Informatie

Welke DNA-elementen horen bij de definitie van een gen?


Ik zie veel verschillende DNA-elementen genoemd als onderdeel van een gen (over eukaryoten):

De lengte van het DNA na de promotor is een gen en bevat het recept voor een eiwit. (video)

Dit houdt in dat de promotor is geen onderdeel van het gen.

Dit definieert eigenlijk een gen zonder versterkers/geluiddempers

(bron)

Hier ook het gen inclusief de versterkers/geluiddempers

Vraag
Is er een geaccepteerde gendefinitie met betrekking tot de DNA-elementen? Dus welke sequenties zoals promotoren, versterkers, geluiddempers enz. worden beschouwd als onderdeel van het gen?


Gewoonlijk wordt een promotor niet beschouwd als een deel van het gen. Distale regulerende elementen komen nog lager in aanmerking om als onderdeel van een gen te worden beschouwd, omdat ze veel genen tegelijk kunnen reguleren.

In principe begint een genetisch gebied vanaf de transcriptiestartplaats (TSS) en eindigt bij de terminator (of polyadenylatie/splitsingsplaats in eukaryoten). Als een gen aanleiding geeft tot meerdere transcripten, diegene die vergelijkbare producten hebben (geen frameshifts) maar verschillende TSS/terminators, moeten we het genetische gebied beschouwen als een unie van alle primaire transcripten die van die plaats worden geproduceerd.

Er is een relatief oud artikel over dit onderwerp: Wat is een gen, pose ENCODE? Geschiedenis en bijgewerkte definitie. Het vat samen dat:

Er zijn drie aspecten aan de definitie die we hieronder zullen noemen, voordat we de beknopte definitie geven:

  1. Een gen is een genomische sequentie (DNA of RNA) die direct codeert voor functionele productmoleculen, ofwel RNA of eiwit.

  2. In het geval dat er verschillende functionele producten zijn die overlappende gebieden delen, neemt men de vereniging van alle overlappende genoomsequenties die daarvoor coderen.

  3. Deze vereniging moet coherent zijn, d.w.z. afzonderlijk gedaan voor uiteindelijke eiwit- en RNA-producten, maar vereist niet dat alle producten noodzakelijkerwijs een gemeenschappelijke subsequentie delen.

Dit kan beknopt worden samengevat als:

Het gen is een unie van genomische sequenties die coderen voor een coherente set van mogelijk overlappende functionele producten.

.


Mijn samenvatting is dat een gen, als het codeert voor een eiwit, een vereniging zou zijn van alle primaire transcripten die identieke eiwitten produceren (afkomstig van transcripten met verschillende TSS/terminators) of splitsingsvarianten. Idealiter zouden alle verschillende transcripten die uit de locus zijn geproduceerd dezelfde promotor hebben.

Over het algemeen lijkt het erop dat een gemeenschappelijke promotor noodzakelijk is om de verschillende producten onder hetzelfde gen te beschouwen, want als twee producten worden geproduceerd door verschillende promotors, beschouwen we ze als producten van overlappende genen.

Of we de promotor moeten beschouwen als een onderdeel van een gen, is een open discussie.


Het hangt er van af. Er zijn twee brede definities die werken.

De meer algemene definitie van een gen is de getranscribeerde delen van DNA, een gen begint op de startplaats van de transcriptie en eindigt op de Poly-A-plaats. Dit is gebruikelijk bij het bespreken van mRNA, lncRNA, tRNA. Het is waar de meeste wetenschappers naar verwijzen als ze zeggen: ACTB gen of IRF5 gen of zo.

Als je alle introns expliciet wilt opnemen, zeg je 'Gene Body', als je introns wilt uitsluiten, zeg je gewoon ' ACTB Exonen'.

Een oudere en aantoonbaar betere definitie van het gen van Thomas Morgan is een eenheid van erfelijkheid, die bij mutatie resulteert in een fenotype.

De tweede definitie zegt niets over transcriptie en omvat zaken als promotor/enhancer-mutaties. Vanuit een moleculair-biologisch standpunt is het moeilijker te definiëren. Het is nuttiger voor genetica omdat je geïnteresseerd bent in hoe een fenotype wordt geërfd en het is etiologie, niet hoe een soort RNA functioneert.

98% van de tijd dat mensen genen bespreken, bedoelen ze de vorige definitie, maar dit is nog steeds een onderwerp waar actief over wordt gedebatteerd en naarmate we meer leren over genetica, zal dit veranderen.


Welke DNA-elementen horen bij de definitie van een gen? - Biologie

DNA is een essentieel molecuul voor het leven. Het werkt als een recept dat de instructies bevat die ons lichaam vertellen hoe het zich moet ontwikkelen en functioneren.

Waar staat DNA voor?

DNA is een afkorting voor deoxyribonucleïnezuur.

Verschillende cellen in het lichaam

Ons lichaam heeft ongeveer 210 verschillende soorten cellen. Elke cel heeft een andere taak om ons lichaam te helpen functioneren. Er zijn bloedcellen, botcellen en cellen die onze spieren maken.

Hoe weten cellen wat ze moeten doen?

Cellen krijgen hun instructies over wat ze moeten doen van DNA. DNA werkt als een computerprogramma. De cel is de computer of de hardware en het DNA is het programma of de code.

