Η θέση της χρωματίνης στον πυρήνα είναι τυχαία ή όχι In vitro πειράματα δείχνουν ότι στον μεσοφασικό πυρήνα η κατανομή της χρωματίνης είναι συγκεκριμένη. Τα τελομερή και τα κεντρομερίδια βρίσκονται κοντά στην πυρηνική μεμβράνη και μάλιστα τα τελομερή είναι ομαδοποιημένα στον ένα πόλο και τα κεντρομερίδια είναι ομαδοποιημένα στον άλλο πόλο. Συνεπώς η θέση των γονιδίων στον πυρήνα πρέπει να είναι σημαντική για τη φυσιολογική τους έκφραση. Kάθε χρωμόσωμα καταλαμβάνει μία περιοχή του πυρήνα. Όμως οι θέσεις των χρωμοσωμάτων δεν φαίνεται να είναι συγκεκριμένες. Ποικίλουν από κύτταρο σε κύτταρο του ίδιου οργανισμού αλλά και κατά τη διάρκεια της ζωής του κυττάρου. Ίσως να αντανακλά τη γονιδιακή δραστηριότητα των διαφορετικών χρωμοσωμάτων.

Αδρανοποίηση του Χ χρωμοσώματος Σύγχρονος μηχανισμός αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος Η αδρανοποίηση θεωρείται κατεξοχήν μηχανισμός των θηλαστικών Μελέτες έδειξαν την ύπαρξη μηχανισμών «εξουδετέρωσης» των φυλετικών χρωμοσωμάτων σε έντομα όπως οι μύγες Sciara

Εξελικτικά στάδια Σύμφωνα με το μοντέλο Jegalian-Lahn του 1999 περισσότερο από 400 εκατομμύρια χρόνια πριν η κοινή προγονική μορφή θηλαστικών και ερπετών διέθετε ακόμη άθικτο το αυτοσωμικό ζεύγος ομολόγων χρωμοσωμάτων που θα εξελίχθηκε σε Χ και Υ χρωμόσωμα αργότερα. Σε ένα επόμενο εξελικτικό στάδιο φαίνεται ότι τμήμα του ενός χρωμοσώματος (μελλοντικού Υ) του ζεύγους υπέστη κατά τη διάρκεια της μείωσης αναστροφή, με αποτέλεσμα να αρθεί η ομόλογη παραλληλία του προς το έτερο χρωμόσωμα του ζεύγους, που αποτελεί προϋπόθεση ορθού ανασυνδυασμού

Φάσεις απόκλισης Η πρώτη περιοχή στην οποία παρατηρήθηκε απώλεια ανασυνδυασμού θεωρείται σήμερα πως ήταν η περιοχή του σημερινού γονιδίου Sry, που όπως και άλλα γονίδια του Υ απέκτησε εκ των υστέρων γονοκαθοριστικό ρόλο (240-320 εκατομμύρια χρόνια πριν) Μια δεύτερη φάση απόκλισης ως συνέπεια δεύτερου λάθους κατά των ανασυνδυασμό εντοπίζεται 130-170 εκατομμύρια χρόνια πριν κατά τη διάκριση πλακουντοφόρων και μαρσιποφόρων θηλαστικών

Αδρανοποίηση Μία τρίτη φάση αποτυχίας ανασυνδυασμού των Χ και Υ, 80 ως 130 εκατομμύρια χρόνια πριν και μια τελική φάση που τοποθετείται 30 ως 50 εκατομμύρια χρόνια πριν, στο στάδιο αρχικής διάκρισης των πρωτευόντων. Επισημαίνεται ότι στους πιθήκους εμφανίζονται μωσαϊκοί φαινότυποι (έγχρωμη όραση), πιθανότατα αποκαλύπτοντας μια τυχαία φόρμα αδρανοποίησης και στα ζώα αυτά Η αδρανοποίηση δεν αναπτύχθηκε από τη μια μέρα στην άλλη ούτε σε «block» κατά μήκος του Χ. Αντίθετα, όλο και περισσότερο γίνεται αποδεκτό ότι εξελίχθηκε κατά ομάδες γονιδίων

