Geeniregulatsioon

Geeniregulatsioon (inglise regulation of gene expression, gene regulation) on geenide ekspresseerumise ehk geeniekspressiooni mõjustamine läbi seda reguleerivate mehhanismide kompleksi. Geeniregulatsioon on organismide ellujäämiseks hädavajalik, lubades rakul või rakkudel ekspresseerida kindlat valku kindlal ajahetkel. Prokarüootsetel organismidel on ellujäämiseks vajalik range kontroll geenide ekspresseerumise üle. Seetõttu on bakterite geenidel ka erinevad tingimused, mille täitumisel geenid avalduvad. Bakterite geeniekspressioon sõltub nii geeni avaldumise viisist kui ka geeni valmidusest avalduda. Eristatakse nelja põhilist geeniekspressioonitüüpi: kvoorumitundlikkus, indutseeritud geeniekspressioon, pidurdatud geeniekspressioon ja konstitutiivne geeniekspressioon. Geeniekspressioon, mis on sõltuv bakterite tihedusest, nimetatakse kvoorumitunnetuseks. See võimaldab reguleerida geenide ekspressiooni vastusena rakupopulatsiooni tiheduse kõikumistele. Kvoorumitunnetusega bakterid sünteesivad ja väljutavad keemilisi signaalmolekule, mida nimetatakse autoinduktoriteks. Autoinduktorite funktsioon on reguleerida regulaatorvalkude aktivatsiooni. Kui bakteripopulatsioonis on autoinduktorite kontsentratsioon piisavalt kõrge, et ületada minimaalne stimuleerimiseks vajalik lävend, siis muudavad autoinduktorid geenide ekspressiooni määra. Gramnegatiivsetel bakteritel on peamiseks autoinduktorite põhigrupiks atsüülhomoseriinlaktoonid ehk AHL (inglise acyl-homoserine lactones), grampositiivsetel bakteritel on aga protsessitud oligopeptiidid. Kvoorumitundlikkuse süsteemi kasutavad laialdased sümbiontsed ja parasiitsed bakterid. Kvoorumitundlikkus avastati esmakordselt luminestseeruvalt bakterilt Vibrio fischeri, kes helendub ainult siis, kui tema tihedus luminestseeruvate mereorganismide valguselundites on teatud tasemest kõrgemal. Indutseeritud geeniekspressioon on otsene geenide sisselülitamine. Indutseeritud geeniekspressiooni tulemusena sünteesib bakterirakk eluks vajalikke aineid, mis võimaldab kiiremat paljunemist soodsates elukeskkonnatingimustes. Indutseeritud geenid vajavad aktivatsiooniks vastavat ainet; seda indutseerivat ainet teatakse kui induktorit. Paljud lagundamisrajad on kontrollitud indutseeritud geeniekspressiooniga. Näiteks E. coli lülitab sisse glükoosi puudumisel teised katabolismirajad, kui keskkonnas on laktoosi, siis lülitatakse sisse laktoosi lagundamise rada. Mikroorganismid lülitavad kindlaid geenikomplekte sisse ja välja vastusena muutuvatele keskkonnatingimustele. Kui geeniprodukti enam vaja ei ole, siis lülitatakse geenide avaldumine välja ja rakk hoiab märkimisväärse hulga energiat selle arvelt. Sellisel juhul on tegemist pidurdatud geeniekspressiooniga. Pidurdatud geeniekspressiooniga on kontrollitud biosünteesirajad, mille lõppsaadust ei ole kogu aeg vaja. Kindla produkti külluse puhul rakk surub antud kindlat produkti sünteesiva raja ensüümid maha. Seda tehakse vastavate geenide väljalülitamisega, mida nimetatakse ka geenide repressiooniks. Kui biosünteesiraja produkti on uuesti vaja, siis lülitatakse geenid taas tööle; seda nimetatakse geenide derepressiooniks. Pidurdatud geeniekspressiooni näide on E. coli trüptofaani biosüntees. Kui trüptofaani on rakus vähe, siis avalduvad geenid korrapäraselt. Kui trüptofaani on rakus piisavalt, siis ta ise lülitab biosünteesi vastutavad geenid välja. Seega trüptofaan ise toimib kui repressor ehk pidurdaja, olles ka antud sünteesiraja lõpp-produktiks. See lõpp-produktne inhibitsioonimehhanism suudab tagada vajaliku trüptofaani taseme rakus, hoides samal ajal märkimisväärselt raku energiat kokku. Konstitutiivne geeniekspressioon on valdavalt pidev geeniekspressioon. Konstitutiivselt ehk pidevalt avalduvad geenid kodeerivad produkte, mida rakul on kogu aeg vaja (tRNA, rRNA ja ribosoomivalgud), ning neid geene nimetatakse ka koduhoidjateks geenideks (inglise housekeeping genes). Prokarüootide geeniregulatsioon toimub kaskaadselt: ühe geenkomplekti produktid toimivad signaalina, et alustada teise geenkomplekti geenide transkriptsiooni, need produktid omakorda aktiveerivad järgmise geenkomplekti transkriptsiooni ja teisi protsesse. Kaskaadse geeniekspressiooni iseloomulikeks näideteks oleksid bakterite sporulatsioon ja bakteriofaagide lüsogeenne ja lüütiline tsükkel. Prokarüootide geenide avaldumine on kontrollitud viiel tasandil: transkriptsiooni initsiatsioon; transkriptsiooni terminatsioon; mRNA stabiilsuse tasand; translatsioon; posttranslatsioon. Geenide ekspressioonil eristatakse kahte geneetilise kontrolli mehhanismi: positiivne ja negatiivne geneetiline kontroll. Mõlema korral kasutatakse geenide sisse- ja väljalülitamist vajaliku kontrolli saavutamiseks. Mõlema kontrollmehhanismi juures esinevad indutseeritud ja pidurdatud süsteemid. Positiivse kontrolli puhul on süsteem algolekus suletud. Regulaatorgeeni produktiks on aktivaator, mida on vaja struktuurgeenide sisselülitamiseks. Positiivse geneetilise kontrolli puhul regulatsioon toimub promootori tasemel, aktivaator seondub promootori ees oleva regulaatorvalgu seondumissaidiga. Negatiivse kontrolli puhul on süsteem algolekus suletud. Regulaatorgeeni produktiks on repressor, mis on vajalik geenide väljalülitamiseks. Negatiivse geneetilise kontrolli puhul on regulatsioon operaatori tasemel ja repressor seondub promootori järel olevasse regulaatorgeeni seondumissaiti. Positiivsele kontrollile alluvas indutseeritud süsteemis sünteesitakse regulaatorgeenilt inaktiivne aktivaator, mis ei suuda seonduda ise promootori ees oleva regulaatorvalgu seondumissaidiga ning seega ei aktiveeri struktuurgeene. Kui inaktiivse aktivaatoriga seondub kindel efektormolekul, siinkohal induktor, moodustub aktivaatorist ja induktormolekulist kaheosaline kompleks, mida nimetatakse aktivaator-induktorkompleks. See kompleks suudab seonduda regulaatorvalgu seondumissaidiga ja aktiveerida struktuurgeenide avaldumise. Negatiivse kontrolli puhul sünteesitakse indutseeritud süsteemis regulaatorgeenilt aktiivne repressor, mis seondub ise regulaatorvalgu seondumissaidile. Repressor takistab struktuurgeenide avaldumist sellises vormis. Kui repressoriga seondub induktor, siis antud repressor-induktorkompleks ei ole võimeline seonduma regulaatorvalgu seondumissaidiga ja struktuurgeenid avalduvad. Positiivse geneetilise kontrolli korral sünteesitakse pidurdatud süsteemis regulaatorgeenilt aktiivne aktivaator, mis suudab ise seonduda promootori ees oleva regulaatorvalgu seondumissaidiga, põhjustades struktuurgeenide avaldumise. Kui antud aktivaatoriga seondub hetkel kindel efektormolekul, mida nimetatakse korepressoriks, moodustub aktivaator-korepressorkompleks. See kompleks ei ole võimeline seostuma regulaatorvalgu seondumissaidiga, mis põhjustab struktuurgeenide avaldumise takistumise. Negatiivsele kontrollile alluvas pidurdatud süsteemis sünteesitakse regulaatorgeenilt inaktiivne repressor, mis ei suuda ise seonduda promootori ees oleva regulaatorgeeni seondumissaidiga. Kui inaktiivne repressor seondub korepressoriga, moodustub aktiivne repressor-korepressorkompleks. See kompleks on võimeline seonduma regulaatorgeeni seondumissaidiga, mis lülitab välja struktuurgeenide avaldumise. Soolekepikese Escherichia coli trp operoni repressioon ja atenuatsioon. Laktoosi operoni (lac-operon) induktsioon. Heinaru, A. Geneetika õpik kõrgkoolile, Tartu: Tartu Ülikooli Kirjastus, 2012. Lk 413–425 Miller MB, Bassler BL. Quorum sensing in bacteria. Annu Rev Microbiol. 2001;55:165–99. Brown, W., Ralston, A. & Shaw, K. (2008) Positive Transcription Control: The Glucose Effect Nature Education 1(1):202