De DNA-code wordt vastgehouden door de verschillende letters van de nucleotiden. Terwijl de cel de instructies op het DNA "leest", vertegenwoordigen de verschillende letters instructies. Elke drie letters vormt een woord dat een codon wordt genoemd. Een reeks codons kan er als volgt uitzien:

Ook al zijn er maar vier verschillende letters, DNA-moleculen zijn duizenden letters lang. Dit maakt miljarden en miljarden verschillende combinaties mogelijk.

Binnen elke reeks DNA zijn sets instructies die genen worden genoemd. Een gen vertelt een cel hoe een specifiek eiwit moet worden gemaakt. Eiwitten worden door de cel gebruikt om bepaalde functies uit te voeren, te groeien en te overleven.

Vorm van het DNA-molecuul

Hoewel DNA er onder een microscoop uitziet als hele dunne lange strengen, blijkt dat DNA een specifieke vorm heeft. Deze vorm wordt een dubbele helix genoemd. Aan de buitenkant van de dubbele helix bevindt zich de ruggengraat die het DNA bij elkaar houdt. Er zijn twee sets ruggengraat die in elkaar draaien. Tussen de ruggengraat bevinden zich de nucleotiden die worden weergegeven door de letters A, T, C en G. Een ander nucleotide maakt verbinding met elke ruggengraat en maakt vervolgens verbinding met een ander nucleotide in het midden.

Alleen bepaalde sets nucleotiden kunnen bij elkaar passen. Je kunt ze zien als puzzelstukjes: A verbindt alleen met T en G verbindt alleen met C.


Genen

Het gen is de fysieke en functionele basiseenheid van erfelijkheid. Het bestaat uit een specifieke sequentie van nucleotiden op een bepaalde positie op een bepaald chromosoom die codeert voor een specifiek eiwit (of, in sommige gevallen, een RNA-molecuul).

Genen bestaan ​​uit drie soorten nucleotidesequenties:

  • coderende regio's, exons genaamd, die een sequentie van aminozuren specificeren
  • niet-coderende regio's, introns genaamd, die geen aminozuren specificeren
  • regulerende sequenties, die een rol spelen bij het bepalen wanneer en waar het eiwit wordt gemaakt (en hoeveel wordt gemaakt)

De structurele componenten van een gen

Een mens heeft 20.000 tot 25.000 genen die zich op 46 chromosomen (23 paren) bevinden. Deze genen staan ​​gezamenlijk bekend als het menselijk genoom.


De functie van repetitief DNA werd in de jaren tachtig belicht door verschillende lijnen van genoomonderzoek. Er werd sterk bewijs gepresenteerd dat aantoont dat repetitief DNA een evolutionair hulpmiddel is om de vorming van nieuwe genen te katalyseren door genconversie te onderdrukken. Dit bewijs is hier verzameld zodat een nieuwe generatie genoomwetenschappers het in het frisse licht van de rede kan onderzoeken.

Genconversie verbindt vergelijkbare DNA-sequenties met elkaar. Het kan werken op genen binnen een familie met meerdere genen of het kan interchromosomaal werken op genhomologen. Vergelijkbare DNA-sequenties zijn de substraten voor genconversie. Genconversie is de verbindende kracht waardoor soorten kunnen bestaan. De genenpool van een soort bestaat uit DNA-sequenties in een netwerk dat is verbonden door genconversiegebeurtenissen. Repetitieve sequenties spelen de rol van het ontkoppelen van dit netwerk, waardoor nieuwe genen kunnen evolueren. Het kortere Alu- of SINE-repetitieve DNA is gespecialiseerd voor het ontkoppelen van intrachromosomale genconversie, terwijl het langere LINE-repetitieve DNA is gespecialiseerd voor het ontkoppelen van interchromosomale genconversie.


Functies van gen:

De belangrijkste functie van een gen is het vormen of produceren van een eiwit, maar het is niet de enige functie. Het is inderdaad gedeeltelijk waar.

Sommige genen kunnen geen eiwitten vormen, hoewel ze in mRNA worden getranscribeerd. De microRNA's zijn bijvoorbeeld het type klein ribonucleïnezuur dat wordt gevormd uit sommige genen, maar het ondergaat geen eiwitvorming. Het helpt in plaats daarvan bij genregulatie.

Laten we nu eerst begrijpen hoe genen eiwitten vormen?

Van replicatie wordt het DNA of de genen gekopieerd van één cel naar twee dochtercellen. Het proces van replicatie wordt gereguleerd door DNA-polymerase.

Daarna ondergaat het definitieve DNA-gebied (een gen) transcriptie via RNA-polymerase.

Zoals we al zeiden, bindt RNA-polymerase in de buurt van het promotorgebied en begint nucleotiden toe te voegen. Het mRNA is opgebouwd uit een gen.

Daarna vinden post-transcriptionele modificaties plaats, gevolgd door de migratie van mRNA naar het cytoplasma.

Bij het ribosoom, in het cytoplasma, vertaalde het mRNA zich in de keten van aminozuren. Zo vindt het hele mechanisme van eiwitvorming plaats in een cel.