Από το DNA στις πρωτεΐνες Οι Watson και Crick διαπίστωσαν ότι η περιοδικότητα των 0.34 nm, που βρέθηκε από τους Franklin και Wilkins, αντιστοιχούσε στην απόσταση μεταξύ διαδοχικών νουκλεοτιδίων στην αλυσίδα του DNA και ότι η περιοδικότητα των 2 nm αντιστοιχούσε στο πλάτος της αλυσίδας. Για να εξηγήσουν την περιοδικότητα των 3.4 nm έδειξαν ότι η αλυσίδα ήταν περιελιγμένη σε έλικα. Η 3.4 nm είναι ακριβώς το δεκαπλάσιο του 0.34 nm που είναι η απόσταση δύο διαδοχικών νουκλεοτιδίων, άρα η κάθε πλήρη στροφή της έλικας περιείχε 10 νουκλεοτίδια. Με βάση της πυκνότητας της αλυσίδας σε νουκλεοτίδια πρότειναν την ύπαρξη διπλή έλικας.

Γονιδίωμα- Δομή του γονιδίου Η μη ταύτιση της ποσότητας του DNA στο απλοειδές γονιδίωμα (τιμή C) με τη φυλογενετική πολυπλοκότητα, είναι γνωστή ως το παράδοξο της τιμής C.

Δομή ενός ευκαρυωτικού γονιδίου

Η μεταβίβαση της πληροφορίας από το DNA στην πρωτεΐνη Η διεργασία της μεταγραφής χαρακτηρίζεται από την ακρίβεια του σημείου έναρξης και λήξης της μεταγραφής, καθώς και από μεγάλη πιστότητα του παραγόμενου μορίου. Η πιστότητα της μεταγραφής είναι απαραίτητη για την επιβίωση των οργανισμών και τη διαιώνιση των ειδών, μια και δεν υπάρχει μηχανισμός επιδιόρθωσης των λαθών που πιθανόν θα γίνουν, όπως συμβαίνει στην αντιγραφή. Άλλα χαρακτηριστικά της μεταγραφής είναι ότι συνήθως ο ένας κλώνος του DNA μεταγράφεται

Οι RNA-πολυμεράσες Δεν χρειάζονται εναρκτήριο τμήμα RNA- για να αρχίσουν τον πολυμερισμό, όπως απαιτούν οι DNA-πολυμεράσες, ενώ αντίθετα δεν διαθέτουν την ικανότητα της επιδιόρθωσης των λαθών που διαθέτουν οι DNA-πολυμεράσες. Τα βακτηριακά κύτταρα διαθέτουν ένα είδος ενζύμου, που έχει την ικανότητα βιοσύνθεσης και των τριών κατηγοριών RNA. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαθέτουν τρεις διαφορετικές RNA-πολυμεράσες στον πυρήνα, η κάθε μία είναι υπεύθυνη για τη βιοσύνθεση διαφορετικού τύπου RNA, ενώ επιπλέον υπάρχουν και οι RNA-πολυμεράσες των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών που διαφέρουν μεταξύ τους.

Οι υποκινητές στα βακτήρια Η συναινετική αλληλουχία TTGACA αναγνωρίζεται από τον παράγοντα σ και σε αυτή δεσμεύεται η RNA πολυμεράση, ενώ η αλληλουχία ΤΑΤΑΑΤ είναι υπεύθυνη για τον καθορισμό του νουκλεοτιδίου από το οποίο θα αρχίσει η μεταγραφή.

Οι υποκινητές στα ευκαρυωτικά κύτταρα ένα τετρανουκλεοτίδιο γνωστό ώ αλληλουχία ΤΑΤΑ (ΤΑΤΑ box) σε απόσταση 25-30 νουκλεοτιδίων. αλληλουχία CCAT που δεν απαντά σε όλα τα γονίδια και βρίσκεται -110 bp από μία αλληλουχία γνωστή ως GC box

Ο υποκινητής του μεταγραφικού παράγοντα HNF-4 Υπάρχουν και ειδικές αλληλουχίες όπως το «κουτί» GAGA το οποίο βρίσκεται -503 νουκλεοτίδια πριν τη θέση έναρξης της μεταγραφής και αποτελεί μία εναλλαγή πουρινών γουανίνης και αδενίνης H πρωτεΐνη αυτή δεσμεύεται στον υποκινητή των γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα που εμπλέκονται στον μεταβολισμό της γλυκόζης.

