transkrypcja genów jądrowych u roślin i jej regulacja
Post on 02-Jan-2016
30 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Transkrypcja genów jądrowych u roślin i jej regulacja
Maszyneria transkrypcyjna - prokarionty
• Mechanizmy regulacji ekspresji genów różnią się zasadniczo u eukariontów i prokariontów.
• U prokariontów stan podstawowy dla transkrypcji jest nierestrykcyjny (brak ograniczenia dostępności do DNA dla kompleksu RNA polimerazy). Negatywna regulacja jest rzadka i zależy od represorów specyficznych dla konkretnych sekwencji.
• U prokariontów sieć regulatorowa genów ma niską złożoność. Pojedynczy TF reguluje średnio 3 geny, a pojedynczy gen jest pod kontrolą średnio dwóch TF. Wiele promotorów regulowanych jest przez pojedynczy regulator. Regulatory te rzadko regulują transkrypcję innych TF.
• U prokariontów, wiążące się z DNA, specyficzne sekwencyjnie TF na ogół rozpoznają długie sekwencje (>12 par zasad).
Maszyneria transkrypcyjna - eukarionty
• U eukariontów stan podstawowy dla transkrypcji jest restrykcyjny, co wynika z upakowania DNA w chromatynę, która uniemożliwia rozpoznawania standardowych promotorów przez podstawową maszynerie transkrypcyjną.
• Wpływ struktury chromatynowej promotora na jego dostępność czyni niezbędnym udział w regulacji transkrypcji czynników modyfikujących chromatynę. Określa to w zasadniczy sposób model regulacji transkrypcji u eukariontów. W systemie regulacji uczestniczą nie tylko składniki podstawowej maszynerii transkrypcyjnej i wielka liczba TF wiążących się ze specyficznymi sekwencjami DNA, ale także bardzo liczne i rozmaite białka związane z chromatyną.
• U eukariontów regulatory transkrypcji działają według logiki kombinatorycznej, co skutecznie zwiększa liczbę i różnorodność aktywności regulatorowych i prowadzi do dużej złożoności sieci regulacyjnych. Sekwencje rozpoznawane przez eukariotyczne TF mają długość 5-10 par zasad.
Polimerazy RNA u eu- i prokariontów
• Pro: podjednostki 2Xalfa, β, β’, ω (omega)
(Holoenzym ca. 500 000 D)
• Eu: 12 podjednostek
(Holoenzym ca. 550 000 D)
Promotor prokariotyczny
• Obejmuje dwie podstawowe sekwencje zaangażowane w kontrolę transkrypcji: TATAAT (-10 pz) i TTGACA (-35 pz)
Inicjacja transkrypcji u prokariontów
• Polimeraza RNA wiąże się do DNA i przesuwa się po nim aż do odnalezienia promotora
• Podjednostka sigma rozpoznaje sekwencję -35 pz i powoduje ścisłe związanie polimerazy.
• Na obszarze -10 pz następuje rozplatanie podwójnej helisy DNA
Inicjacja i elongacja transkrypcji u prokariontów
• Podjednostka sigma odłącza się od czterech pozostałych podjednostek polimerazy.
• Polimeraza kontynuuje transkrypcję
System regulacji operonowej u bakterii
Represor lambda (helix-turn-helix)
Elementy regulatorowe genów eukariotycznych
Białka związane z transkrypcją u eukariontów należą do 4 zróżnicowanych funkcjonalnie grup
• 1. Podstawowy aparat transkrypcyjny i związane z nim ogólne czynniki transkrypcyjne (GTF - General Transcription Factors)
• 2. Specyficzne w stosunku do sekwencji, wiążące się z DNA czynniki transkrypcyjne (TF).
• 3. Duże wielo-podjednostkowe kompleksy koaktywatorów i innych kofaktorów.
• 4.Białka związane z chromatyną
Podstawowy aparat transkrypcyjny i związane z nim ogólne czynniki transkrypcyjne (GTF - General Transcription Factors)
• Pol II - podjednostkowy holoenzym, wymaga dodatkowych czynników (TFII: A, B, D, E, F, H) dla rozpoznania promotora i inicjacji.
• TFIIB – umiejscawia Pol II na promotorze
• TFIIH – rozplata DNA• TFIID – podjednostkowy
kompleks odpowiedzialny za ogólne rozpoznanie promotora (zawiera TBP i TAFs (TBP-Assiociated Factors – odpowiedzialne za specyficzność i różnorodność odpowiedzi transkrypcyjnych)
Funkcja TBP-Associated Factors (TAFs)
Duże wielo-podjednostkowe kompleksy koaktywatorów i innych kofaktorów.
Białka z AT-hook, zdolne do zginania DNA
Specyficzne w stosunku do sekwencji, wiążące się z DNA czynniki transkrypcyjne (TF).
