18.4. Génexpresszió szabályozás a transzláció szintjén

A poszttranszkripciós szintű, még a sejtmagban zajló génexpresszió szabályozásra példa az alternatív splicing folyamata (lásd 14.10. fejezet), amiről itt csak annyit jegyzünk meg, hogy nagyban hozzájárul ahhoz, hogy egy sejtben (vagy organizmusban) expresszálódó fehérjék száma jóval meghaladja a gének számát. Becslések szerint a primer RNS-ek ~90%-a alternatív módon processzálódik, s a transzkripciós egységek több mint feléről bizonyosan többféle polipeptidlánc keletkezik a transzláció során. A sejtmagból kijutott érett mRNS további szabályozás alatt áll. Az alábbiakban két példát mutatunk be arra, hogyan akadályozhatják meg (vagy fokozhatják) regulációs mechanizmusok a keletkező fehérjék mennyiségét a transzláció szintjén.

Az állatok vasion-homeosztázisában szerepet játszó gének expressziójának gátlása és fokozása az egyik példánk. A másik példa egy olyan szabályozási mechanizmus, amit csak az 1990-es években ismertek fel a kutatók, s a génexpresszió szabályozásban betöltött jelentőségét még ma sem ismerjük teljes mélységében – ez az RNS interferencia, amely során az érett mRNS-ek szabályozott módon degradálódnak. Ez utóbbi szabályozó mechanizmus jelentőségét tovább fokozza, hogy a jelenséget kihasználva „géncsendesítés” (gene knockdown) névén egy igen hatékony géntechnológiai kutatási eszköz került a molekuláris biológusok kezébe (lásd 19.9.2. fejezet).

18.4.1. Az állatok vasion anyagcseréjében szerepet játszó mRNS-ek szabályozása

A vas esszenciális nyomelem, gondoljunk csak a hemoproteinek több fejezetben is tárgyalt szerepére. Azonban a túl sok vasion a sejtekben redox-reakciókon keresztül szabadgyökök képződéséhez vezet, amelyek nagy károkat okozhatnak. Következésképpen a vas homeosztázisban szerepet játszó fehérjékmennyiségét a sejt szabályozza, méghozzá a transzláció szintjén.

A vas metabolizmus kulcsfehérjéi a vérben a vasionok szállítását végző transzferrin, a sejtbejutást biztosító transzferrin receptor és a ferritin, egy igen hatékony tárolófehérje. A 24 azonos alegységből felépülő ferritin (450 kDa) 2400 darab ferrihidrit (Fe5HO8x4H2O) molekulát képes tárolni (lásd 18.40. ábra).

A sejt vasion szintje a ferritin és a transzferrin-receptor szintézisét reciprok módon szabályozza. Ha nincs elég vasion, a receptor mennyisége növekszik, a ferritiné csökken. Magas Fe2+ koncentráció esetén fordított a helyzet.

18.40. ábra: A ferritin térszerkezete.A 24 polipeptidlánc egyikét kiemeltük (piros). Az ábra jobb oldalán a szerkezet tetejét levágtuk, így látszik az az üreg (piros körben), amiben a vasionok tárolódnak (PDB: 1IES)

18.40. ábra: A ferritin térszerkezete. A 24 polipeptidlánc egyikét kiemeltük (piros). Az ábra jobb oldalán a szerkezet tetejét levágtuk, így látszik az az üreg (piros körben), amiben a vasionok tárolódnak (PDB: 1IES)

A szabályozást az mRNS molekulák 3’- illetve 5’-UTR régiójában kialakuló hajtűkanyarokon, és azt specifikusan felismerő regulációs fehérjéken alapszik.

A ferritin 5’-UTR-jében van egy vasion-válaszelem (iron response element), egy hajtűkanyar, amihez a 90 kDa méretű IRP (IRE binding protein) kötődik, és ezáltal fizikailag gátolja a riboszómák kötődését. Ha a Fe2+ koncentráció megemelkedik, a vasionok kötődni fognak a IRP-hez vas-kén centrumok (4Fe-4S) formájában. Mivel a két kötőhely átfed egymással, a ferritin mRNS felszabadul a gátlás alól és a fehérje szintézise beindul (lásd 18.41. ábra).

(Megemlítjük, hogy a vas-kén centrumot tartalmazó fehérjékben a vasion nem hem kofaktorhoz, hanem vagy szervetlen kénatomokhoz vagy Cys oldallánchoz kötődik, s tölt be többek között elektronszállító szerepet, mint például a redukáló fehérje ferredoxinban vagy a mitokondriális elektrontranszportlánc utolsó komponensében, a citokróm-oxidáz komplexben.)

18.41. ábra: Az IRP fehérje térszerkezete.Kiemeltük a vas-kén centrumot (sárga és narancs golyók), valamint vázlatosan mutatja az ábra azt is, hogy miként tudják a vasionok kiszorítani a ferritin mRNS-t (PDB: 1C96)

18.41. ábra: Az IRP fehérje térszerkezete. Kiemeltük a vas-kén centrumot (sárga és narancs golyók), valamint vázlatosan mutatja az ábra azt is, hogy miként tudják a vasionok kiszorítani a ferritin mRNS-t (PDB: 1C96)

A transzferrin-receptor mRNS 3’-UTR-je öt IRE-t tartalmaz (lásd 18.42. ábra). Alacsony Fe2+koncentrációnál az IRP ide is kötődik, azonban ez a kölcsönhatás az mRNS stabilitását fokozza, ezért több receptor fehérje szintetizálódik. Amint megemelkedett a vasion szintje, a transzferrin receptor mRNS-e gyorsan degradálódik. Érdemes megjegyezni, hogy a hem bioszintézisében szerepet játszó génekről átíródott mRNS-ek is tartalmaznak IRE-ket.

18.42. ábra: A ferritin és a transzferrin-receptor mRNS-ében található vasion-válaszelemek (hajtűkanyarok)

18.42. ábra: A ferritin és a transzferrin-receptor mRNS-ében található vasion-válaszelemek (hajtűkanyarok)

Érdekes fehérjeevolúciós rokonságra derült fény, miután az IRP génjét klónozták és meghatározták a szekvenciáját. Kiderült, hogy 30%-ban azonos a citrát-ciklus egyik enzimével, az akonitázzal (ez is vas-kén centrumot tartalmaz) – ebből az ősi enzimből „faragott” az evolúció vasérzékelő fehérjét.