ksa gene regulation - si. · pdf fileksa: regulation of gene expressionksa: regulation of gene...
TRANSCRIPT
KSA: REGULATION OF GENE EXPRESSIONKSA: REGULATION OF GENE EXPRESSION
Assistant Professor Dr. Chatchawan Srisawat
proteindegraded mRNA
Nucleus
cytosol
1. Gene
2. Transcription
3. RNA processing
4. RNA export
5. Translation
6. RNA stability
7. Post-translationalmodifications
-S-S-
active protein
REGULATION OF GENE EXPRESSION
ANIMAL CLONING
The first successful cloned animal using differentiated adult cells (1997)
DOLLYDOLLY
Human cloning
ANIMAL CLONING
ในการ clone Dolly, ใช epithelial cell จาก mammary gland เปน donor nucleus
Dolly Parton
• เหตุใดเซลลที่มี nucleus เชน lymphocyte จึงไมถูกนํามาใชเปน donor nuclei สําหรับการ cloning อธิบาย
ANIMAL CLONING
QUESTIONQUESTION
Gene rearrangement of immunoglobulin gene
ANIMAL CLONING
ANSWERANSWER
* การ rearrangement ของยีน เปนการเปลี่ยนแปลงที่ระดับของ DNA(ตางจากขบวนการ splicing ที่เกิดที่ระดับของ RNA) ดังนั้น เซลลที่มีการ rearrange ยีนแลว โครงสรางของยีนจะไมสามารถกลับไปเหมือนเดิมอยางเชนใน germ cell ไดอีก
* การ rearrangement ของยีน เปนการเปลี่ยนแปลงที่ระดับของ DNA(ตางจากขบวนการ splicing ที่เกิดที่ระดับของ RNA) ดังนั้น เซลลที่มีการ rearrange ยีนแลว โครงสรางของยีนจะไมสามารถกลับไปเหมือนเดิมอยางเชนใน germ cell ไดอีก
ANIMAL CLONING
QUESTIONQUESTION
Dolly ตายเมื่ออายุ 6 ป (normal life-span 12-15 ป)
• cloned animal มักมีอายุขัยที่สั้นกวาปกติ อธิบาย
Telomeres shortening
Donor nuclei from somatic cells
ANIMAL CLONING
ANSWERANSWER
One possible explanation:
Gap
ปลายของ DNA ที่หดสั้นลงทุกครั้งที่มีการ replication
ปลายของ DNA ที่หดสั้นลงทุกครั้งที่มีการ replication
5’ 3’3’ 5’
5’ 3’3’ 5’
3’5’
5’3’
5’3’
3’5’
5’3’
3’5’
5’ 3’3’ 5’
primerprimerprimer
ANIMAL CLONING
ANSWERANSWER
ถาปลายของ DNA (telomere) หดสั้นมากขึ้น อาจจะทําใหสวนที่เปนยีนขาดหายไป
เซลลจะไมสามารถแบงตัวและมีชีวิตอยูได
Aging and cell death
somatic cells: e.g. skin cells (keratinocytes), fibroblasts, etc
ANIMAL CLONING
ANSWERANSWER
ในเซลลสืบพันธุ (germline) จะมีการแสดงออกของเอ็นซัยม telomerase ทําใหรักษาความยาวของ telomere ไวได
Abnormal expression อาจพบไดในเซลลมะเร็ง ทําใหเซลลมะเร็งแบงตัวไดอยางตอเนื่อง
Abnormal expression อาจพบไดในเซลลมะเร็ง ทําใหเซลลมะเร็งแบงตัวไดอยางตอเนื่อง
ANIMAL CLONING
ANSWERANSWER
• animal cloning ยังพบกับปญหาในแงของเทคนิค เนื่องจากพบวา cloned embryo จํานวนมากสวนใหญจะตาย และไมสามารถเจริญไปเปน adult animal อธิบาย
QUESTIONQUESTION
ANIMAL CLONING
myocyte adipocyte neuron
embryonic cells
leukocyte
diffe
rent
iatio
n
Chromatin structureChromatin structure
DNA methylationDNA methylation
reprogrammingreprogramming
Failure of reprogramming -> ทําให cloned embyro ไมสามารถ develop เปน adult animal ได
ANSWERANSWER
ANIMAL CLONING
Gene rearrangementGene rearrangement
proteindegraded mRNA
Nucleus
cytosol
-S-S-
active protein
2. Transcription
REGULATION OF GENE EXPRESSION
1. ควบคุมผานทาง transcription factors
2. ควบคุมผานทางการเปลี่ยนแปลงโครงสรางของ chromatin
3. ควบคุมผานทางการ methylation ของ DNA
REGULATION OF GENE EXPRESSION - TRANSCRIPTIONAL LEVEL
กลไกการควบคุมที่ระดับ transcription มี 3 วิธี คือ
• การควบคุมขบวนการ transcription โดยเฉพาะขั้นตอน transcription initiation ถือวาเปนการควบคุมการแสดงออกของยีนที่สําคัญที่สุดอันหนึ่งในเซลลของมนุษย
• การควบคุมขบวนการ transcription โดยเฉพาะขั้นตอน transcription initiation ถือวาเปนการควบคุมการแสดงออกของยีนที่สําคัญที่สุดอันหนึ่งในเซลลของมนุษย