Specyficzne w stosunku do sekwencji, wiążące się z DNA czynniki transkrypcyjne (TF) - 2
Czynnik transkrypcyjny AP-1 (Leu-Zip)
Czynnik transkrypcyjny Sp1
Funkcja enhancerów
Izolatory rozgraniczają domeny kontrolowane przez różne promotory
Meyerowitz 2002
Rodziny czynników transkrypcyjnych w Arabidopsis
Rodziny Homeobox (HB) i Zinc-Finger-Homeobox (ZF-HB) w Arabidopsis
• Rodzina Homeobox w Arabidopsis zawiera klasy z różnymi kombinacjami domen białkowych, różnice wynikają też z fiologenezy domeny HB.
• Specyficzny układ domen (leucine zipper, PHD finger, STAR) wynika z ich mieszania charakterystycznego dla roślin, nie występuje w innych królestwach (Drosophila, C. elegans, drożdże).
• Białka ZF-HB mają specyficzny tylko dla roślin motyw koordynujący cynk.
Porównanie rodzin czynników transkrypcyjnych u eukariontów
Zawartość i rozkład rodzin czynników transkrypcyjnych u eukariontów
Rodzina czynników transkrypcyjnych: AP2/EREBP i profile ekspresyjne z mikromacierzy dla różnych części i organów. Wzrost transkrypcji: czerwone – ponad 8-krotny, różowe - 2- do 8-krotny; żółte - ±2-krotny; Spadek transkrypcji: zielone ponad 2-krotny. Brak transkrypcji – szare.
Chromatyna w regulacji transkrypcji
Chromatin regulators act as common modifiers of diverse signaling pathways
• Systematic mapping of genetic interactions in C. elegans identified six ‘hub’ genes that enhance the phenotypic consequences of mutations in many different pathways.
• All six hub genes encode components of chromatin modifying complexes.
• Chromatin modifiers may function as genetic buffers (similar to hsp90) preventing cumulation of effects of mutations in multiple functionally unrelated genes and in many otherwise unlinked pathways.
Interaction network for EGF signaling. Lehner et al. Nature Genet. (2006)
Lokalizacja ogonów histonowych w nukleosomie
H2A
H2B
H3
H4H4
H3
H2A
H2B
Acetylacja lizyny
Modyfikacje histonów
ARTKQTARKSTGGKAPRKQLATKAARKSAPATGGVKKPH
SGRGKGGKGLGKGGAKRHRKVLRDNIQGITKPAIRRLAR
DFKTD
Lysine acetylation
Arginine Methylation
Lysine Methylation
KRKTV
Serine Phosphorylarion
H3
H4
Modyfikacje histonów
SGRGKQGGKARAKAKTRSSRAGLQFPVGRV
PEPSKSAPAPKKGSKKAVTKAQKKDGKKRK
PKKTE
Lysine acetylation
Arginine Methylation
Lysine Methylation
VTKYT
Serine Phosphorylarion
H2A
H2B
Lysine Ubiquitination
Kod histonowy
Wzór metylacji H3K9 w Arabidopsis
DAPI H3K9
After Jackson et al., Chromosoma 112: 308-315
min. 0 15 30 45 60 90 120 3%aktyna
Tsi1
NtC7
osmotyna
Analiza odpowiedzi tytoniowych komórek BY-2 na 250mM NaCl
anty-fosfo(S10)-H3
anty-fosfo(S10)-acetyl(K14)-H3
intensywność sygnału western-blot, wyrażonaw jednostkach umownych, przypadająca na ilość białka
0 5 10 15 20 30 45 60 90 120 min.
0 5 10 15 20 30 45 60 90 120 min.
0 5 10 15 20 30 45 60 90 min.
anty-acetyl-H4
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 15 30 45 60 90 120
Tsi1
Ntc7
osmotyna
0 5 10 15 20 30 45 60 90 120 min.
0 5 10 15 20 30 45 60 90 min.
0 5 10 15 20 30 45 60 90 120 min.
0 15 30 60 90 min.
0 15 30 60 90 min.
0 15 30 60 90 min.anty-fosfo(S10)-H3
DREB1A
DREB2A
RD29A
COR15A
aktyna
kontrola pozytywna
0 15 30 60 90
00,20,4
0,60,8
11,2
1,41,6
0 15 30 60 90
RD29A
COR15A
DREB2A
DREB1A
Analiza odpowiedzi linii Arabidopsis thaliana T87 na 250mM NaCl
intensywność sygnału western-blot, wyrażonaw jednostkach umownych, przypadająca na ilość białka
anty-fosfo(S10)-acetyl(K14)-H3
0 15 30 60 90 min.