Omdat we het hier hebben over een "gen", is het erg belangrijk om te vermelden hoe verschillende genen werken. Er zijn drie soorten genen aanwezig in ons genoom,

Genen die coderen voor een enkel eiwit — sommige genen coderen slechts voor één bepaald eiwit. Het heeft alleen massages om een ​​enkel type eiwitproduct te vormen, bijvoorbeeld het hemoglobine-gen HBA en HBB.

Het HBA-gen codeert voor de alfaketen van Hb, terwijl het HBB-gen codeert voor de bètaglobineketen van het Hb-eiwit.

Genen die coderen voor veel eiwitten– In de conventionele genetica geloofden wetenschappers dat één enkel eiwit uit één enkel gen werd gevormd. Toch was de aanname totaal verkeerd.

Een gen, met veel verschillende exons, kan meer dan één soort eiwitproduct maken. Met de combinatie van verschillende exonische sequenties worden verschillende soorten aminozuurketens geconstrueerd. En dat is het mooie ervan.

Je kunt hier niet in geloven!, "Een enkel fruitvlieggen kan coderen voor 38.000 soorten verschillende eiwitten."

Niet-eiwit coderende genen– sommige genen kunnen geen eiwitten vormen in plaats van dat ze een rol spelen bij genregulatie.

Daarnaast worden hier verschillende andere sets genen op basis van hun functie gecategoriseerd:

Huishoudelijke genen: Genen die nodig zijn om de normale functies van elke cel uit te voeren, staan ​​​​bekend als huishoudgenen. Gewoonlijk coderen deze genen eiwitproducten voor transcriptie, translatie en replicatie.

Induceerbare genen: Normaal induceerbare genen blijven inactief, uitgedrukt onder invloed van extrinsieke factoren.

Ontwikkelingsgenen: Dit soort genen helpt in het vroege stadium van de groei en ontwikkeling van organismen.

Weefselspecifieke genen: In tegenstelling tot de huishoudgenen, komen weefselspecifieke genen alleen tot expressie in een bepaald type weefsel. En het blijft inactief in andere soorten weefsels.

Homologe genen: genen die zijn geërfd van een gemeenschappelijke voorouder, een gemeenschappelijke functie delen en sequentieovereenkomsten hebben, worden gecategoriseerd in homologe genen.

Niet-homologe genen: Genen die niet van een gemeenschappelijke voorouder zijn geërfd, zijn ontstaan ​​​​door een aantal evolutionaire krachten die bekend staan ​​als niet-homologe genen.

Autosomale genen: genen op autosomale chromosomen worden onderverdeeld in autosomale genen

Geslachtsgebonden genen: Genen die zich op het X- of Y-chromosoom (bij mensen) of op geslachtschromosomen bevinden, worden in deze categorie ingedeeld. Deze genen zijn zeer cruciaal voor de reproductieve gezondheid van een persoon.

Afgezien van deze "niet-zo-veel voorkomende" functie van genen. Genen interageren met omgevingsfactoren en creëren nieuwe allelen. Nieuwe allelen geven aanleiding tot nieuwe eigenschappen voor een organisme om te overleven.

Het is ook geërfd van ouders naar hun nakomelingen, daarom transporteert het ook vitale informatie voor een cel of organisme.

De belangrijkste functie van genen of DNA is immers om ons onder alle omstandigheden op aarde te laten overleven.

Helaas veroorzaken sommige ongewone veranderingen of veranderingen in een gen ook ziekte die we in het volgende deel van dit artikel zullen bespreken.


Verschil tussen stroomopwaarts en stroomafwaarts DNA

Definitie

Stroomopwaarts DNA verwijst naar het DNA naar het 5'-uiteinde, terwijl stroomafwaarts DNA verwijst naar het DNA naar het 3'-uiteinde. Dit is dus het belangrijkste verschil tussen stroomopwaarts en stroomafwaarts DNA.

Elementen met betrekking tot de transcriptie-initiatiesite

Stroomopwaarts DNA bevat regulerende elementen, waaronder de promotor en transcriptiefactor-bindingsplaatsen, terwijl stroomafwaarts DNA het eiwitcoderende gebied bevat.

Transcriptie

Transcriptie is een ander verschil tussen stroomopwaarts en stroomafwaarts DNA. Stroomopwaarts DNA naar de transcriptie-initiatieplaats ondergaat geen transcriptie, terwijl stroomafwaarts DNA naar de transcriptie-initiatieplaats transcriptie ondergaat tot aan de transcriptieterminatieplaats.

Nummering

Posities van de nucleotiden van het stroomopwaartse DNA worden aangegeven met negatieve getallen vanaf de transcriptie-initiatieplaats, terwijl posities van de nucleotiden van het stroomafwaartse DNA worden aangegeven met positieve getallen vanaf de transcriptie-initiatieplaats.

Functie

De belangrijkste functie van het stroomopwaartse DNA van de transcriptie-initiatieplaats is het reguleren van de transcriptie, terwijl het overeenkomstige stroomafwaartse DNA informatie bevat voor de productie van een functioneel molecuul inclusief eiwitten of RNA. Daarom is dit een ander verschil tussen stroomopwaarts en stroomafwaarts DNA.

