Informatie

5D: Binding en de controle van gentranscriptie - Biologie


leerdoelen

  • algemene mechanismen beschrijven van hoe een gen voor een bepaald eiwit negatief en positief kan worden gereguleerd op het niveau van gentranscriptie;
  • beschrijf de structuur/functie/rol van promotors, respons-elementen, RNA-polymerase, transcriptiefactoren, nucleosomen, histon-eiwitten, epigenetische modificaties van DNA bij gentranscriptie;
  • de verschillen (structureel, Kds) uitleggen tussen specifieke en niet-specifieke binding van een ligand aan een macromolecuul, op structureel niveau;
  • beschrijf de structurele kenmerken van zowel eiwitten als DNA die resulteren in specifieke en niet-specifieke binding;
  • beschrijven en voorbeelden geven van hoe post-translationele modificaties van eiwitten en epigenetische modificaties van DNA genexpressie kunnen veranderen;
  • uitleggen hoe de schijnbare Kd voor een eiwit dat aan DNA bindt, kan worden veranderd door de aanwezigheid van een ander eiwit dat aan het DNA is gebonden op een proximale plaats
  • beschrijf de basis van RNA-interferentie in genexpressie

Een van de centrale vragen van de moderne biologie is wat de genexpressie regelt. Zoals we eerder hebben beschreven, moeten genen op het juiste moment, in de juiste cel, worden 'aangezet'. Bij een eerste benadering bevatten alle cellen in een organisme hetzelfde DNA (met uitzondering van geslachtscellen en immuuncellen). Het celtype wordt bepaald door welke genen op een bepaald moment tot expressie worden gebracht. Evenzo kunnen cellen veranderen (differentiëren) in verschillende soorten cellen door de expressie van genen te veranderen. Het centrale dogma van de biologie beschrijft hoe genen eerst worden getranscribeerd naar boodschapper-RNA (mRNA), en vervolgens wordt het mRNA vertaald in een overeenkomstige eiwitsequentie.


D1. Inleiding tot transcriptie

Stel je voor dat je een touwtje van ongeveer 2 meter lang hebt gekregen, wat staat voor een afgewikkeld, onteiwit, menselijk chromosoom. In werkelijkheid bestaat dergelijk naakt DNA niet in de celkern. Het is eerder gewikkeld rond een reeks positief geladen histon-eiwitten. In de elektronenmicroscoop lijkt het op kralen aan een touwtje. Deze structuur is gewikkeld in een cilindrische "solenoïde" structuur die verder is verpakt om samen met de rest van de chromosomen in de kern te passen. Er is toevallig een kleine stip in het dode punt van de string die je hebt gekregen. Het vertegenwoordigt het gen voor een bepaald eiwit dat metallothioneïne wordt genoemd. Dit gen komt tot expressie en het eiwit metallothioneïne wordt gemaakt wanneer cellen worden blootgesteld aan zware metalen zoals Cd. Hoe kan het dat de cel het gen niet tot expressie brengt, of het tot een klein, constitutief niveau tot expressie brengt, in afwezigheid van blootstelling aan Cd? Hoe zou het gen kunnen worden geactiveerd - door transcriptie van het gen en translatie van het resulterende mRNA om het metallothioneïne-eiwit te vormen bij blootstelling aan Cd. (Hint: Cd bindt niet RECHTSTREEKS aan DNA.)?

Een van de centrale vragen van de moderne biologie is wat de genexpressie regelt. Zoals we eerder hebben beschreven, moeten genen op het juiste moment, in de juiste cel, worden 'aangezet'. Bij een eerste benadering bevatten alle cellen in een organisme hetzelfde DNA (met uitzondering van geslachtscellen en immuuncellen). Het celtype wordt bepaald door welke genen op een bepaald moment tot expressie worden gebracht. Evenzo kan een cel veranderen (differentiëren) in verschillende soorten cellen door de expressie van genen te veranderen. Het centrale dogma van de biologie beschrijft hoe genen eerst worden getranscribeerd naar boodschapper-RNA (mRNA), en vervolgens wordt het mRNA vertaald in een overeenkomstige eiwitsequentie. De onderstaande links moeten worden beoordeeld door degenen die weinig achtergrond hebben over het centrale dogma van de biologie en over de aard van een gen.

