Gener och kromosomer 3: gener, proteiner och mutationer

Introduktion

Den blåkopia som används för att bygga upp och driva människokroppen är lagrad i sekvenser av desoxiribonukleinsyra (DNA), som kallas gener. Denna genetiska information används för att tillverka proteiner med olika funktioner, från strukturella proteiner som är viktiga för att bygga muskler, ben och hud till enzymer som katalyserar de biokemiska reaktioner som är viktiga för kroppens överlevnad. Fel i den mänskliga genetiska koden, som kallas mutationer, leder ibland till produktion av onormala proteiner som kan orsaka sjukdom, inklusive autoimmuna sjukdomar och malignitet.

Proteiner

Proteiner är viktiga för både strukturen och funktionen i människokroppen. Dessa komplexa makromolekyler är uppbyggda av byggstenar som kallas aminosyror, enkla organiska föreningar som innehåller en karboxyl- (-COOH) och en aminogrupp (-NH2). Det finns 20 naturligt förekommande aminosyror (ruta 1); andra varianter kan framställas syntetiskt i laboratoriet.

Aminosyror

För att fungera effektivt, måste mänskliga celler kontinuerligt bygga nya proteiner för att ersätta äldre, skadade proteiner. Detta kräver en stadig tillförsel av alla 20 aminosyror. Under matsmältningen bryter mag-tarmkanalen sekventiellt ner de stora animaliska och vegetabiliska proteiner som finns i maten till polypeptider, peptider och slutligen till ”fria” aminosyror som kan passera tarmväggen för att absorberas i blodomloppet (VanPutte et al, 2017).

Naturligt förekommande aminosyror (ruta 1) delas upp i två kategorier:

• Essentiella – de nio aminosyror som mänskliga celler inte kan syntetisera och därför måste få direkt från födan;
• Non-essentiella – de elva aminosyror som mänskliga celler kan syntetisera om den direkta tillförseln via kosten är låg.

Denna terminologi kan vara förvirrande, eftersom så kallade icke-essentiella aminosyror i själva verket är essentiella för att bygga proteiner; termen används bara för att beteckna det faktum att de inte behöver erhållas via kosten.

Om adekvat näring bibehålls genom en hälsosam och balanserad kost får cellerna de aminosyror som krävs för proteinomsättningen. Dålig kost, ätstörningar, vissa mediciner och åldersprocessen (som kan minska aptiten) kan dock alla begränsa tillgången på aminosyror via kosten, särskilt de nio essentiella aminosyrorna. Detta äventyrar kroppens förmåga att ersätta proteiner, vilket kan leda till muskelförlust och sjukdom.

Proteinsorter

Proteiner utgör den största organiska komponenten i människokroppen och utgör ungefär 50 % av torrmassan i en typisk mänsklig cell (Radivojac, 2013). De syntetiseras i cellens cytoplasma, där aminosyror kopplas samman med peptidbindningar för att bilda långa förgrenade kedjor som sträcker sig från några få aminosyror till tusentals. Dessa aminosyrakedjor veckar eller vrider sig vidare till de unika tredimensionella konfigurationer som de måste anta för att uppfylla sina avsedda roller i kroppen (VanPutte et al, 2017).

Det största för närvarande kända proteinet i människokroppen är ett muskelprotein som kallas titin (eller connectin), som består av cirka 33 000 aminosyror. Det fungerar som en molekylär fjäder och tros bidra till kraften i muskelkontraktionen (Powers et al, 2014).

Det mänskliga genomprojektet har visat att människan har knappt 20 000 strukturella gener som kodar för enskilda proteiner. Varje gen kan dock ge upphov till upp till 100 varianter av det protein den kodar för, så upp till två miljoner olika varianter av proteiner kan finnas i människokroppen (Ponomarenko et al, 2016).