Conclusie

Stroomopwaarts DNA is het DNA dat optreedt tegen het 5'-uiteinde met betrekking tot een bepaald punt. Het stroomopwaartse DNA naar de transcriptie-initiatieplaats bevat regulerende elementen van het gen, waaronder de promotor en de transcriptiefactor-bindingsplaatsen. Hier is stroomafwaarts DNA het DNA dat optreedt naar het 3'-uiteinde van de transcriptie-initiatieplaats. Dit DNA bevat het eiwitcoderende gebied. Daarom is het belangrijkste verschil tussen stroomopwaarts en stroomafwaarts DNA de relatieve positie van DNA ten opzichte van een bepaald punt op de DNA-streng.

Referenties:

1. "Upstream / Downstream." GenScript, Beschikbaar Hier

Afbeelding met dank aan:

1. “Upstream en downstream” Door Kelvinsong – Eigen werk (CC0) via Commons Wikimedia
2. “Figuur 15 02 01” Door CNX OpenStax – http://cnx.org/contents/[email protected]:[email protected]/Introductie (CC BY 4.0) via Commons Wikimedia

Over de auteur: Lakna

Lakna, afgestudeerd in Moleculaire Biologie & Biochemie, is Moleculair Bioloog en heeft een brede en levendige interesse in het ontdekken van natuurgerelateerde zaken


Genregulatie

Cellen brengen (transcriberen en vertalen) slechts een subset van hun genen tot expressie. Cellen reageren en passen zich aan aan omgevingssignalen door de expressie van geschikte genen in of uit te schakelen. In meercellige organismen, cellen in verschillende weefsels en organen differentiëren, of specialiseren door verschillende sets eiwitten te maken, ook al hebben alle cellen in het lichaam (op een paar uitzonderingen na) hetzelfde genoom. Dergelijke veranderingen in genexpressie, of differentiële genexpressie tussen cellen, worden meestal gereguleerd op het niveau van transcriptie.
Er zijn drie brede niveaus van het reguleren van genexpressie:

  • transcriptionele controle (of en hoeveel een gen wordt getranscribeerd in mRNA)
  • translationele controle (of en hoeveel een mRNA wordt vertaald in eiwit)
  • post-translationele controle (of het eiwit in een actieve of inactieve vorm is en of het eiwit stabiel of afgebroken is)

Op basis van onze gedeelde evolutionaire oorsprong zijn er veel overeenkomsten in de manier waarop prokaryoten en eukaryoten genexpressie reguleren, maar er zijn ook veel verschillen. Alle drie de domeinen van het leven gebruiken positieve regulatie (genexpressie aanzetten), negatieve regulatie (genexpressie uitschakelen) en co-regulatie (meerdere genen samen aan- of uitzetten) om genexpressie te beheersen, maar er zijn enkele verschillen in de details van hoe deze banen worden uitgevoerd tussen prokaryoten en eukaryoten.

Overeenkomsten tussen prokaryoten en eukaryoten: promotors en regulerende elementen

promotors zijn plaatsen in het DNA waar RNA-polymerase bindt om transcriptie te initiëren. Promoters bevatten ook, of hebben in de buurt ervan, bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren, dit zijn DNA-bindende eiwitten die kunnen helpen bij het rekruteren of afstoten van RNA-polymerase. EEN regelgevend element is een DNA-sequentie die bepaalde transcriptiefactoren herkennen en waaraan ze binden om RNA-polymerase te rekruteren of af te weren. De promotor samen met nabijgelegen transcriptiefactor bindende elementen reguleren gentranscriptie.
Regelgevende elementen kunnen worden gebruikt voor: positief en negatief transcriptionele controle. Wanneer een gen onderhevig is aan positieve transcriptionele controle, bevordert de binding van een specifieke transcriptiefactor aan het regulerende element de transcriptie. Wanneer een gen onderworpen is aan negatieve transcriptionele controle, onderdrukt de binding van een specifieke transcriptiefactor aan een regulerend element de transcriptie. Een enkel gen kan worden onderworpen aan zowel positieve als negatieve transcriptionele controle door verschillende transcriptiefactoren, waardoor meerdere regulatielagen ontstaan.

Sommige genen zijn niet onderhevig aan regulatie: ze zijn constitutief uitgedrukt, wat betekent dat ze altijd worden getranscribeerd. Wat voor soort genen zou je je voorstellen dat een cel altijd aan zou moeten hebben, ongeacht de omgeving of situatie?

Verschillen tussen prokaryoten en eukaryoten: mechanismen van co-regulatie

Vaak is een set eiwitten samen nodig om op een bepaalde stimulus te reageren of een bepaalde functie uit te voeren (bijvoorbeeld veel metabole routes). Er zijn vaak mechanismen om dergelijke genen te co-reguleren, zodat ze allemaal worden getranscribeerd als reactie op dezelfde stimulus. Zowel prokaryotische als eukaryote cellen hebben manieren om genen te co-reguleren, maar ze gebruiken heel verschillende mechanismen om dit doel te bereiken.
In prokaryoten zijn co-gereguleerde genen vaak georganiseerd in een operon, waarbij twee of meer functioneel verwante genen samen van een enkele promotor in één lang mRNA worden getranscribeerd. Dit mRNA wordt vertaald om alle eiwitten te maken die worden gecodeerd door de genen in het operon. Ribosomen beginnen aan het 5'8242-uiteinde, beginnen met vertalen bij het eerste AUG-codon, eindigen wanneer ze een stopcodon tegenkomen en beginnen dan opnieuw bij het volgende AUG-codon.