Bijgewerkte eenvoudige DNA-zelfstudie Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Eenmaal gemaakt, kunnen eiwitten vervolgens post-translationeel worden gemodificeerd, op bepaalde plaatsen in de cellen worden gelokaliseerd en uiteindelijk worden afgebroken. Als functionele eiwitten worden beschouwd als het eindproduct van genexpressie, zou de controle van genexpressie theoretisch kunnen plaatsvinden bij elk van deze stappen in het proces.

Meestal lijkt genexpressie echter te worden gecontroleerd op het niveau van transcriptie. Dit is biologisch zeer zinvol, omdat het minder energetisch verspillend zou zijn om de uiteindelijke expressie van een functioneel eiwit in een vroeg stadium in het proces te induceren of te remmen. Hoe kan genexpressie op transcriptioneel niveau worden gereguleerd? Er zijn veel voorbeelden gedocumenteerd. De belangrijkste controle wordt typisch uitgeoefend op het niveau van RNA-polymerasebinding net stroomopwaarts (5') van een plaats voor transcriptionele initiatie. Andere factoren, transcriptiefactoren genoemd (die gewoonlijk eiwitten zijn), binden aan hetzelfde gebied en bevorderen de binding van RNA-polymerase op zijn bindingsplaats, de promotor genoemd. Eiwitten kunnen ook binden aan plaatsen op DNA (operator in prokaryoten) en de assemblage van het transcriptiecomplex en dus transcriptie remmen. Regulering van gentranscriptie wordt dan een kwestie van het binden van de geschikte transcriptiefactoren en RNA-polymerase aan het geschikte gebied op de startplaats voor gentranscriptie. Regulatie van genexpressie door eiwitten kan zowel positief als negatief zijn. Regulatie in prokaryoten is meestal negatief, terwijl het positief is in eukaryoten.


5D: Binding en de controle van gentranscriptie - Biologie

Een van de centrale vragen van de moderne biologie is wat de genexpressie regelt. Zoals we eerder hebben beschreven, moeten genen op het juiste moment, in de juiste cel, worden 'aangezet'. Bij een eerste benadering bevatten alle cellen in een organisme hetzelfde DNA (met uitzondering van geslachtscellen en immuuncellen). Het celtype wordt bepaald door welke genen op een bepaald moment tot expressie worden gebracht. Evenzo kan cel veranderen (differentiëren) in verschillende soorten cellen door de expressie van genen te veranderen. Het centrale dogma van de biologie beschrijft hoe genen eerst worden getranscribeerd naar RNA, en vervolgens wordt het mRNA vertaald in een overeenkomstige eiwitsequentie. Eiwitten kunnen vervolgens post-translationeel worden gemodificeerd, gelokaliseerd op bepaalde locaties in de cellen en uiteindelijk worden afgebroken. Als functionele eiwitten worden beschouwd als het eindproduct van genexpressie, zou de controle van genexpressie theoretisch kunnen plaatsvinden bij elk van deze stappen in het proces.

Meestal wordt genexpressie echter gecontroleerd op het niveau van transcriptie. Dit is biologisch zeer zinvol, aangezien het minder energetisch verspillend zou zijn om de uiteindelijke expressie van een functioneel eiwit in een vroeg stadium in het proces te induceren of te remmen. Hoe kan genexpressie op transcriptioneel niveau worden gereguleerd? Er zijn veel voorbeelden gedocumenteerd. De belangrijkste controle wordt meestal uitgeoefend op het niveau van RNA-polymerasebinding net stroomopwaarts (5') van een a-plaats voor transcriptionele initiatie. Andere factoren, transcriptiefactoren genoemd (die gewoonlijk eiwitten zijn), binden aan hetzelfde gebied en bevorderen de binding van RNA-polymerase op zijn bindingsplaats, de promotor genoemd. Eiwitten kunnen ook binden aan plaatsen op DNA (operator in prokaryoten) en de assemblage van het transcriptiecomplex en dus transcriptie remmen. Regulering van gentranscriptie wordt dan een kwestie van binding de geschikte transcriptiefactoren en RNA-polymerase naar het geschikte gebied op de startplaats voor gentranscriptie. Regulatie van genexpressie door eiwitten kan zowel positief als negatief zijn. Regulatie in prokaryoten is meestal negatief, terwijl het positief is in eukaryoten.