Ακετυλίωση και από-ακετυλίωση των ιστονών Για να γίνει η δέσμευση της RNA πολυμεράσης στον υποκινητή πρέπει πρώτα να χαλαρώσει η δομή της χρωματίνης με την μερική αποδέσμευση των ιστονών από το DNA. Η ακετυλίωση της λυσίνης στο αμινοτελικό άκρο των ιστονών εξουδετερώνει τα θετικά φορτία, μειώνοντας έτσι την συγγένεια τους με το DNA. Έτσι στις περισσότερες των περιπτώσεων η ακετυλίωση των ιστονών αυξάνει την μεταγραφή, ενώ η από-ακετυλίωση των ιστονών καταστέλει την μεταγραφή.

Μοντέλο ρύθμισης μεταγραφής με ακετυλίωση των ιστονών από τους συνενεργοποιητές (CBP) Ο CBP αλληλεπιδρά με τους μεταγραφικούς παράγοντες όπως CREB, AP-1 και NF-B, προκαλώντας την ενδογενή ενεργοποίηση τους με λειτουργία ακετυλοτρανσφεράσης (Histone Acetyl Transferace:HAT). Αυτό προκαλεί την ακετυλίωση (Ac) του πυρήνα των ιστονών, ξετυλίγοντας τη δομή της χρωματίνης και επιτρέποντας τη δέσμευση της RNA πολυμεράσης η οποία ενεργοποιεί την μεταγραφή του γονιδίου.

Τα νουκλεοσώματα έχουν συγκεκριμένη θέση στο DNA ή κατανέμονται τυχαία? Το γεγονός αυτό προσδίδει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά στη χρωματίνη: Ρυθμιστικά μόρια μπορούν να δεσμευθούν σε συγκεκριμένες θέσεις του DNA (ενισχυτή και υποκινητή), μεταξύ των νουκλεοσωμάτων και Ρυθμιστικά μόρια μπορούν να δεσμευθούν σε ρυθμιστικές αλληλουχίες του DNA, που περιτυλίγει το οκταμερές των ιστονών και βλέπουν προς την εξωτερική πλευρά οκταμερούς

Εναλλακτικό μάτισμα Tο μάτισμα μπορεί να γίνει στο αρχικό αντίγραφο RNA με τρεις διαφορετικούς τρόπους έτσι ώστε να παραχθούν τρεις ισομορφές mRNA, μια με πέντε εξόνια ή 2 με τέσσερα εξόνια. Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης οι τρεις ισομορφές mRNA θα οδηγήσουν στη σύνθεση διαφορετικών ισομορφών του πρωτεϊνικού προϊόντος του γονιδίου. Για παράδειγμα, το γονίδιο του PPΑRγ (peroxisome proliferator activator receptor-gamma, ενεργοποιημένος υποδοχέας γ πολλαπλασιασμού των υπεροξειδιοσωμάτων) μπορεί να παράγει τρεις διαφορετικές ισομορφές mRNA (PPΑRγ1, PPΑRγ2, PPΑRγ3) ως αποτέλεσμα διαφορετικών υποκινητών και εναλλακτικού ματίσματος. Φαίνεται ότι η ισομορφή mRNA PPΑRγ2 ανταποκρίνεται στη διατροφική κατάσταση. Η έκφραση του mRNA PPΑRγ2 αυξάνεται σε κατάσταση σίτισης, σχετίζεται θετικά με την παχυσαρκία και το λιπώδη ιστό και μειώνεται κατά την απώλεια βάρους. Για αυτό το λόγο το mRNA PPΑRγ2 πιθανώς είναι η ισομορφή που μεσολαβεί στη διατροφική ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης.