start site
core promoter(TATA box)
exon1 exon2intronup to 10 kilobases from the start site
upstream downstream
enhancersilencer
สรุป: ขบวนการควบคุมโดย transcription factor
• ยีนหนึ่งๆ อาจจะถูกควบคุมดวย transcription factor ไดหลายชนิด
activator จับกับ DNA สวนที่เปน enhancer
repressor จับกับ DNA สวนที่เปน silencer
transcription
transcription
+
+
+
++
-
RNA polymerase II
REGULATION OF GENE EXPRESSION - TRANSCRIPTIONAL LEVEL
Transcription factors
Chromatinremodeling DNA methylation
activator
repressor
chromatin condensation
chromatin condensation
DNA methylation
DNA methylation
REGULATION OF GENE EXPRESSION - TRANSCRIPTIONAL LEVEL
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
ความผิดปกติของการควบคุมขบวนการ transcription อาจเกิดไดหลายรูปแบบที่สามารถนําไปสูการเกิดโรคได เชน
e.g. Rett syndrome
neonatal-onset encephalopathy, mental retardation, autism, and an Angelman-like syndrome.
• Defects of transcription factors
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
- Mutation of MECP2 (methylcytosine binding protein 2)
Dysregulation of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression
ความผิดปกติของการควบคุมขบวนการ transcription อาจเกิดไดหลายรูปแบบที่สามารถนําไปสูการเกิดโรคได เชน
e.g. Rett syndrome
• Defects of transcription factors
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
• Mutations of DNA sequences at promoters/transcription elements
e.g. beta-thalassemia
- เปนโรคทางพันธุกรรมที่เกิดจากการสราง βglobin ซึ่งเปนสวนประกอบของ hemoglobin ลดนอยลง หรือไมมีการสรางเลย
Hemoglobin A (α2/β2)
ความผิดปกติของการควบคุมขบวนการ transcription อาจเกิดไดหลายรูปแบบที่สามารถนําไปสูการเกิดโรคได เชน
- Reduced β globin production
1. hemoglobin A (adult type)ลดลง
2. Excess α globin จะตกตะกอนภายใน red blood cell ทําใหเซลลเกิดการแตก ทําลายงาย
เกิดภาวะซีดอยางรุนแรงNormal VS. Beta thalassemia blood smear
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
• Mutations of DNA sequences at promoters/transcription elements
e.g. beta-thalassemia
ความผิดปกติของการควบคุมขบวนการ transcription อาจเกิดไดหลายรูปแบบที่สามารถนําไปสูการเกิดโรคได เชน
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
• Mutations of DNA sequences at promoters/transcription elements
ความผิดปกติของการควบคุมขบวนการ transcription อาจเกิดไดหลายรูปแบบที่สามารถนําไปสูการเกิดโรคได เชน
e.g. beta-thalassemia
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
การเพิ่มการแสดงออกของการเพิ่มการแสดงออกของ γγ globin gene globin gene อาจเปนวิธีหนึง่ในการรักษาอาจเปนวิธีหนึง่ในการรักษา ββ thalassemia thalassemia
Hemoglobin A-Adult type (α2/β2)
Hemoglobin F -Fetal type (α2/γ2)
Applications ของความรูเกี่ยวกับ regulation of gene expression ในการรักษา
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
Applications ของความรูเกี่ยวกับ regulation of gene expression ในการรักษา
Reduced β globin production
- hemoglobin A (adult type)ลดลง
- Excess α globin จะตกตะกอนภายใน red blood cell ทําใหเซลลเกิดการแตกทําลายงาย
ภาวะซดีลดลง
Increasedγ globin
production
Increasedγ globin
production
hemoglobin F เพิ่มขึน้มาแทนที่ Hb A
จะไมมี excess α globin เนื่องจากมี γ globin subunit มาใหจับกันเปน hemoglobin F
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
• ภายหลังคลอด, expression ของ γ globin gene จะถูกยับยั้งเนื่องจาก
chromatin condensation
DNA methylation
• การรักษาดวยยาบางชนิด สามารถกระตุน expression ของ γ globin gene ได