CONTROLE VAN GENTRANSCRIPTIE IN PROKARYOTEN: DE E. COLI LAC OPERON

De regulatie van de genen die betrokken zijn bij het gebruik van lactose leverde Jacob en Monod (bekend van MWC) de Nobelprijs op. Lactose kan door E. Coli als de enige koolstofbron worden gebruikt. Er zijn drie genen nodig voor het gebruik van lactose: bèta-galactosidase (lac Z, splitst lactose tot gal en glu), galactosidepermease (lac Y, transporteert lac in de cel) en thiogalactoside-transacetylase (lac A, functie onbekend). Deze genen volgen elkaar op het DNA op en hebben 1 promotorgebied. Bij transcriptie en translatie wordt één lang poly-eiwit gemaakt, dat post-translationeel wordt gesplitst om de individuele eiwitten te vormen.

Bovendien wordt een ander gen, de gal-repressor, net stroomopwaarts van de galgebruiksgenen gevonden. Het heeft zijn eigen promotor (PI ) Het gencluster, inclusief promotor en eventuele regulerende DNA-sequenties, wordt een operon genoemd, bijvoorbeeld het Lac-operon. In dit geval wordt het operon geïnduceerd als reactie op een moleculair signaal - d.w.z. de aanwezigheid van lactose of allolactose. Dit bindt aan het repressor-eiwit, dat is gebonden aan het operator-DNA, waardoor transcriptie wordt geremd. Wanneer allolactose of andere bèta-galactosiden, zoals isopropylthiogalactoside (IPTG), binden aan het repressoreiwit, treedt er een conformatieverandering op in de repressor, wat resulteert in een hogere Kd voor het operator-DNA en daaropvolgende dissociatie van het repressor-galactosidecomplex. Transcriptie volgt.

IPTG is een inductor van het lac-operon, maar is geen substraat voor de geproduceerde enzymen. We zullen IPTG gebruiken om de expressie van humaan adipocytzuurfosfatase b (HAAP-b) te induceren in laboratorium 4B. Het plasmide dat het gen voor HAAP-b bevat, is zodanig gemanipuleerd dat het de lac-promoter net voor de startplaats voor gentranscriptie bevat. Door IPTG aan de groeiende cellen toe te voegen, kunnen de cellen worden geïnduceerd om het eiwit HAAP-b te synthetiseren.

Veel analoge maar verschillende methoden worden gebruikt om gentranscriptie in prokaryoten te regelen. De controle van lac-operontranscriptie is maar één voorbeeld.

CONTROLE VAN GENTRANSCRIPTIE IN EUKARYOTES

  • er treden meerdere veranderingen op in de structuur van chromatine op de plaats van transcriptie
  • positieve mechanismen reguleren transcripties veel vaker dan negatieve.
  • transcriptie en translatie vinden plaats op ruimtelijk en temporeel verschillende plaatsen en tijden.

De genomen van eukaryoten zijn veel groter dan die van prokaryoten. Dit levert enkele problemen op met betrekking tot het binden. Onthoud dat DNA-bindende eiwitten zowel niet-specifieke als specifieke binding vertonen. Niet-specifieke binding kan een eiwit helpen een specifieke plaats in het genoom te vinden, maar naarmate de grootte van het genoom toeneemt, neemt de kans toe om meerdere willekeurig verspreide specifieke plaatsen te vinden. Dit probleem kan worden vermeden als meerdere eiwitten nodig zijn om een ​​actief transcriptiecomplex te genereren. De kans om twee of meer specifieke plaatsen voor verschillende eiwitten in de buurt te vinden op andere plaatsen dan vereist voor gentranscriptie is erg laag. Meerdere negatieve regulatoren zouden niet nodig zijn, aangezien slechts de binding van één regulator waarschijnlijk voldoende zou zijn. De meeste eukaryote genen hebben ongeveer 5 regulerende plaatsen voor binding van transcriptiefactoren en RNA-polymerase. Voorbeelden van deze transcriptiefactoren worden weergegeven in de onderstaande figuur.