Τροποποίηση του RNA είναι ένας ακόμα τρόπος μετατροπής του αρχικού αντίγραφου RNA Ο μηχανισμός αυτός επιτρέπει την παραγωγή διαφορετικών πρωτεϊνών από ένα γονίδιο κάτω από διαφορετικές φυσιολογικές συνθήκες. Παράδειγμα αποτελούν οι διαφορετικές ισομορφές της πρωτεΐνης apo B. Σε αυτή την περίπτωση, το RNA editing επιτρέπει την εξειδικευμένη ανά ιστό έκφραση του γονιδίου apo B. Έτσι, η πλήρης πρωτεΐνη apo B100 στο ήπαρ και εκκρίνεται στις VLDL ενώ στο έντερο η ισομορφή apo B48 παράγεται επειδή ένα πρώιμο κωδικόνιο λήξης προστίθεται έτσι ώστε η μεταγραφή της πρωτεΐνης σταματάει και η παραγόμενη απολιποπρωτεΐνη είναι μόλις το 48% της πλήρης apo B100 ισομορφής.

Ο γενετικός κώδικας

Ρύθμιση των γονιδίων Ο βαθμός των διαφορών ως προς την έκφραση των γονιδίων ανάμεσα σε διαφορετικά είδη κυττάρων μπορεί αδρά να μετρηθεί από τη σύγκριση της σύστασης των πρωτεϊνών των κυττάρων διαφορετικών οργάνων, όπως το ήπαρ, η καρδιά, ο εγκέφαλος

Ηousekeeping genes-Πρωτεΐνες διαχειριστές Οι κύριες δομικές πρωτεΐνες του κυτταροσκελετού και των χρωμοσωμάτων, οι πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για το ενδοπλασματικό δίκτυο και τις μεμβράνες Golgi, οι ριβοσωμικές πρωτεΐνες και τα ένζυμα που διεκπεραιώνουν τη γλυκόλυση και άλλες βασικές μεταβολικές διεργασίες

Proteins are shown from Azotobacter fulgidus, Azotobacter aeolicus, Azotobacter vinelandii, Escherichia coli, Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus influenzae, Arabidopsis thaliana, Homo sapiens, Caenorhabditis elegans, Saccharomyces cerevisiae, Streptococcus pneumoniae and Bacillus subtilis

Έλεγχος της έκφρασης των γονιδίων Έλεγχος του χρόνου και της συχνότητας μεταγραφής Έλεγχος του τρόπου ματίσματος του ετερογενούς RNA Επιλογή των μορίων mRNA που θα μεταφραστούν από το ριβόσωμα Επιλεκτική ενεργοποίηση ή αδρανοποίηση πρωτεϊνών μετά τη σύνθεση τους Έλεγχος της δράσης άλλων γονιδίων (πχ. μεταγραφικών παραγόντων) που ρυθμίζουν την μεταγραφή

Η θέση του γονιδίου στο χρωμόσωμα είναι καθοριστική για την έκφραση του Εάν ένα ενεργό γονίδιο μετατοπιστεί από μία θέση του χρωμοσώματος σε μία άλλη θέση (πχ. Ετεροχρωματίνη), τότε το γονίδιο σταματά να εκφράζεται. Η αλλαγή της έκφρασης των γονιδίων σαν αποτέλεσμα της αλλαγής της θέσης του, χαρακτηρίζεται ως επίδραση θέσης Το ίδιο ισχύει και για την ενσωμάτωση ενός γονιδίου πχ. Στα διαγονιδιακά ποντίκια

Η Επίδραση θέσης στη Drosophila Η επίδραση θέσης προκαλείται από την διάταξη της ετεροχρωματίνης. Ένα φυσιολογικό Χ χρωμόσωμα είναι στην εικόνα (a), όπου το λευκό (w) γονίδιο είναι τοποθετημένο κοντά στο τελομερίδιο (T), μακριά από την ετεροχρωματίνη του κεντρομεριδίου (C). Ένα ενεργό λευκό γονίδιο προκαλεί κόκκινο χρώμα στο μάτι της μύγας. (b) δείχνει μία χρωμοσωμική ανακατάταξη όπου το λευκό γονίδιο τοποθετείται κοντά στην περικεντρική ετεροχρωματίνη. Η κεφαλή της μύγας με τέτοια ανακατάταξη δείχνεται στην θέση (A), όπου το λευκό γονίδιο έχει αποσιωπήσει στα περισσότερα κύτταρα. Στις ετερόζυγες μύγες, η επίδραση θέσης καταστέλλεται οδηγώντας στην ενεργοποίηση του λευκού γονιδίου στα περισσότερα κύτταρα (B).