Metylacja cytozyn w DNA
• Reaction: • Cytosine → 5-methylcytosine (5mC)• Enzymes: • Diverse group of DNA methyltransferases (Dnmt’s)• Sequence context: • CpG – animals• CpG (major), CpNpG, CpNpNp - plants
Kingston, R.E., Narlikar, G.J.Genes&Development 13:2339-2352(1999)
ATP dependent Chromatin Remodeling
ATPases of DEXD/H family are motor subunits of chromatin remodeling complexes
DEXD/H
HelicCDEXD/H
HelicC
SNF2_N
ATPase ATPaseATPase ChromodomainSANT/SLIDEBromodomain
Major types of ATP-dependent chromatin remodeling complexes
Mi2Swp73
Swi3Swi3Snf5
Snf2 ISWIISWI
SWI/SNF ISWI Mi2
Visualization of the remodeling activity: ‘sliding assay’ with
nucleosomes reconstituted on 248bp rDNA
End position Center position
Sliding of nucleosomes induced by Arabidopsis ATPase DDM1
(Decrease in DNA Methylation 1)
DDM1
A
-ATP
DDM1 -ATP
B Brzeski&JerzmanowskiJ.Biol.Chem. 2003
Modyfikacje histonów w aktywacji i wyciszaniu tranaskrypcji
Interferencja RNA (RNAi) w ustanawianiu stanu nieaktywnej chromatyny
Chromatynowy system aktywacji i hamowania transkrypcji
From: Stevenson & Jarvis
AtSWP73
AtSWI3AtSWI3
BSH(SNF5)
AtSNF2
Hipotetyczny kompleks SWI/SNF w Arabidopsis
Major remodeling ATPases
SWI/SNFclass
ATPase
SNF 2 HelicC Bromodomain
SANT
CHROMODOMAIN
SLIDE
ISWIclass
CHD (Mi-2)class
INO80, SWRIclass
Two distinct and highly conserved subclasses of SWI/SNF complexes occur in yeast and animals
• Subfamily SWI/SNF/BAP/BAF Subfamily RSC/pBAP/pBAF• (non-essential) (essential)• ______________________________________________________________________________________________________________________• • SWI/SNF BAP BAF RSC pBAP pBAF• yeast Drosophila human yeast Drosophila human• ______________________________________________________________________________________________________________________
• Swi2/Snf2 Brahma BRG1 or hBRM Sth1/Nsp1 Brahma BRG1
Swi3 BAP155/Moira BAF170 and BAF155 Rsc8 BAP155/Moira BAF170&BAF155 • Snf5 Snr1 hSNF5/INI1 Sfh1 Snr1 hSNF5/INI1 • • Swp73/Snf12 BAP60 BAF60a Rsc6 BAP60 BAF60a or BAF60b
• Swp61/Arp7 BAP55 BAF53 Rsc11/Arp7 BAP55 BAF53 • • Swp59/Arp9 Rsc12/Arp9• Actin Actin Actin Actin
• Swi1 OSA (ARID-domain protein) BAF250 • Rsc1,Rsc2,Rsc4 Polybromo BAF180
• Swp82 •
Snf6
• • Swp29/TafII30• • Snf11 • Rsc5,7,10,13-15
• Rsc3, Rsc30
Is a functional pattern of SWI/SNF specialization maintained in plants?
SWI/SNF family
Signature subunit: OSA
Yeast SWI/SNFDrosophila BAPHuman BAF
Plants?
Signature subunit:Polybromo
Yeast RSCDrosophila pBAPHuman pBAF
Plants?
Non-essential Essential
Arabidopsis SWI/SNF complexes – the landscape of possibilities
SWI3
AtSWI3A
AtSWI3C
AtSWI3B
AtSWI3D
SWP73
SWP73A
CHR12
SYD
BRM
CHR23
SWP73B
SNF5
BSH
Plant SWI/SNFchromatin remodeling
complex
ARPBromo-proteins
OSA
Swi2/Snf2ATPase
Non-coresubunits
Hypothetical organization of SWI/SNF remodeling in Arabidopsis
Early embryonic stage
Adult stage
SYD
SYD
BRM
BRM
BSH
BSH
BSH
BSH
AtSWI3A - AtSWI3B
AtSWI3D - AtSWI3B
AtSWI3A - AtSWI3B
AtSWI3C - AtSWI3B
AtSWP73
AtSWI3AtSWI3
BSH(SNF5)
AtSNF2
Hipotetyczny kompleks SWI/SNF w Arabidopsis
Homologi SWI3 w A. thaliana
AtSWI3B (At2g33610)
AtSWI3C (At1g21700)
AtSWI3A (At2g47620)
AtSWI3D (At4g34430)
ySWI3
Drzewo filogenetyczne białek typu SWI3
BIP2(3-32)
HD2A
ATSWI3C
ATSWI3A ATSWI3B
FCA
ATSWI3D
AtBRM
ATSWP73A
HD2B
PRL2 AMIDASE
PRL1
AKIN 10/11
BSH
CobW
PIRIN
Farrona et. al., 2004
SAHH
Interactions identifiedIn Csaba Koncz’ laboratory Interactions verified inpGBT9/pGAD424 systemInteractions verified in pGBT9/pACT2 systemWeak interactions identified in pGBT9/pACT2 system
Interactions identified by other researchers from our laboratoryin the pGBT9/pGAD424 system
Proteins studied in Csaba Koncz’ laboratory
Core subunits of theSWI/SNF chromatin remodeling complex except for ATPase plus the FCA protein
Proteins identified through the yeast two hybrd screen
ATPase
BIP1(1-57)
PUX2
SRC2
ANAC102
JMJC
RPT3
AAA
ATGP4
Di19
COP9
E3
ATAF2
ARM
BIP3(3-45)
RPL12
esterase family protein
BIP5 (1-30)
BIP4(3-46)
BIP6(11-16)
BIP7(11-17)
top related