Licht kan zelfs genexpressie reguleren. Een geweldig nieuw voorbeeld van Quail laat zien hoe licht een inactieve transcriptiefactor in planten kan veranderen en activeren. "De basis helix-loop-helix transcriptiefactor PIF3 bindt aan een G-box-motief in het promotorgebied van op licht reagerende genen. Bij het absorberen van rood licht wordt een fytochroom-fotoreceptor omgezet van de inactieve Pr-vorm naar de actieve Pfr-vorm, die beweegt naar de kern.

Hier wordt Pfr gerekruteerd naar het promotorgebied van doelgenen door te binden aan PIF3 en activeert vervolgens de expressie van genen die coderen voor transcriptiefactoren van de MYB-klasse (CCA1, LHY). De transcriptiefactoren activeren op hun beurt de expressie van secundaire genen. Verrood licht sluit deze signaalroute af door Pfr terug om te zetten in Pr, wat de afgifte ervan uit het PIF3-complex bevordert."

STRUCTURELE KENMERKEN VAN SPECIFIEKE DNA-BINDINGSSITES

Aangezien RNA-polymerase moet interageren op de promotorplaats van alle genen, zou je kunnen verwachten dat alle genen een vergelijkbare nucleotidesequentie in het promotorgebied zouden hebben. Dit blijkt waar te zijn voor zowel prokaryotische als eukaryote genen. Je zou echter verwachten dat niet alle transcriptiefactoren identieke DNA-bindingssequenties zouden hebben.

prokaryotisch Promotor sequenties

Afstandhouder -10 Regio Tussenstuk RNA start trp operon TGACA N17 TTAACT N7 EEN tRNAtyr TTCA N16 TATGAT N7 EEN l P2 TGACA N17 GATACT N6 G lac operon TTTCA N17 TATGTT N6 EEN rec A TTGATA N16 TATAAT N7 EEN lex A TTCCAA N17 TATACT N6 EEN T7A3 TGACA N17 TACGAT N7 EEN overeenstemming TGACA TATAAT

Eukaryote respons-elementen (RE)s

Overeenstemming DNA gebonden Factor Maat (dalton) Zonnesteek HSE CNNGAANNTCCNNG 27 bp HSTF 93,000 Glucocorticoïde GRE TGGTACAAATGTTCT 20 bp receptor 94,000 Cadmium MRE CGNCCCGGNCNC . ? . Forbol Ester TRE TGACTCA 22 bp AP1 39,000 Serum SRE CCATATTAGG 20 bp SRF 52,000

Eiwitten kunnen specifiek interageren met DNA door middel van elektrostatische, H-binding en hydrofobe interacties. AT- en GC-basenparen hebben beschikbare H-bindingdonoren en -acceptoren die worden blootgesteld in de grote en kleine groeve van de ds-DNA-helix, waardoor specifieke eiwit-DNA-interacties mogelijk zijn.

Gentranscriptie en controle van membraanlipiden

Een interessant voorbeeld van transcriptionele controle vindt plaats om de balans van lipiden in biologische membranen te handhaven. De fosfolipiden en spingolipiden in membranen zijn extreem heterogeen vanwege de diversiteit aan kopgroepen en acylketensamenstelling. Gezien deze grote diversiteit, is het opmerkelijk dat de verschillende cellen in staat zijn om de specificiteit van lipidetypes in verschillende cellen, in verschillende membranen in cellen en binnen een bepaalde folder van een membraan te behouden (denk aan onze bespreking van lipid rafts). Hoe kan de cel het type lipiden dat het synthetiseert reguleren? Wat regelt de transcriptie van genen voor lipidesynthese?

De regulatie van transcriptie van deze genen lijkt te worden gecontroleerd door eiwitten die binden aan sterolresponselementen in het DNA. De eiwitten, sterolresponselement-bindende eiwitten (SREBP's) genoemd, worden geactiveerd om transcriptiefactoren te worden en migreren naar de kern wanneer ze worden vrijgegeven uit het Golgi-membraan door proteolyse door Golgi-proteasen. Het SREBP in het Golgi is in complex met een ander eiwit, SCAP, dat de verplaatsing van het SREBP naar het Golgi vergemakkelijkt vanaf de plaats van synthese in het endoplasmatisch reticulum. Lipideregulatie vindt plaats wanneer vetzuren, cholesterol of PL-derivaten zoals fosfo-ethanolamine (van ceramide) de proteolytische activering van de SREBP remmen. Regelgeving hangt af van het al dan niet SCAP "veerboten" SREBP naar de Golgi.

