No DNS līdz olbaltumvielai: gēnu ekspresija

DNS jeb dezoksiribonukleīnskābe ir divpavedienu spirāle, kurā bāzes savienojas pāros: adenīns ar timīnu, guanīns ar citozīnu. Šis pāru princips ir viss, kas nepieciešams, lai molekula spētu precīzi pavairot sevi.

RNS ir viena pavediena molekula, kurā timīna vietā ir uracils un cukurs ir riboze. RNS ir vairāki veidi ar dažādiem uzdevumiem, un tie visi ir nepieciešami vienlaikus.

Olbaltumviela ir aminoskābju virkne, kas salokās noteiktā telpiskā formā. Tieši forma nosaka funkciju, un tāpēc pat neliela izmaiņa aminoskābju secībā var molekulu padarīt nederīgu.

Transkripcija notiek šūnas kodolā. Ferments RNS polimerāze piesaistās gēna sākuma apvidum, atritina DNS spirāli un pēc viena pavediena kā parauga sintezē RNS molekulu.

Cilvēka gēnos kodējošie posmi, eksoni, mijas ar nekodējošiem posmiem, introniem. Tāpēc sākotnējā RNS vēl ir jāapstrādā: introni tiek izgriezti, eksoni savienoti kopā, molekulas galiem pievienotas aizsargājošas struktūras.

Tieši šajā apstrādē slēpjas viens no cilvēka organisma trikiem. Vienu un to pašu gēnu var salikt dažādās kombinācijās, tā saukto alternatīvo splaisingu izmantojot, un no viena gēna iegūt vairākas atšķirīgas olbaltumvielas.

Transkripciju sāk nevis polimerāze viena pati, bet vesela olbaltumvielu komanda. Transkripcijas faktori atpazīst īsas secības gēna priekšā un tā sauktajos pastiprinātājos, kas var atrasties tālu no paša gēna, un tikai pēc to saistīšanās polimerāze tiek nostādīta pareizajā vietā un virzienā. Tieši šo faktoru komplekts katrā audā ir atšķirīgs, un tāpēc aknu un nervu šūna no viena un tā paša genoma nolasa dažādas daļas.

Gatavā informācijas RNS iziet no kodola un citoplazmā satiek ribosomu. Ribosoma lasa nukleotīdus pa trim, un katru šādu trijnieku sauc par kodonu.

Katram kodonam atbilst noteikta aminoskābe, un atbilstību nodrošina pārnesēja RNS, kuras vienā galā ir aminoskābe, bet otrā trīs nukleotīdi, kas atbilst kodonam. Sintēze sākas ar starta kodonu un beidzas ar stopa kodonu, kuram atbilstošas aminoskābes nav.

Sintēze reti notiek pa vienai. Uz vienas informācijas RNS molekulas vienlaikus var strādāt vairākas ribosomas, veidojot virteni, un tādējādi no vienas kopijas īsā laikā rodas daudz vienādu olbaltumvielu. Kad kopija vairs nav vajadzīga, īpaši fermenti to noārda, un ražošana apstājas.

1. Gēns tiek atpazīts un RNS polimerāze sāk transkripciju.
2. Sākotnējā RNS tiek apstrādāta: izgriezti introni, savienoti eksoni.
3. Gatavā informācijas RNS iziet no kodola citoplazmā.
4. Ribosoma piesaistās un atrod starta kodonu.
5. Pārnesēja RNS piegādā aminoskābes pēc kodonu secības.
6. Sasniedzot stopa kodonu, ķēde atbrīvojas un salokās savā telpiskajā formā.
7. Nepieciešamības gadījumā olbaltumvielu vēl pārveido, pievienojot cukurus vai fosfātus.

Kods ir trīsburtu sistēma, un iespējamo trijnieku ir vairāk nekā aminoskābju, tāpēc lielākajai daļai aminoskābju atbilst vairāki kodoni. Šo īpašību sauc par koda deģenerāciju, un tā ir iebūvēta aizsardzība: bieži trešā burta maiņa aminoskābi nemaina.

Kods ir arī gandrīz universāls. Baktērijas, raugi, augi un cilvēks izmanto praktiski vienādu atbilstību, un tieši tāpēc cilvēka gēnu var ievietot baktērijā un likt tai ražot cilvēka insulīnu vai augšanas hormonu.

Vēl viena īpašība ir tā, ka kods nepārklājas un tiek lasīts bez atstarpēm. Tas nozīmē, ka viena nukleotīda iestarpinājums vai izkrišana nobīda visu lasīšanas rāmi, un no šīs vietas tālāk olbaltumviela kļūst pilnīgi nepareiza.

Ja visi gēni strādātu vienlaikus, šūna nedarbotos. Tāpēc regulācija notiek daudzos līmeņos, un tieši tā nosaka šūnas identitāti un spēju pielāgoties.