Applications ของความรูเกี่ยวกับ regulation of gene expression ในการรักษา
Decitabine (DACOGEN®)5-aza-2'-deoxycytidine
• Cytosine analog มีฤทธิ์ยับยั้ง DNA methyl-transferase ทําใหเกิด hypomethylation ของ DNA
BUPHENYL®
Sodium phenylbutyrate
• Butyrate มีฤทธิ์ยับยั้งของ histone deacetylase ทําใหลด condensation ของ chromatin structure
γ globin gene expression.
γ globin gene expression.
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
Applications ของความรูเกี่ยวกับ regulation of gene expression ในการรักษา
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
- inducible transcription factors โดยจับกับตัวกระตุน (ligand) เชน fatty acid- ควบคุม expression ของยีนตางๆ เชน gene ที่เกี่ยวของกับ lipid metabolism ทําใหมีการเพิ่มของ fatty acid uptake และ storage ใน adipose tissue.
Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs)
ทําใหภาวะ insulin resistance ที่ทําใหเกิด diabetes ดีขึน้
Applications ของความรูเกี่ยวกับ regulation of gene expression ในการรักษา
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
AVANDIA® Rosiglitazone
• Rosiglitazone เปนยาที่พัฒนาใหมีคุณสมบัติเปน strong agonist ของ PPAR-γ
New Antidiabetic Drug
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
ความรู เกี่ยวกับกลไกการควบคุมการแสดงออกของยีนในปจจุบัน กําลังไดรับความสนใจศึกษามากขึ้น และจะมีบทบาทสําคัญในการรักษาโรคตางๆในอนาคต
Conclusion
proteindegraded mRNA
Nucleus
cytosol
3. RNA processing
-S-S-
active protein
REGULATION OF GENE EXPRESSION
RNA PROCESSING AND HUMAN DISEASES
exon 1 exon 2 exon 3 exon 4
Activation of cryptic splice sites
Partial deletion of exon, exonskipping, or intron inclusion
Loss of normal splice sites
Malfunctional proteins
Mutations at splice sites or introns
frameshift/ premature stop
no proteins produced
RNA PROCESSING AND HUMAN DISEASES
Mutation ที่กอโรคไมจําเปนตองเกิดใน coding region เสมอไป แตอาจเกิดในบริเวณ regulatory region, intron หรือ splice sites ซึ่งสามารถทําใหเกิด abnormal expression หรือ splicing
Conclusion
TRANSCRIPTION REGULATION AND HUMAN DISEASES
Human diseases
proteindegraded mRNA
Nucleus
cytosol6. RNA stability
-S-S-
active protein
REGULATION OF GENE EXPRESSION
RNA INTERFERENCE
ขบวนการที่ double-stranded RNA (dsRNA) ทําใหเกิดการสลายของ mRNA ทีม่ลีําดับเบสเหมอืมกันกับ dsRNA นั้น
RNA stability control
Andrew Z. Fire and Craig C. Mellofor their discovery of
"RNA interference RNA interference –– gene silencing by doublegene silencing by double--stranded RNAstranded RNA""
RNA INTERFERENCE
DICER
RNase-III ribonuclease family
5’5’3’3’
dsRNA (e.g. from virus)
MECHANISMS OF RNAi
RNA INTERFERENCE
ATP
ADP + Pi
• 21-23 nt small intefering RNAs (siRNAs)
dsRNA
5’5’3’3’
DICER
RNA INTERFERENCE
MECHANISMS OF RNAi
siRNAs
Complex formation with a multicomponentnuclease
RNA-induced silencing complex(RISC)
ATP
ADP + Pi
Active RISC (RISC*)
unwinding of siRNA
RNA INTERFERENCE
MECHANISMS OF RNAi
Active RISC (RISC*)
Target mRNA recognition(mRNA with perfect
complementarity to siRNA)
Target mRNA cleavage
5’ 3’target mRNA
degraded target mRNA by deadenylation-independent pathway
RNA INTERFERENCE
MECHANISMS OF RNAi
BIOLOGICAL FUNCTIONS OF RNAi
• อาจมีประโยชนในการปองกันตัวของเซลลตอไวรัส โดยเฉพาะพวก RNA virus
• ในปจจุบันพบวามี ยีนที่มี final product ที่มี dsRNA เปนสวนประกอบ ซึ่งทําหนาที่ควบคุมการแสดงออกของยีนที่เปน target (ใชกลไก RNA stability)
RNA INTERFERENCE
What makes RNAi technology so promising for medicine?