Een generiek operon in prokaryoten. R = een regulerend eiwit (transcriptiefactor) P = promotor Pol = RNA-polymerase

Op enkele uitzonderingen na (C. elegans en verwante nematoden), hebben eukaryote genomen geen genen die in operons zijn gerangschikt. In plaats daarvan hebben eukaryote genen die samen worden gereguleerd de neiging om dezelfde sequentie van DNA-regulerende elementen te hebben die met elk gen is geassocieerd, zelfs als die genen zich op totaal verschillende chromosomen bevinden. Dit betekent dat dezelfde transcriptionele activator of repressor de transcriptie kan reguleren van elk afzonderlijk gen waaraan dat specifieke DNA-regulerende element is gekoppeld. Eukaryote HSP-genen (heat shock protein) bevinden zich bijvoorbeeld op verschillende chromosomen. HSP's helpen cellen te overleven en te herstellen van een hitteschok (een soort cellulaire stress). Alle HSP-genen worden gelijktijdig getranscribeerd als reactie op hittestress, omdat ze allemaal een DNA-sequentie-element hebben dat een transcriptiefactor voor hitteschokreactie bindt.

Aanvullende complexiteiten die specifiek zijn voor eukaryote genregulatie: chromatine en alternatieve splicing

Een ander belangrijk verschil tussen prokaryotische genregulatie en eukaryote genregulatie is dat de eukaryote (maar niet prokaryotische) DNA dubbele helix is ​​georganiseerd rond eiwitten genaamd histonen die het DNA organiseren in nucleosomen. Deze combinatie van DNA + histonen heet chromatine.
Chromatine kan worden gecondenseerd in een 30-nm vezelformatie (strak gecompacteerde nucleosomen) of losjes gerangschikt als 'beads-on-a-string', waar het DNA tussen en rond nucleosomen beter toegankelijk is. Deze verdichting wordt gecontroleerd door post-translationele modificaties die aan de histonen in de nucleosomen worden toegevoegd. Wanneer histonen acetylgroepen hebben die eraan zijn toegevoegd door enzymen die histonacetyltransferasen (HAT's) worden genoemd, belemmeren de acetylgroepen fysiek dat de nucleosomen te dicht opeengepakt worden en helpen ze andere enzymen te rekruteren die de chromatinestructuur verder openen. Omgekeerd, wanneer de acetylgroepen worden verwijderd door histondeacetylasen (HDAC's), neemt het chromatine een gecondenseerde formatie aan die voorkomt dat transcriptiefactoren toegang krijgen tot het DNA. In onderstaande afbeelding kun je duidelijk zien hoeveel compacter en ontoegankelijker de 30 nm vezel is (boven) in vergelijking met de kralen-op-een-snaar formatie (onder).

Chromatine speelt een fundamentele rol bij positieve en negatieve genregulatie, omdat transcriptionele activatoren en RNA-polymerase fysiek geen toegang hebben tot de DNA-regulerende elementen wanneer chromatine zich in een compacte vorm bevindt.
Prokaryotisch DNA heeft enkele geassocieerde eiwitten die helpen bij het organiseren van de genomen, maar het is fundamenteel anders dan chromatine. prokaryotisch DNA kan in wezen worden gezien als 'naakt' vergeleken met eukaryoot chromatine, dus prokaryotische cellen missen deze laag van genregulatie.
Een ander verschil tussen prokaryote en eukaryote genregulatie is dat eukaryote mRNA's op de juiste manier moeten worden verwerkt met toevoeging van de 5'8242-cap, splicing uit introns en toevoeging van de 3'8242 poly(A)-staart (hier in meer detail besproken). Elk van deze verwerkingsstappen is ook onderworpen aan regulering en het mRNA zal worden afgebroken als een van deze niet correct wordt voltooid. De export van mRNA's van de kern naar het cytoplasma wordt ook gereguleerd, evenals de stabiliteit van het correct verwerkte mRNA in het cytoplasma.
Ten slotte hebben eukaryote genen vaak verschillende splitsingsvarianten, waarbij verschillende exons kunnen worden opgenomen in verschillende mRNA's die van hetzelfde gen worden getranscribeerd. Hier zie je een cartoon van een gen met kleurgecodeerde exons en twee verschillende mRNA-moleculen die van dit gen zijn getranscribeerd. De verschillende mRNA's coderen voor verschillende eiwitten omdat ze verschillende exons bevatten. Dit proces heet alternatieve splicing en we zullen het hier meer bespreken.


Vaak brengen verschillende typen cellen in verschillende weefsels verschillende splitsingsvarianten van hetzelfde gen tot expressie, zodat er een hartspecifiek transcript en een nierspecifiek transcript van een bepaald gen is.
In het algemeen is eukaryote genregulatie complexer dan prokaryotische genregulatie. De stroomopwaartse regulerende regio's van eukaryote genen hebben bindingsplaatsen voor meerdere transcriptiefactoren, zowel positieve regulatoren als negatieve regulatoren, die in combinatie werken om het niveau van transcriptie te bepalen. Sommige bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren, versterkers en dempers genaamd, werken op een behoorlijke afstand, duizenden basenparen verwijderd van de promotor. Activators zijn voorbeelden van positieve regulatie en repressors zijn voorbeelden van negatieve regulatie.