• Transkripcijas faktori, kas ieslēdz vai izslēdz konkrētus gēnus.
• Hromatīna sablīvējums, kas padara gēnu pieejamu vai nepieejamu nolasīšanai.
• DNS metilēšana un histonu ķīmiskās izmaiņas, tā sauktā epiģenētiskā regulācija.
• Mazās RNS molekulas, kas noārda vai bloķē informācijas RNS.
• Informācijas RNS noturība, proti, cik ilgi tā saglabājas pirms sabrukšanas.
• Olbaltumvielas pēcsintēzes pārveide un mērķtiecīga noārdīšana.

Mutācija ir izmaiņa DNS secībā. Daļa mutāciju neko nemaina, jo koda deģenerācijas dēļ aminoskābe paliek tā pati. Citas nomaina vienu aminoskābi ar citu, un sekas ir atkarīgas no tā, cik svarīga ir šī vieta olbaltumvielas darbam.

Smagākas ir mutācijas, kas rada priekšlaicīgu stopa kodonu vai nobīda lasīšanas rāmi, jo tad olbaltumviela paliek nepabeigta vai kļūst pilnīgi nepareiza. Atsevišķa grupa ir izmaiņas, kas skar nevis kodējošo daļu, bet splaisinga vietas vai regulējošos apvidus.

Ne visas mutācijas ir iedzimtas. Daļa rodas dzīves laikā atsevišķās šūnās, un tieši šādu somatisku mutāciju uzkrāšanās ir vēža attīstības pamatā. Tāpēc mūsdienu onkoloģijā audzēja ģenētiskā izmeklēšana bieži nosaka ārstēšanas izvēli.

Organisms pret kļūdām nav neaizsargāts. DNS kopēšanas laikā polimerāze pati pārbauda savu darbu, bet pēc tam darbojas vairākas labošanas sistēmas, kas izgriež bojātus nukleotīdus un aizvieto tos pareizajos. Tieši šo labošanas sistēmu iedzimti defekti izskaidro daļu ģimenes vēža sindromu, jo bez tām somatiskās mutācijas uzkrājas daudz ātrāk.

Laboratorijā šos procesus izmanto ikdienā. Polimerāzes ķēdes reakcija pavairo konkrētu DNS posmu tā, lai to varētu noteikt; tieši uz šīs metodes balstās daudzu infekciju diagnostika. Sekvencēšana nolasa nukleotīdu secību un ļauj atrast konkrētas mutācijas.

Tieši šo zināšanu praktisks pielietojums ir arī informācijas RNS vakcīnas: organismā tiek ievadīta gatava darba kopija, un šūnas pašas kādu laiku ražo attiecīgo olbaltumvielu, uz kuru imūnsistēma iemācās reaģēt. Šī RNS neiekļūst šūnas kodolā un nemaina cilvēka DNS.

• Polimerāzes ķēdes reakcija infekciju un mutāciju noteikšanai.
• Sekvencēšana, kas nolasa viena gēna vai visa genoma secību.
• Gēnu ekspresijas analīze, kas rāda, kuri gēni audos ir aktīvi.
• Rekombinantu olbaltumvielu ražošana, piemēram, insulīna un augšanas hormona.
• Mērķterapija onkoloģijā, izvēlēta pēc audzēja ģenētiskajām izmaiņām.

Pirmais pārpratums ir gēna un olbaltumvielas pielīdzināšana viens pret vienu. Viens gēns alternatīvā splaisinga un pēcsintēzes pārveides dēļ var dot vairākas dažādas olbaltumvielas, un tieši tāpēc cilvēka olbaltumvielu daudzveidība ir daudz lielāka nekā gēnu skaits.

Otrs pārpratums ir domāt, ka visa DNS kodē olbaltumvielas. Kodējošā daļa ir neliela; pārējā satur regulējošus apvidus, gēnus, no kuriem veidojas nekodējošas RNS, un atkārtojumus. Apzīmējums „liekā DNS”, ko lietoja agrāk, mūsdienās vairs netiek uzskatīts par pareizu.

Trešais ir DNS un RNS lomas sajaukšana sarunās par vakcīnām. Informācijas RNS ir īslaicīga darba kopija, kas citoplazmā ātri sabrūk; lai tā mainītu DNS, būtu nepieciešami fermenti, kādu cilvēka šūnās normāli nav.

Mazāk zināma ir mitohondriju DNS. Tā ir neliela, atsevišķa molekula, kas pārmantojas tikai no mātes un kodē dažas elpošanas ķēdes olbaltumvielas. Tās mutācijas izraisa īpašu slimību grupu, kurā visvairāk cieš enerģijas ziņā prasīgākie audi: muskuļi, nervu sistēma, sirds.