RNA INTERFERENCE
การคนพบ RNA interference ทําใหมีการตื่นตวัที่จะใชประโยชนจากขบวนการดังกลาว มาใชในวงการแพทย เพื่อยับยั้ง expression ของยีนที่ไมตองการ เชน ยีนที่ทาํใหเกิดมะเร็ง, ยีนของ pathogenic microorganisms ตางๆ
RNA INTERFERENCE
• ในปจจุบัน การศึกษาวิจัยในระดับลึกเกี่ยวกับหนาที่และการทํางานของยีนตางๆ ไดเพิ่มขึน้อยางมาก ทําใหเกิดความเขาใจบทบาทของยีนที่มีสวนในการทําใหเกิดโรคมากตามไปดวย
RNA INTERFERENCE
• หลังจากการศึกษาเกี่ยวกับ human genome ไดเสร็จสมบูรณลง เมื่อราวป 2000 ทําใหนักวิทยาศาสตรและแพทยสามารถทราบเกี่ยวกับลําดับเบสของยีนทุกยีนในมนุษย
RNA INTERFERENCE
• คนหายีนที่เปนเปาหมายสําหรับการรักษา
• นํา siRNA ดงักลาวเขาสูเซลล
• เกิดการยับยั้งการแสดงออกของยีนเปาหมาย รวมทั้งเกิดผลทางการรักษา
โดยอาศัยความรูจาก basic research
• สราง dsRNA (siRNA) ที่มีลําดับเบสที่ตรงกับยีนเปาหมายโดยอาศัยเความรูกียวกับลําดับเบสของยีนนั้นๆจาก genome project
RNA INTERFERENCE IN THERAPEUTICS
RNAi สําหรับการรักษามะเร็ง
control
prostrate cancer cells
ไดรับ siRNA ที่ทําให mRNA ของ antiapoptotic
gene เกิดการทําลาย
RNA INTERFERENCE IN THERAPEUTICS
Gene therapy = การรกัษาโดยการใช gene ซึ่งจะถูกนําเขาไปในเซลลเพื่อแกไขความผิดปกติของยนีที่มีอยูกอน
GENE THERAPY
GENE THERAPY
Retrovirus Adenovirus Adeno-associated virus
GENE THERAPY
GENE THERAPY
First successful case using gene therapy
Severe Combined ImmunoDeficiency (SCID)
• เกิดจากความบกพรองของเอ็นซัยม adenosine deaminase
• ทําใหการทํางานของ T- และ B- lymphocyte บกพรอง
GENE THERAPY
Bubble baby
First successful case using gene therapy
GENE THERAPY
First successful case using genetherapy to treat SCID
First successful case using gene therapy
GENE THERAPY
SUMMARY
Advanced knowledge of gene expression and its regulationAdvanced knowledge of gene expression and its regulation
Great impact on medicineGreat impact on medicine
proteindegraded mRNA
Nucleus
cytosol
1. Gene2. Transcription3. RNA processing4. RNA export5. Translation6. RNA stability
7.Post-translational modifications
-S-S-active protein