Exempel på vanliga proteiner är bland annat:

• Aktin och myosin – kontraktila proteiner som finns i muskler;
• Keratin – ett tätt protein som finns i hår, fingernaglar och hudens epidermis;
• Kollagen – ett allmänt strukturellt protein (som till exempel används för att bygga upp ett ramverk av brosk och ben) som kan finnas i olika fibrösa former;
• Proteinhaltiga hormoner som insulin och glukagon – dessa är vanligen i korta kedjor som kallas peptider och cirkulerar i blodet och fungerar som kemiska budbärare;
• Kataboliska matsmältningsenzymer som pepsin, trypsin och amylas – dessa hjälper till att smälta och bryta ner matens makromolekyler till enkla beståndsdelar som kroppen kan ta upp;
• Anabola enzymer som DNA-polymeras, ribonukleinsyre (RNA)-polymeras och glykogensyntas – deltar i uppbyggnaden av DNA-, RNA- och glykogenmolekyler (djurstärkelse);
• Haemoglobin – deltar i transporten av syre och koldioxid i röda blodkroppar (erytrocyter);
• Antikroppar, ofta kallade immunoglobuliner – små Y-formade proteiner som spelar en avgörande roll i immunsystemet genom att de binder sig till främmande material och därmed märker det för att förstöras;
• Neurotransmittorer – små proteiner som fungerar som kemiska budbärare i nervsystemet (t.ex. substans P);
• Neurotransmittoreceptorer – dessa (t.ex. acetylkolinreceptorn) tar emot meddelanden från neurotransmittorer.

Ribosomer

Proteiner syntetiseras i cellerna av ribosomer, små organeller som är tätt arrangerade och inbäddade i det endoplasmatiska retikulumet (ER) i cytoplasman. ER är ett system av tillplattade sammankopplade membran och större delen av dess yta är täckt av ribosomer, vilket ger den ett grovt, ojämnt utseende som har lett till att området har blivit känt som det grova ER. Här ”översätter” ribosomerna den genetiska koden genom att sätta ihop aminosyror för att skapa proteiner (Lewis, 2018).

Ribosomerna består mestadels av en specialiserad form av RNA som kallas ribosomalt RNA (rRNA), som stabiliseras av små mängder protein som också hjälper till att sätta ihop själva ribosomerna (De la Cruz et al, 2015). I en enda mänsklig cell kan tusentals ribosomer aktivt konstruera proteiner samtidigt.

Från gener till proteiner

Strukturella gener innehåller sekvenser av DNA som bestämmer sekvenserna av aminosyror i proteiner. Kontrollgener (eller regulatoriska gener) styr vilka strukturella gener som uttrycks (”slås på”) i en viss vävnad.

Att använda den genetiska informationen som finns i DNA för att bygga proteiner innefattar några olika steg:

• Transkription;
• Posttranskriptionell modifiering;
• Translation;
• Posttranslationella modifieringar.

Transkription

Den genetiska informationen som lagras i cellens kärna måste levereras till ribosomerna i cytoplasman. Inne i cellkärnan finns DNA i form av enorma dubbelspiraler. DNA-molekylerna är för stora för att kunna överföras direkt till ribosomerna, så den genetiska informationen som lagras i DNA måste kopieras till ett mindre, mer rörligt medium – den processen kallas transkription.

Under transkriptionen kopieras en gensekvens som kodar för ett protein från dubbelsträngat DNA till enkelsträngat RNA (fig. 1). Enkelsträngade RNA-molekyler är mycket mindre än DNA-molekyler och kan därför färdas genom de små porerna i kärnmembranet. RNA-molekylens roll blir att leverera instruktioner för proteintillverkning till en ribosom. Eftersom denna form av RNA överför information från kärnan till cytoplasman kallas den för messenger RNA (mRNA).

Likt DNA är RNA uppbyggt av nukleotidbaser, men till skillnad från DNA har det ingen tyminbas. I RNA är tymin ersatt av en annan nukleotidbas som heter uracil. Reglerna för basparning vid transkription skiljer sig därför något från reglerna för basparning vid DNA-replikation (ruta 2).

Processen för DNA-transkription är mycket lik den för DNA-replikation (se del 2) och omfattar följande steg:

• Enzymet RNA-polymeras binder till början av DNA-gensekvensen (även kallad promotorsekvens);
• RNA-polymeras avvecklar en liten del av DNA-dubbelhelixen för att göra den enkelsträngad (en process som ofta beskrivs som analog med att lossa en dragkedja) – det lilla området av avvecklat enkelsträngat DNA kallas för en transkriptionsbubbla (VanPutte et al, 2017);
• Endast en av de frilagda DNA-strängarna innehåller användbar information för att konstruera ett protein – den strängen används som mall för transkription;
• RNA-polymeras syntetiserar en komplementär mRNA-sträng med hjälp av transkriptionens basparningsregler.