Eukaryote transcriptie-initiatie, van biologie.kenyon.edu (naar Tjian)

Algemene verschillen en overeenkomsten

Als je de overeenkomsten en verschillen in eukaryote en prokaryotische genregulatie begrijpt, dan weet je welke van de volgende processen exclusief zijn voor eukaryoten, die exclusief zijn voor prokaryoten, die in beide voorkomen, en hoe elk wordt bereikt:

  • gekoppelde transcriptie en vertaling
  • 5'8242 dop en 3'8242 poly(A) staart
  • AUG als het translatie-initiatiecodon
  • regulatie van genexpressie door eiwitten die binden aan DNA-regulerende elementen
  • alternatieve mRNA-splitsing
  • regulatie van genexpressie door toegankelijkheid van chromatine

Alles bij elkaar: de lac operon in E coli

De lac operon is een goede modelgen voor het begrijpen van genregulatie. U moet de onderstaande informatie gebruiken om ervoor te zorgen dat u alle details van genregulatie die hierboven zijn beschreven, kunt toepassen op een specifiek genmodel.
E coli lac operon: dubbele positieve en negatieve regulatie

lacI is het gen dat codeert voor het lac-repressoreiwit CAP = katabolietactivatoreiwit O = Operator P = promotor lacZ = gen dat codeert voor bèta-galactosidase lacY codeert voor permease lacA codeert voor transacetylase. Bron: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lac_operon-2010-21-01.png)

De lac operon van E coli heeft 3 structurele genen die nodig zijn voor het metabolisme van lactose, een disaccharide dat in hoge concentraties in melk wordt aangetroffen:

  • lacZ codeert voor het enzym beta-galactosidase, dat lactose splitst in glucose en galactose
  • lacY codeert voor permease, een membraaneiwit voor gefaciliteerde diffusie van lactose in de cel
  • lacA codeert voor transacetylase, een enzym dat lactose wijzigt

Een mRNA dat voor alle drie de eiwitten codeert, wordt alleen op hoge niveaus getranscribeerd als lactose aanwezig is en glucose afwezig.
Negatieve regulering door de repressor – In de afwezigheid van lactose, het lac-repressor-eiwit, gecodeerd door de lacI gen met een aparte promotor die altijd actief is, bindt aan de Operator-sequentie in het DNA. De operatorsequentie is een type DNA-regulerend element zoals hierboven beschreven. Repressoreiwit gebonden aan de operator voorkomt dat RNA-polymerase transcriptie initieert.
Wanneer lactose aanwezig is, bindt een van lactose afgeleid inductormolecuul allosterisch aan de repressor en zorgt ervoor dat de repressor de operatorplaats verlaat. RNA-polymerase is dan vrij om transcriptie te initiëren, als het succesvol bindt aan de lac promotor.
Positieve regulering door CAP – Glucose is het voorkeurssubstraat voor het energiemetabolisme. Wanneer glucose aanwezig is, transcriberen cellen de lac operon alleen in zeer lage niveaus, zodat de cellen het grootste deel van hun energie halen uit het glucosemetabolisme. RNA-polymerase bindt op zichzelf nogal slecht aan de lac promotor.
Glucosegebrek veroorzaakt een stijging van het niveau van cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP), een intracellulair alarmsignaal. Cyclisch AMP bindt aan het katabolietactivatoreiwit (CAP). Het CAP+cAMP-complex bindt aan de CAP-bindingsplaats nabij de lac promotor en werft RNA-polymerase naar de promotor.
Transcriptie op hoog niveau van het lac-operon vereist zowel dat CAP+cAMP aan de CAP-bindingsplaats is gebonden, en dat de repressor afwezig is in de operator. Deze aandoeningen komen normaal alleen voor bij afwezigheid van glucose en aanwezigheid van lactose.

De lac operon in E coli is een klassiek voorbeeld van een prokaryotisch operon dat onderhevig is aan zowel positieve als negatieve regulatie. Positieve regulatie en negatieve regulatie zijn universele thema's voor genregulatie in zowel prokaryoten als eukaryoten.


Welke DNA-elementen horen bij de definitie van een gen? - Biologie

DNA kan worden gecategoriseerd als: -

  • Aanwezig in enkele of lage kopieaantallen.
  • Bevat coderende sequentie voor structurele genen (tot 1400 bp groot), die 3% van het genoom uitmaken.
  • De rest is intronische sequentie of spacer-DNA.

