Genreglering (specifikt transkriptionsfaktorer) hos eukaryoter

Det var en hel del frågor och funderingar i ett, och det blir mer intressant i ett större sammanhang. Återkoppling och kanske några svar här och där efter eget tycke :)

sund20 skrev:

Jag har några frågor angående transkriptionsfaktorer hos eukaryoter. 

1.  En del av genregleringen består av att transkriptionsfaktorer binder in till sekvenser och antingen stimulerar eller hindrar transkription. Jag antar att transkriptionsfaktorer t.ex. är en viktig del i celldifferentiering, varför olika typer av celler ser olika ut. Om jag har förstått det rätt, så vid utvecklingen av ett embryo har de olika cellerna olika stor tillgång till transkriptionsfaktorer beroende på var i organismen de är (eftersom att det är olika gradienter av morfogener, som aktiverar andra proteiner osv) så då är det ju logiskt att det i vissa celler uttrycks en del proteiner och i andra celler andra proteiner. Men i en vuxen organism, vad är det då som styr tillgången till transkriptionsfaktorerna?

Det är som påverkar genuttrycket är (som vanligt med biologin) flera parallella och delvis interagerande processer, och en del av detta förmedlas genom transkriptionsfaktoerer (TF). På en generell nivå är inte alla delar av DNA tillgängligt för proteiner som TF, att binda till, vilket du var inne på. Vårt DNA, i form av kromosomerna, behöver vara i alla fall delvis kondenserat, i komplex med proteiner i form av kromatin. Dels för att det blir mindre trassel att hålla reda på, men inte att förglömma så kan en differentierad cell(typ) hållas kvar i sin differentierade form genom att gener som inte krävs för just dess celltyp, inaktiveras som kromatin efter packning med histonkomplex.

På så vis kan både tillgången till genen för vissa TF "gömmas undan", och även vissa sekvenser till vilka dessa TF kan binda. I ett sådant fall kan en TF påverka en gruppering av gener i delar av DNA som inte är upplindat kring histoner, men inte komma åt att påverka genuttrycket av andra gener i delar av DNA som är upplindat.

Sedan uttrycker celltyperna sin egen uppsättning av ytreceptorer för t.ex. hormoner, både gällande receptortyper och antal av respektive receptor. Så ett hormon kan påverka vissa celltyper i kroppen, men inte resten av cellerna. Eller så kan hormonet påverka samtliga av kroppens celler, men effekten blir olika stor beroende på antalet receptorer. Utöver detta sker påverkan av målcellen inte endast med en signal, utan en uppsjö parallella och kanske interagerande signaler. På så vis kan effekten av ett hormon på en enskild cell skilja sig mycket åt.

För olika celler uttrycker ju olika proteiner, så det måste ju fortfarande vara skillnad kring vilka transkriptionsfaktorer som kan binda in och stimulera/inhibera transkription i de olika cellerna. Men alla celler har samma gener, så en viss sekvens som en transkriptionsfaktor binder in till, finns ju i alla celler? Så vad är det som gör att transkriptionsfaktorerna bara aktiverar gener i vissa celler och på det sättet reglerar genuttrycket? Metylering av DNA och andra typer av reglering är ju logiskt eftersom att det kan ske lokalt, men vad är det som skapar variationen mellan cellernas genuttryck när det kommer till transkriptionsfaktorer. Eller är allt ett resultat av de gradienterna som byggdes upp vid utvecklingen av embryot, att redan då så styrdes det vilka transkriptionsfaktorer som skulle vara aktiva i olika celler och sedan fortsätter de att vara det? 

Gradienterna som gäller under embryogenesen försvinner i samband med att cellmassan blir större, och cellerna differentierar klart. Lokalt känner den enskilda cellen av signaler (parakrin signalering, gap-junctions, direkt kontakt m.m.) från cellerna i sin omgivning, vilket påverkar genuttrycket. Även inuti cellen sker en påverkan av genuttrycket från cellens egna faktorer. En differentierad cell, i en cellmassa med samma differentiering, påverkas tillsammans med cellmassan, och påverkar i sin tur cellmassan.

Samtidigt påverkas de enskillda cellernas genuttryck av kroppens, och granncellernas behov. T.ex. skadas hudbarriären kommer flera olika celltyper tillsammans att reparera skadan, med inblandning av immunförsvarets celler m.m. Eller, levercellerna vilka tillväxer när kroppsvikten ökar.

 

2.  Hur länge finns en transkriptionsfaktor och andra protein kvar? T.ex. står det i min lärobok att repressorproteiner kan hindra andra transkriptionsfaktorer från att binda in till en viss sekvens. Hur längre sitter det repressorproteinet kvar? Måste nya protein av det repressorproteinet skapas hela tiden som kan ”byta av” varandra? Eller sitter det proteinet kvar det tills cellen dör?

Det beror (återigen) på flera faktorer. TF/proteinets affinitet för DNA-sekvensen, avgör hur starkt dessa binder till varandra. För en starkt bindande TF varar bindningen (statistiskt) längre. En svagare bindande TF kan få samma effekt, om dess koncentration är högre.

Om två eller flera proteiner kan binda till samma sekvens av DNA (och då reglera samma genuttryck), avgörs effekten av det enskilda proteinets affinitet och deras respektive koncentration. Och koncentrationen påverkas av hur mycket av proteinet som bildas, samt hur snabbt det bryts ner. Och ja, TF och motsvarande bildas/bryts ner löpande, precis som proteiner i cellen generellt. På så vis kan repressionen/aktiveringen påverkas genom att modulera koncentrationen av TF, t.ex. ökning genom en högre TF produktion (stimuli till detta utifrån eller från cellen), minskning genom en lägre TF produktion, kanske även tillsammans med en ökad nedbrytning (fler nedbrytande enzymer etcetera).

Samma sak med exempelvis CAP-cAMP-komplexet hos Lac-operonet i bakterier. Hur länge sitter det bundet till sitt aktivatorbindingsställe? Det kan ju inte sitta där för evigt uppenbarligen, eftersom att om glukosnivåerna höjs så slutar operonet transkriberas, men hur länge ”lever” en sådan molekyl eller vad är det som gör att den slutar vara bunden? 

Igen har det med affiniteten att göra, men det sker statistiskt sätt ett konstant bindande/släppande, och hinner ett aktiverande TF binda in innan det represserande TF binder igen, kan genen uttryckas. Men det tar ett tag för genuttrycket att "sätta igång", och då bägge TF konkurrerar om att binda, så utfallet kan bli både aktivation/repression, det är m.a.o. en jämvikt som förskjuts beroende på TF och andra påverkande faktorer.