximitatea sa. Astfel, același amplificator poate fi puternic în poziția anterioară a embrionului și slab în poziția posterioară datorită concentrației unui anumit factor de transcripție. De exemplu, un amplificator al genei „cocoșat” (responsabil pentru segmentarea în Drosophila) este puternic sau slab în funcție de concentrația factorului de transcripție bicoidă.
Redundanța și diferența de forță a amplificatorilor sunt esențiale pentru funcționarea lor atunci când se confruntă cu stres și le permite să continue să își îndeplinească funcția de dezvoltare. Într-adevăr, o echipă de cercetători s-au confruntat cu embrioni Drosophila la temperaturi extreme și au observat dezvoltarea trichomilor în stadiul larvelor. Observațiile au fost făcute pe embrioni normali sau cu intensificatorul slab al genei shavenbaby (responsabil pentru apariția tricomilor pe larvă) dezactivat prin knock-out și în condiții de temperaturi ideale pentru creștere sau extreme. Se constată că absența acestui amplificator nu are impact în condiții optime. Cu toate acestea, atunci când embrionul se dezvoltă în condiții extreme, este nevoie de un potențiator slab. Astfel, atunci când sunt prezenți, tricomii se dezvoltă normal pe larvă. Pe de altă parte, în absența sa, există o pierdere a trichomilor, efect care poate fi inversat prin reimplantarea transgenică a acestui amplificator. S-a ajuns la concluzia că, într-o situație de stres, atunci când potențatorul puternic nu își mai poate îndeplini sarcina corect, potențatorul slab este recrutat și permite dezvoltarea normală a larvei Drosophila.