  • Aanwezig tussen 10 - 10 5 kopieën per genoom. Gevonden in het hele euchromatine.
  • Gemiddeld 300bp groot
  • Kan worden geclassificeerd als: -

a) microsatellieten / minisatellieten (VNTR, DNA 'fingerprints)
b) verspreid-repetitief DNA, voornamelijk transponeerbare elementen (LINES/SINES)

  • Aanwezig op >10 6 exemplaren per genoom
  • Komt voor als motieven met variabele lengte (5-100 bp), in lange stukken tot 100 Mb
  • De meeste bevinden zich in heterochromatische gebieden rond het centromeer / telomeer.
  • Gepostuleerde functies omvatten structurele of organisatorische rollen, rol bij chromosoomparen, betrokkenheid bij cross-over of recombinatie, rommel.

bijv. alfa-satelliet DNA
Dit is een zeer repetitieve reeks, elk centromeer bevat een tandemreeks van alfa-satellietherhalingen die zich uitstrekken over miljoenen basenparen en zijn gerangschikt in een hiërarchie van herhalingen van hogere orde. Deze variëren tussen 100-5000 op verschillende chromosomen (0,2-10Mb). Sommige bevatten bindingsplaatsen van 17 bp voor het centromeer-specifieke DNA-bindende eiwit CENP-B. Ze zijn onlangs gekloond en gebruikt om kunstmatige menselijke chromosomen te construeren.

Een groot deel van het genoom bestaat uit matig repetitieve sequenties afgewisseld met enkele kopie-sequenties.

Evolutie van repetitief DNA
Microsatellieten hebben de neiging om zeer polymorf te zijn, wat een 'stapsgewijze mutatie'-model suggereert waarin de meeste variatie wordt geïntroduceerd door replicatieslip, waarbij de arraylengte met slechts één of twee herhalingen tegelijk wordt gewijzigd, maar ook met af en toe grotere 'sprongen' in grootte bij veel lagere frequentie.

Minisatellieten evolueren gemakkelijker door grootschaligere mechanismen zoals ongelijke uitwisseling. Voor alle klassen lijkt er een algemene voorkeur te zijn voor een toename van de array-lengte door de evolutionaire tijd heen.

Zeer repetitief DNA heeft de neiging zich alleen op te hopen in regio's met een lage recombinatie zoals centromeren en telomeren, waar recombinatie wordt onderdrukt, terwijl herhalingen die in euchromatine voorkomen veel vatbaarder zijn voor oversteken en de neiging hebben om meer variabel te zijn in het aantal kopieën in verhouding tot hun array-lengte .


Transponeerbare elementen (mobiele genetische elementen)
Veel van matig herhaald DNA bestaat uit transponeerbare elementen. De twee belangrijkste families, de lange en korte afgewisselde nucleotide-elementen (LINE's en SINE's), worden bij mensen voornamelijk vertegenwoordigd door respectievelijk L1- en Alu-elementen. Beide typen elementen worden als retrotransponeerbaar beschouwd (dwz kunnen repliceren via een RNA-kopie die opnieuw als DNA wordt ingebracht door middel van reverse transcriptie) en ze spelen een belangrijke rol in de genomische functie en evolutie.

De meeste ingevoegde elementen zijn afgekapt en vaak opnieuw gerangschikt ten opzichte van elementen van volledige lengte

De belangrijkste transponeerbare elementen bij de mens zijn: -
LINES (lange afgewisselde elementen) en SINES (korte afgewisselde elementen)
De meest voorkomende voorbeelden bij mensen zijn L1- en Alu-elementen waarvan wordt gedacht dat ze zijn ontstaan ​​door retrotranspositie.

  • Herhaald ca. 50.000x in het menselijk genoom (0,5% van totaal)
  • Slechts 3000 hiervan zijn van volledige lengte, de rest is afgekapt, meestal aan het 5'-uiteinde.
  • Het complete element is 6 kb groot en bevat twee open leesframes, waarvan er één codeert voor een reverse transcriptase.
  • AT-rijk gebied bevindt zich nabij het 3'-uiteinde van het element,
  • Element wordt geflankeerd door twee korte directe herhalingen


Het belangrijkste type SINE is de Alu-familie
(Zo genoemd omdat ze meestal een doelwit bevatten voor het restrictie-enzym Alu I).

  • 5 x 10 5 - 106 kopieën in het haploïde genoom, met gemiddeld één herhaling per 4 kb (1 - 10 % totaal)
  • Niet gevonden in coderende regio's, maar vaak aanwezig in de transcriptie-eenheid, in introns en soms in niet-vertaalde regio's van het mRNA.

LINE's en SINE's hebben beide een poly(A)-staart die kan dienen als een sjabloon voor reverse transcriptie van inkepingen die op de plaats van insertie in het gastheer-DNA zijn gemaakt door een LINE-gecodeerd endonuclease. Alu daarentegen wordt getranscribeerd maar niet vertaald. Om de transpositie door te laten gaan, wordt aangenomen dat het Alu-RNA het endonuclease/reverse-transcriptase-eiwit dat wordt gecodeerd door L1 moet 'kapen' om de insertie ervan te voltooien.


Hoe kunnen ze ziekte veroorzaken?

Hoewel TE's niet bijdragen aan het fenotype, kunnen ze het beïnvloeden, en retrotransposale integraties van Alu- en L1-sequenties in biologisch belangrijke genen lijken een significante rol te spelen bij sommige menselijke ziekten. Echter, hoewel een groot aantal TE's transcriptioneel actief is, is slechts een kleine subset (<0.01%) in staat om te transponeren, dwz. mutaties kunnen veroorzaken.