STRUCTURELE KENMERKEN VAN DNA-BINDENDE EIWITTEN

De figuren tonen twee van dergelijke eiwitten, de cro-repressor van bacteriofaag 434 en de lambda-repressor van de bacteriofaag lambda. (Bacteriofagen zijn virussen die bacteriën infecteren.) Merk op hoe specificiteit gedeeltelijk wordt bereikt door de vorming van specifieke H-bindingen tussen het eiwit en de belangrijkste groeve van het operator-DNA.

Afbeelding: Lambda-repressor/DNA-complex

Figuur: H-bindingsinteracties tussen l-repressor en DNA

  • zinken vinger: (eukaryoten) Deze eiwitten hebben een gemeenschappelijk sequentiemotief van
    X 3 - Cyso-X 2-4 - Cys-X 12 - Zijn-X 3-4 - Zijn-X 4- waarin X een willekeurig aminozuur is. Zn2+ is tetraëdrisch gecoördineerd met de Cys- en His-zijketens, die zich respectievelijk op een van de twee antiparallelle bèta-strengen en een alfa-helix bevinden. De zinkvinger, gestabiliseerd door het zink, bindt aan de grote groef van DNA. ]
  • steroïde hormoonreceptoren: (eukaryoten) In tegenstelling tot de meeste hormonen, die binden aan celoppervlakreceptoren, gaan steroïde hormonen (derivaten van cholesterol) door het celmembraan en binden ze aan cytoplasmatische receptoren via een hormoonbindend domein. Dit verandert de vorm van de receptor die vervolgens bindt aan een specifieke plaats op het DNA (hormoonresponselement) via een DNA-bindend domein. In een structuur die analoog is aan de zinkvinger, is Zn2+ tetraëdrisch gecoördineerd tot 4 Cys, in een bolvormige structuur die als een dimeer bindt aan twee identieke, maar omgekeerde DNA-sequenties (palindroom) in de grote groeve. (Een voorbeeld van een palindroom: in staat was ik voordat ik Elba zag.)
  • leucine ritsen: (eukaryoten) Deze eiwitten bevatten stukken van 35 aminozuren waarin Leu herhaaldelijk wordt aangetroffen met tussenpozen van 7 aminozuren. Deze regio's van het eiwit vormen amfifiele helices, met Leu aan één kant. Twee van deze eiwitten kunnen een dimeer vormen, gestabiliseerd door de binding van deze amfifiele helices aan elkaar, waardoor een coiled-coil wordt gevormd, net zoals in het spiereiwit myosine. Vandaar dat de leucine-rits het eiwitbindende domein van het eiwit vertegenwoordigt. Het DNA-bindende domein wordt gevonden in de eerste 30 N-terminale aminozuren, die basisch zijn en een alfa-helix vormen wanneer het eiwit aan DNA bindt. De leucine-rits functioneert dan om twee DNA-bindende eiwitten bij elkaar te brengen, waardoor de helices van de N-terminale basen op een base-specifieke manier kunnen interageren met de belangrijkste DNA-bos.

FOSFORYLATIE EN CONTROLE VAN GENEXPRESSIE

Een gebruikelijke manier om genexpressie te beheersen is door de post-translationele fosforylering van transcriptiefactoren door ATP te regelen. Deze modificatie kan de transcriptiefactor activeren of remmen bij het inschakelen van genexpressie. De toegevoegde fosfaatgroepen kunnen nodig zijn voor directe bindingsinteracties die leiden tot gentranscriptie of ze kunnen leiden tot een conformationele verandering in de transcriptiefactor, die gentranscriptie zou kunnen activeren of remmen. Een recent voorbeeld van dit latere geval is de controle van de activiteit van de transcriptiefactor p53. p53 heeft veel activiteiten in de cel, een primaire als onderdrukker van tumorcelgroei. Als een cel wordt blootgesteld aan stress die resulteert in genetische schade (een evidentie die ertoe zou kunnen leiden dat een cel in een tumorcel verandert), wordt dit eiwit een actieve transcriptiefactor, wat leidt tot de expressie van vele genen, inclusief die welke betrokken zijn bij geprogrammeerde celdeling. dood en celcyclusregulatie. Beide effecten zouden de celproliferatie duidelijk kunnen remmen. Daarom is p53 een tumorsuppressorgen. p53 is gewoonlijk gebonden aan het eiwit HDM2 dat zijn activiteit naar beneden reguleert door tot zijn afbraak te leiden. Stresssignalen leiden tot de activering van eiwitkinasen in de cel (zoals p38, JNK en cdc2), waardoor fosforylering van Ser 33 en 315 en Thr 81 in p53 wordt veroorzaakt. Dit leidt tot de binding van Pin 1, een peptidyl-prolylisomerase, die de trans<=>cis-conformationele veranderingen van X-Pro-grenzen katalyseert. Pin 1 lijkt alleen te binden wanneer p53 wordt gefosforyleerd. De daaruit voortvloeiende verandering in p53-conformatie leidt vermoedelijk tot de activering ervan als transcriptiefactor.