Θέσεις ελέγχου περιοχών (locus control region) Συμβάλουν στην υπερ-έκφραση των ενσωματωμένων γονιδίων ανεξάρτητα από τη θέση ενσωμάτωσης. Φαίνεται επίσης ότι οι θέσεις ελέγχου περιοχών δεν επηρεάζουν απλούς υποκινητές, αλλά ολόκληρες περιοχές χρωμοσωμάτων. Οι περιοχές αυτές των χρωμοσωμάτων διατηρούνται από ειδικά στοιχεία, που παρεμποδίζουν την δομή μίας περιοχής της χρωματίνης να επεκτείνεται. Υπάρχουν άλλες αλληλουχίες γνωστές ως μονωτές (insulators), που παρεμποδίζουν τους ενισχυτές μία περιοχής του χρωμοσώματος να δράσουν σε υποκινητή άλλης περιοχής.

Αιμοσφαιρίνη

Οι υποκινητές λειτουργούν όχι μόνο για να δεσμεύουν την RNA πολυμεράση, αλλά επίσης για να επιλέγουν τις θέσεις και τους χρόνους που αρχίζει η μεταγραφή Η λειτουργία αυτή των υποκινητών μπορεί να δειχθεί σε διαγονιδιακά ζώα Η ομάδα του Palmiter και συνεργατών (1982) απομόνωσε το γονίδιο της αυξητικής ορμόνης του αρουραίου και κατέστειλε την περιοχή του υποκινητή στην 5΄θέση. Στον χώρο αυτό, αντικατέστησαν την αλληλουχία του υποκινητή ενός άλλου γονιδίου-Mt-1 η μεταλλοθειονίνη-1 του ποντικού, μία μικρή πρωτεΐνη η οποία εμπλέκεται στην ρύθμιση των επιπέδων ψευδαργύρου στον ορό. Στην περίπτωση αυτή το μήνυμα της αυξητικής ορμόνης του αρουραίου θα διαπιστώνεται όταν ο Mt-1 υποκινητής ενεργοποιείται από την παρουσία ψευδάργυρου ή καδμίου.

Ένα τέτοιο πλασμίδιο που περιέχει το γονίδιο υβρίδιο αναπτύχθηκε σε βακτήρια., το τμήμα Mt-1/rGH απομονώθηκε, και περίπου 600 αντίγραφα αυτού του τμήματος εγχύθηκαν σε προπυρήνες προσφάτως γονιμοποιημένων ωαρίων ποντικού. Τα διαγονιδιακά αυτά ποντίκια ετραφήκαν στη συνέχεια με δίαιτα πλούσια σε ψευδάργυρο. Ο ψευδάργυρος ενεργοποίησε στο ήπαρ αυτών των ποντικών την παραγωγή μεγάλης ποσότητας της αυξητικής ορμόνης του αρουραίου.

O έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης Μπορεί αδρά να μετρηθεί από τη σύγκριση της σύστασης των πρωτεϊνών των κυττάρων διαφορετικών οργάνων, όπως το ήπαρ, η καρδιά, ο εγκέφαλος Μία τυπική έρευνα πρωτεομικής ξεκινά με την εκχύλιση του δείγματος από το βιολογικό υλικό. Το δείγμα στη συνέχεια διαχωρίζεται και αναλύεται με φασματοσκοπία μάζας, ιδανικά από διαδικτυακή υγρή χρωματογραφία μικροτριχοειδών-φασματογραφία μάζας (mLC-MS/MS). Τα δεδομένα MS αναζητούν βάσεις δεδομένων πρωτεϊνών για τη λήψη πληροφοριών αλληλούχισης των πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες τελικά αξιολογούνται και χαρακτηρίζονται με κλασικές βιολογικές μεθόδους.