Er is steeds meer bewijs voor insertiemutagenese door SINE's en LINE's bij zoogdieren, waarbij met name L1 is aangetoond in gevallen van hemofilie, DMD en sporadische borst- en darmkanker. Er zijn integraties waargenomen in oncogenen en in tumorsuppressorgenen die kunnen deelnemen aan carcinogenese door de genactiviteit te veranderen. Het exacte mechanisme van deze gebeurtenissen is onduidelijk

Recent bewijs heeft de integratie van Alu-sequenties in controleregio's aangetoond, waar ze regulerende eiwitten kunnen binden en transcriptie kunnen moduleren.

Ongelijke kruising tussen repetitieve elementen kan de oorzaak zijn van genduplicatie (waaruit genfamilies zijn ontstaan).

Charlesworth B, Sniegowski P, Stephan W (1994) De evolutionaire dynamiek van repetitief DNA in eukaryoten. Natuur 371, 215-220

Epplen C, Santos EJ, Maueler W, van Helden P, Epplen JT (1997) Over eenvoudige repetitieve DNA-sequenties en complexe ziekten. Elektroforese 18, 1577-85

Miki Y (1998) Retrotransposal-integratie van mobiele genetische elementen bij ziekten bij de mens, J Human Genetics 43 (2) 77-84

Mighell AJ, Markam AF, Robinson PA (1997) Alu sequences.
FEBS Letters 417 (1) 1-5

Peter Sudbery. Human Molecular Genetics.
(Cell and Molecular Biology in Action series) 1998


Replicatie

The double helix shape of DNA makes DNA replication possible. In replication, DNA makes a copy of itself in order to pass genetic information on to newly formed daughter cells. In order for replication to take place, the DNA must unwind to allow cell replication machinery to copy each strand. Each replicated molecule is composed of a strand from the original DNA molecule and a newly formed strand. Replication produces genetically identical DNA molecules. DNA replication occurs in interphase, a stage prior to the start of the division processes of mitosis and meiosis.


Horizontal gene transfer

Our editors will review what you’ve submitted and determine whether to revise the article.

Horizontal gene transfer, ook wel genoemd lateral gene transfer, the transmission of DNA (deoxyribonucleic acid) between different genomes. Horizontal gene transfer is known to occur between different species, such as between prokaryotes (organisms whose cells lack a defined nucleus) and eukaryotes (organisms whose cells contain a defined nucleus), and between the three DNA-containing organelles of eukaryotes—the nucleus, the mitochondrion, and the chloroplast. Acquisition of DNA through horizontal gene transfer is distinguished from the transmission of genetic material from parents to offspring during reproduction, which is known as vertical gene transfer.

Horizontal gene transfer is made possible in large part by the existence of mobile genetic elements, such as plasmids (extrachromosomal genetic material), transposons (“jumping genes”), and bacteria-infecting viruses (bacteriophages). These elements are transferred between organisms through different mechanisms, which in prokaryotes include transformation, conjugation, and transduction. In transformation, prokaryotes take up free fragments of DNA, often in the form of plasmids, found in their environment. In conjugation, genetic material is exchanged during a temporary union between two cells, which may entail the transfer of a plasmid or transposon. In transduction, DNA is transmitted from one cell to another via a bacteriophage.

In horizontal gene transfer, newly acquired DNA is incorporated into the genome of the recipient through either recombination or insertion. Recombination essentially is the regrouping of genes, such that native and foreign (new) DNA segments that are homologous are edited and combined. Insertion occurs when the foreign DNA introduced into a cell shares no homology with existing DNA. In this case, the new genetic material is embedded between existing genes in the recipient’s genome.

Compared with prokaryotes, the process of horizontal gene transfer in eukaryotes is much more complex, mainly because acquired DNA must pass through both the outer cell membrane and the nuclear membrane to reach the eukaryote’s genome. Subcellular sorting and signaling pathways play a central role in the transport of DNA to the genome.

Prokaryotes can exchange DNA with eukaryotes, although the mechanisms behind this process are not well understood. Suspected mechanisms include conjugation and endocytosis, such as when a eukaryotic cell engulfs a prokaryotic cell and gathers it into a special membrane-bound vesicle for degradation. It is thought that in rare instances in endocytosis, genes escape from prokaryotes during degradation and are subsequently incorporated into the eukaryote’s genome.

Horizontal gene transfer plays an important role in adaptation and evolution in both prokaryotes and eukaryotes. For example, the transfer of a gene encoding a unique metabolic enzyme from a species of Pasteurella bacteria to the protozoan parasite Trichomonas vaginalis is suspected to have facilitated the latter organism’s adaptation to its animal hosts. Likewise, the exchange of a gene from a human cell to the bacterium Neisseria gonorrhoeae—a transfer that appears to have occurred relatively recently in the bacterium’s evolution—may have enabled the organism to adapt and survive in humans. Scientists have proposed too that the recent evolution of the methylaspartate pathway of metabolism in the halophilic (salt-loving) archaean Haloarcula marismortui originated with the organism’s acquisition of a specialized set of genes via horizontal transfer.


Bekijk de video: Examen biologie - Opbouw van DNA Celcyclus (Januari- 2022).