Box 3 visar ett exempel på transkription.

Post-transkriptionella modifieringar

Inte all information som kodas i mRNA-strängar är användbar för att konstruera ett protein. En nytranskriberad RNA-sträng består av två element:

• Exons – sekvenser med viktig information för att bygga ett protein som har rätt sekvens av aminosyror;
• Introner – sekvenser som avbryter de exon-kodande sekvenserna och som vanligtvis inte innehåller användbar information för att bygga ett protein. När intronerna en gång betraktades som skräpsekvenser anses de nu spela en roll i regleringen av genuttrycket (Chorev och Carmel, 2012).

Intronerna måste skäras ut och exonerna skarvas ihop för att bilda en sammanhängande ”high-fidelity”-mRNA-sekvens: denna skärning och skarvning – som kallas posttranskriptionell modifiering – görs av enzymer i kärnan. Processen visas i figur 2.

Den genetiska kodens natur

Den genetiska koden är en triplett av tre kvävebaser som kodar för en aminosyra. Eftersom det finns 20 naturligt förekommande aminosyror gör tre baser att varje aminosyra kan representeras av en triplettkod (och vissa representeras mer än en gång). Triplettkoden gör det också möjligt att koda in ”start- och stoppinstruktioner” i mRNA-strängen, så att ribosomerna vet när de ska påbörja och avsluta konstruktionen av ett protein.

Varje löpning av tre baser (triplettkod) på en mRNA-sträng kallas för en kodon. Det första kodonet på en mRNA-sträng är alltid ”startkodonet” – kallat AUG – som instruerar ribosomen att påbörja proteinsyntesen. Eftersom AUG också kodar för aminosyran metionin är metionin den första aminosyran som införlivas i ett protein – om den faktiskt inte behövs tas den bort senare (Xiao et al, 2010).

Aminosyrorna i sig levereras till ribosomerna av transfer-RNA-molekyler (tRNA). En unik tRNA-molekyl motsvarar varje aminosyra och varje tRNA-molekyl har sin egen unika triplettkod, som motsvarar en kodon på mRNA-strängen. Dessa tRNA-sekvenser kompletterar mRNA-kodonerna och kallas därför anticodoner (VanPutte et al, 2017).

Translation

Efter transkription och posttranskriptionell modifiering genereras en mogen, oavbruten sekvens av mRNA. När denna sekvens kommer in i cytoplasman fäster den vid en ribosom och kan sedan användas för proteinsyntes i en process som kallas translation.

DNA-translation (figur 3) sker i en rad steg:

• En sträng av moget mRNA fäster vid en ribosom;
• Tre baser på mRNA-strängen (kodon) exponeras på ribosomen – till exempel AUG (startkodonet som också kodar för metionin);
• En tRNA-molekyl anländer till ribosomen, anpassar sitt anticodon till kodonet på mRNA-strängen och levererar motsvarande aminosyra – till exempel för ”start”-kodonet AUG levererar motsvarande anticodon UAC metionin;
• MRNA-strängen förflyttar sig längs ribosomen med tre baser och exponerar nästa kodon, varefter nästa tRNA-molekyl anländer med sitt komplementära anticodon och levererar ytterligare en aminosyra;
• Peptidbindningar bildas mellan varje intilliggande aminosyra och en proteinkedja börjar bildas;
• MRNA-strängen fortsätter att förflytta sig längs ribosomen med tre baser i taget och exponerar varje kodon i sin tur. TRNA-molekylerna med motsvarande antikodon fortsätter att leverera aminosyror, peptidbindningar fortsätter att bildas och proteinkedjan fortsätter att förlängas;
• Till slut når man en stoppkodon (UAA, UAG eller UGA) i slutet av mRNA-strängen och proteinsyntesen stoppas – DNA-translationsprocessen har skapat ett råprotein.

Posttranslationellativa modifieringar

Råproteinet behöver vanligtvis modifieras innan det kan anta sin slutliga 3D-konfiguration och börja utföra sin funktion i kroppen. Dessa modifieringar sker i cytoplasman i en organell som kallas Golgiapparaten (även känd som Golgikroppen eller helt enkelt Golgi), som ofta beskrivs som cellens ”förpacknings- och exportområde”.