Σύγκριση των δύο μεθόδων πρωτεϊνικής ανάλυσης

Υπάρχουν πολλά γονίδια (τα περισσότερα κωδικοποιούν κοινές μεταβολικές πρωτεΐνες και όχι πρωτεΐνες ειδικού κυτταρικού τύπου) που χρησιμοποιούν την RNA πολυμεράση ΙΙ, των οποίων όμως οι υποκινητές δεν έχουν την αλληλουχία ΤΑΤΑ. Σε αυτές τις περιπτώσεις, κάποια άλλη πρωτείνη δεσμεύεται στην περιοχή του υποκινητή. Αυτοί είναι συνήθως πρωτείνες μεταγραφικοί παράγοντες οι οποίοι δεσμεύονται σε πολλούς και διαφορετικούς υποκινητές, όπως είναι ο Sp1. Η πρωτείνη Sp1 δεσμεύεται στην GC περιοχή του υποκινητή στη συνέχεια δεσμεύεται ο TFIID είτε άμεσα είτε μέσω ενός TAF. Ο TFIID μπορεί τώρα να ενεργοποιήσει τη διαδοχική δέσμευση πρωτεϊνικών παραγόντων που θα αποτελέσουν το σύμπλοκο έναρξης της μεταγραφής και τελικά δεσμεύεται η RNA πολυμεράση II στην περιοχή του υποκινητή (Εικόνα 5.6). Επομένως, ακόμα και εάν οι υποκινητές αυτοί δεν διαθέτουν μία αλληλουχία ΤΑΤΑ, ο TFIID παραμένει ο κρίσιμος παράγοντας στην ρύθμιση της μεταγραφής. Πιθανή διαμόρφωση των μεταγραφικών παραγόντων που ρυθμίζουν τη δέσμευση της RNA πολυμεράσης ΙI στην αλληλουχία ΤΑΤΑ η οποία εμπεριέχει θέση δέσμευσης Sp1

Η ρύθμιση της μεταγραφής στα προκαρυωτικά κύτταρα Το τμήμα του DNA που μεταγράφεται συνεχόμενο σε ένα μόριο RNA καλείται μονάδα μεταγραφής. Κάθε μονάδα μεταγραφής ορίζεται από τον υποκινητή στο 5΄άκρο και το σήμα λήξης στο 3΄άκρο. Στα βακτήρια η μονάδα μεταγραφής καλείται οπερόνιο Αυτά τα mRNA καλούνται πολυγονιδιακά

Το οπερόνιο της λακτόζης Ένα τυπικά οπερόνιο, συγκροτείται από (α) τα δομικά γονίδια, που συνήθως βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο και είναι αυτά που παράγουν πρωτεΐνες (β) την περιοχή του υποκινητή όπως αναλύσαμε πιο πάνω (γ) μία περιοχή χειριστή (operator), που βρίσκεται μεταξύ του υποκινητή και του πρώτου δομικού γονιδίου και χρησιμεύει ως θέση δέσμευσης του καταστολέα και (δ) ένα ρυθμιστικό γονίδιο, που παράγει τον καταστολέα και συνεπώς ελέγχει τη μεταγραφή ή όχι των δομικών γονιδίων.

Ο μηχανισμός ελέγχου της έκφρασης ενός οπερονίου στα βακτήρια περιγράφτηκε για πρώτη φορά από τους F. Jacobs και J. Monod

Control of Gene Expression Transcriptional control Clustering of genes with related function Coordinate control of genes with related function Polycistronic mRNA

Inducible Genes - Operon Model Definition: Genes whose expression is turned on by the presence of some substance Lactose induces expression of the lac genes An antibiotic induces the expression of a resistance gene Catabolic pathways

Ρύθμιση της μεταγραφής στο οπερόνιο της Λακτόζης

Lactose Operon Structural genes Regulatory gene Operator Operon lac z, lac y, & lac a Promoter Polycistronic mRNA Regulatory gene Repressor Operator Operon Inducer - lactose i Operon RegulatoryGene p o z y a DNA m-RNA b-Galactosidase Permease Transacetylase Protein

