Genregulering er når cellene regulerer hvilke gener som er slått av eller på, i hvilke vev og organer de er aktive, og hvor mye genprodukt som lages til enhver tid. Genene er oppskrifter for hvordan en organisme skal se ut og fungere. Alle cellene i en flercellet organisme inneholder de samme genene (med få unntak), men forskjellige gener kommer til uttrykk i forskjellige deler av kroppen (vev). Ikke alle gener skal være aktive hele tiden i alle celler, derfor er genregulering nødvendig.
Når gener er aktive, kalles det genuttrykk. Når et gen blir uttrykt, betyr det som regel at en DNA-bit (gen) leses av og det lages et protein eller et RNA. Genuttrykk betyr derfor at informasjonen som ligger i genene brukes til å lage produkter cellene trenger. Genregulering er regulering av genuttrykk.
Alle organismer har genregulering. Mekanismene er noe forskjellig mellom prokaryote (bakterier og arkebakterier) og eukaryote organismer (sopp, planter og dyr), men noen ting er felles.
Måter
Genuttrykk skjer i ulike stadier, og reguleringen kan skje på alle stadiene. Man deler gjerne inn i tre hovedmåter reguleringen skjer på:
- Avlesing av genet. Det første stadiet for å uttrykke informasjonen som ligger i genene, er avlesing av koden i DNA-tråden som genet består av. Dette fører til produksjon av mRNA. Denne prosessen kalles transkripsjon. Genregulering på dette stadiet innebærer om mRNA skal produseres eller ikke, og i hvor store mengder.
- Oversettelse av mRNA. Det neste stadiet er når mRNA oversettes til et protein. Dette kalles proteinsyntese (translasjon). Genregulering på dette stadiet innebærer hvorvidt mRNA faktisk fører til dannelsen av protein og hvor mye protein som lages.
- Justering av protein. Når proteiner er laget, kan regulering skje ved at proteinene enten er i en aktiv eller inaktiv form, eller hvorvidt proteinene er stabile over lang tid eller blir destruert etter kort tid.
I bakterier
I bakterier og andre prokaryote organismer skjer genregulering kun på det første stadiet nevnt over. Det er to hovedprinsipper for genregulering i prokaryote organismer.
- Negativ kontroll betyr at avlesing av genet hindres ved at noe binder seg til DNA-tråden. Utgangspunktet er at genet alltid er aktivt og det må en kontrollmekanisme til for å stoppe det. Et protein kalt repressorprotein fester seg til DNA-tråden oppstrøms for genet og stopper avlesningen av informasjonen som ligger i genet.
- Positiv kontroll betyr at avlesing av genet fremmes ved at noe binder seg til DNA-tråden. Utgangspunktet er at genet alltid er slått av, og det må en reguleringsmekanisme til for å slå det på.
I prokaryote organismer blir ofte flere gener regulert på en gang. Det er fordi gener i disse organismene ofte ligger tett etter hverandre på DNA-tråden. En slik samling gener kalles operon.
I flercellede organismer
Det fins gener som alltid er slått på i flercellede organismer. Dette er gener som er så viktige at de skal være aktive hele tiden. Disse genene er essensielle for den daglige driften av en organisme og vil være aktive uavhengig av miljø og hvor i livssyklusen organismen er. Eksempler på slike gener er de som sørger for at DNA kan kopiere seg selv (DNA-replikasjon) og repareres dersom noe går galt, sørger for produksjonen av proteiner og er involvert i stoffskifte (metabolisme).
Genreguleringen i flercellede organismer dreier seg om bruk av transkripsjonsfaktorer, hvor tilgjengelig DNA-tråden er og om epigenetikk.
Transkripsjonsfaktorer
Sentralt i genreguleringen i eukaryote organismer står en stor gruppe proteiner som regulerer avlesing av genene, det vil si de kontrollerer hvorvidt transkripsjon skal skje eller ikke. Disse kalles med en fellesbetegnelse for transkripsjonsfaktorer. Det finnes omtrent 1600 ulike transkripsjonsfaktorer i cellene hos eukaryote organismer. Noen stimulerer avlesing av gener (positiv regulering), andre hindrer eller skrur ned aktiviteten til gener (negativ regulering).
I promotorområdet finner man en rekke forskjellige regulerende sekvenser på 8–20 baser, såkalte forsterkere (enhancere), som er senter for binding av aktiverende proteiner, transkripsjonsfaktorer. Hvert gen krever da nærvær av et knippe slike transkripsjonsfaktorer for at transkripsjonen skal nå sitt rette nivå.
Tilgangen til DNA-tråden
Kromatin er betegnelsen på DNA-tråden og de proteinene som hjelper til med å pakke DNA-tråden tett sammen slik at den får plass i cellen. En DNA-tråd har en lengde på omtrent to meter dersom den strekkes fullt ut, men fordi den er ekstremt tynn og pakkes sammen, får den plass. Deler av DNA-tråden er veldig tett pakket og kalles heterokromatin, mens andre deler er mer åpne og kalles eukromatin.
Kromatin er også med på å regulere genuttrykk. De genene som ligger i de heterokromatine delene, det vil si de tettpakkede områdene av kromosomene, er mye mindre aktive enn de genene som ligger i de eukromatine delene.
Epigenetikk
DNA-metylering er prosessen hvor DNA får festet til seg metylgrupper. DNA-metylering gjør at aktiviteten til genene blir lav, det vil si at det lages lite protein fra et gen som har metylgrupper festet til seg. Jo flere metylgrupper, jo færre proteiner blir produsert fra genet. Metylgruppene fungerer dermed som en brems på genaktiviteten. Dette er en del av epigenetikken.
- Les mer om DNA-metylering
Genregulering gjennom livet
I motsetning til genotypen, som er så å si uforanderlig gjennom hele livet (bortsett fra noen få mutasjoner), forandrer fenotypen seg avhengig av hvor i livssyklusen individet er og hvordan miljøet påvirker det. Det betyr at genreguleringen endrer seg i løpet av et livsløp. Hvilke gener som er skrudd av eller på avhenger av hvor i livssyklusen individet er.
Et eksempel er regulering av genuttrykk i de ulike stadiene til en sommerfugl. En sommerfugl er først en larve, så en puppe og til slutt en voksen sommerfugl. Alle disse stadiene i sommerfuglens utvikling er ulike fenotyper basert på den samme genotypen.
Miljøtilpasning
Genregulering påvirkes også av miljøet organismene lever i. En type fisker som kalles ciklider forandrer seg dersom de lever i et miljø med tilgang til en type snegler. Når sneglene er til stede, utvikler fiskene større tenner, slik at de kan klare å spise sneglene. Genotypen er den samme, men når miljøet varierer, blir fenotypen forskjellig på grunn av genregulering.