Proteiner genomgår posttranslationella modifieringar enligt följande:

• Den råa versionen av proteinet paketeras i en liten membranbunden säck, överföringsvesikeln;
• Överföringsvesikeln lämnar det grova ER och vandrar till Golgiapparaten;
• I Golgiapparaten förädlas det råa proteinet, vilket ofta innebär att sockerrester läggs till aminosyrakedjan via glykosylering (Huang och Wang, 2017) – många proteiner i människokroppen är faktiskt glykoproteiner (proteiner med tillsatt socker);
• Det förädlade proteinet lämnar Golgiapparaten och används antingen i cellen eller paketeras i en sekretorisk vesikel för att exporteras;
• Proteiner som är avsedda att exporteras släpps ut ur cellen när deras sekretoriska vesikel smälter samman med plasmamembranet.

Exporterade proteiner kan antingen användas lokalt i en vävnad eller transporteras till avlägsna delar av kroppen med blodet. Exempelvis frigörs hormonet insulin, som syntetiseras i betacellerna i bukspottkörteln, direkt i cirkulationen när blodglukosnivåerna ökar. Det fungerar sedan som en kemisk budbärare som binder sig till receptorer (som i sin tur är proteiner) på många mänskliga celler och instruerar dem att ta upp glukos, vilket normaliserar glukoskoncentrationen i blodet.

Mutationer

För att proteiner ska fungera korrekt måste de ha rätt sekvenser av aminosyror, vilket i slutändan bygger på att den genetiska koden förblir konstant. Det finns dock så många nukleotidbaser i den mänskliga arvsmassan (cirka tre miljarder baspar) att fel undantagslöst uppstår. Sådana fel kallas mutationer och kan leda till produktion av proteiner som kanske inte fungerar korrekt. Onormala proteiner är förknippade med en rad olika sjukdomar, inklusive vissa former av autoimmuna sjukdomar och malignitet.

Genetiska mutationer kan uppstå slumpmässigt till följd av fel i DNA-replikationen (beskrivet i del 1 i denna serie), särskilt när kroppen åldras; alternativt kan de orsakas av miljöfaktorer som direkt skadar DNA-molekyler. Allt som kan skada DNA och leda till mutation kallas mutagena ämnen (VanPutte et al, 2017). Många genetiska mutationer uppstår i delar av DNA som inte kodar för proteiner (t.ex. i icke-kodande introner), så de har vanligtvis liten inverkan på den fysiologiska funktionen.

Faktorer som är kända för att skada DNA, och därmed öka risken för mutationer, är bland annat:

• Ökande ålder;
• Föroreningar;
• Infektioner – särskilt virusinfektioner, eftersom virus ofta infogar sina gener i mänskligt DNA, vilket potentiellt kan avbryta gensekvenser;
• Strålning – till exempel ultraviolett ljus (UV-ljus) från solen eller röntgenstrålning från medicinsk avbildning.

UV-ljus från solen (särskilt UVB) är känt för att skada DNA i hudceller. Om mutationer uppstår i de kontrollgener som reglerar celldelningen eller i de gener som kodar för DNA-reparationsenzymer kan resultatet bli okontrollerad celldelning och hudcancer (Hopkins, 2015). Även om mänsklig hud som utsätts för solljus producerar sitt eget naturliga UV-skydd i form av melanin (det mörka pigmentet som brunar huden) kan nedbrytning av ozonskiktet och alltför lång tid i solen leda till skadliga doser av UV-strålning som ökar risken för hudcancer. Solskyddsmedel ger ett bättre UV-skydd och har visat sig avsevärt minska UV-inducerade hudskador och hudcancer (Green och Williams, 2007).

Mutationer som de som orsakas av UV-strålning på DNA i huden förs i allmänhet inte vidare från generation till generation. När mutationer påverkar könscellerna i testiklarna och äggstockarna kan de dock gå i arv till avkomman. Över 100 000 mutationer har rapporterats i mänskliga könsceller, varav många är förknippade med vanliga ärftliga genetiska sjukdomar (Vipond, 2013; Cooper et al, 2010). Några av dessa kommer att undersökas i den fjärde och sista artikeln i denna serie.