Lactose Operon Inducer -- lactose Negative control Absence Presence p z y a No lac mRNA Absence of lactose Active Inducer -- lactose Absence Active repressor No expression Presence Inactivation of repressor Expression i p o z y a b-Galactosidase Permease Transacetylase Presence of lactose Inactive Negative control

Θετικός έλεγχος -Γλυκόζη Όταν υπάρχει γλυκόζη τα ένζυμα των εναλλακτικών οδών δεν εκφράζονται γιατί προτιμάται η γλυκόζη. Η καταστολή από τη γλυκόζη γίνεται διαμέσου ενός συστήματος θετικού ελέγχου που σχετίζεται με τα επίπεδα cAMP. Συγκεκριμένα τα επίπεδα του cAMP αυξάνονται όταν τα επίπεδα της γλυκόζης μειώνονται και αντίστροφα. Όταν η συγκέντρωση του cAMP είναι αυξημένη, τότε δεσμεύεται σε μία ρυθμιστική πρωτείνη (CAP) και το σχηματιζόμενο σύμπλοκο μπορεί πλέον και αναγνωρίζει-αλλά και δεσμεύεται στην αλληλουχία στόχο του DNA-, με αποτέλεσμα τη μεταγραφήτου οπερονίου της λακτόζης

Catabolite Repression (Glucose Effect) Time (hr) Units of -galactosidase + lactose Glucose added Definition: Control of an operon by glucose Catabolic operons

Mechanism of Catabolite Repression Absence of glucose i p o z y a Active b-Galactosidase Permease Transacetylase CAP Inactive ATP Adenyl cyclase c-AMP Maximum expression c-AMP CAP (CRP) protein CAP-cAMP complex Promoter activation Positive control

Mechanism of Catabolite Repression Glucose:cAMP CAP (CRP) protein No CAP-cAMP complex No Promoter activation Presence of glucose i p o z y a Inactive ATP Adenyl cyclase CAP X b-Galactosidase Permease Transacetylase Low level expression

Repressible Genes - Operon Model Definition: Genes whose expression is turned off by the presence of some substance (co-repressor) Tryptophan represses the trp genes Biosynthetic pathways Co-repressor is typically the end product of the pathway

Ρύθμιση της μεταγραφής στο οπερόνιο της Τρυπτοφάνης

Inactive repressor (apo-repressor) Tryptophan Operon Structural genes trp E, trpD, trpC trpB & trpA Common promoter Regulatory Gene Apo-Repressor Inactive Operator Leader Operon Co-repressor Tryptophan R Operon RegulatoryGene P O E D C 5 Proteins B A L Inactive repressor (apo-repressor)

Tryptophan Operon Co-repressor -- tryptophan Negative control D C 5 Proteins B A L Inactive repressor (apo-repressor) Absence of Tryptophan Co-repressor -- tryptophan Absence of tryptophan Gene expression Presence of tryptophan Activates repressor No gene expression R P O E D C No trp mRNA B A L Presence of Tryptophan Inactive repressor (apo-repressor) Trp (co-repressor) Negative control Role of tryptophan

Attenuation Definition: Premature termination of transcription 4 3 2 1 L DNA RNA AUG UGA 2 trp codons Leader region Leader transcript Translation start Translation stop Tryptophan codons

Attenuation Mutually exclusive mRNA secondary structure region 1 : region 2 region 2 : region 3 region 3 : region 4 1 4 3 2 UUUUUUU Coupled transcription and translation

High tryptophanyl-t-RNA Low tryptophanyl-t-RNA Attenuation 1 2 4 3 UUUUUUU AUG UGA 2 trp codons High tryptophanyl-t-RNA Attenuation AUG UGA 2 trp codons 1 4 3 2 UUUUUUU Low tryptophanyl-t-RNA No Attenuation

Regulation of Enzyme Activity Feed back inhibition Epigenetic modification Post translational modifications Phosphorylation/dephosphorylation Adenylation/deadenylation