POSITIEVE TRANSCRIPTIEFACTOREN - EEN NIEUWE CLASIFICATIE

Zoals hierboven is afgeleid, kunnen transcriptiefactoren worden geclassificeerd op basis van hun eiwitstructuur. Een nieuwer classificatieschema, gebaseerd op de functie/activiteit van de transcriptiefactoren, is voorgesteld door Brivan, Lou en Darnell (Science, 295, pg 813, 2002), zoals geïllustreerd in het onderstaande stroomschema, samen met specifieke voorbeelden. De klassen van transcriptiefactoren omvatten die:

constitutief actief: zijn altijd actief in de celkern en activeren waarschijnlijk transcriptie van genen die altijd aan moeten staan

De rest moet op de een of andere manier worden geactiveerd, waaronder:

ontwikkelings- of celtype-specifiek waarvan de genen moeten worden getranscribeerd (waarschijnlijk op een gereguleerde manier) om de transcriptiefactor te vormen die vervolgens de kern binnengaat

signaalafhankelijke transcriptiefactoren, die worden geactiveerd door een signaleringsgebeurtenis.

Er zijn klassen van signaalafhankelijke transcriptiefactoren die worden geactiveerd door:

steroïden, dit zijn cholesterolderivaten die door het celmembraan kunnen gaan en steroïde-specifieke transcriptiefactoren kunnen binden die specifieke genensets aanzetten. De meeste van deze transcriptiefactoren zijn aanwezig in de kern en worden daar geactiveerd door steroïde hormonen. Een uitzondering is de glucocorticoïde receptor (GR) die in het cytoplasma wordt aangetroffen

interne signalen afkomstig van de cel, zoals intern gemaakte lipidesignalen.

celoppervlak receptor-ligand interacties

Er zijn twee soorten receptor-ligand-interacties die leiden tot de initiatie van transcriptiefactor.

kleine ligandmoleculen (zoals epinefrine) die transmembraanreceptoren binden, leidt tot de vorming van tweede boodschappers of signalen in de cel, die uiteindelijk de Ser-fosforyleringsactiviteit activeren. Nucleaire transcriptiefactoren kunnen gefosforyleerd en geactiveerd worden.

kleine liganden binden transmembraanreceptoren die vervolgens binden aan latente transcriptiefactoren in het cytoplasma en deze activeren, die vervolgens migreren naar de kern.

COPERATIEVE BINDING VAN EIWITTEN AAN DNA

We hebben zojuist veel tijd besteed aan het bestuderen van de coöperatieve binding van zuurstof aan hemoglobine. Coöperativiteit leek conformationele veranderingen in een multimeer eiwit te vereisen. Is het mogelijk om coöperatieve binding van liganden te krijgen zonder conformationele veranderingen? In een recent boek van Ptashne en Gann (Genes and Signals, Cold Spring Harbor Press, 2002) wordt betoogd dat je dat kunt en via een heel eenvoudig mechanisme.

Het moet duidelijk zijn dat om gentranscriptie te activeren, verschillende transcriptiefactoreiwitten zich bij de promotor moeten verzamelen voordat RNA-polymerase een gen kan transcriberen. Er zijn meerdere DNA-eiwit- en eiwit-eiwitcontacten. Om deze discussie te vereenvoudigen, beschouwen we het geval van twee eiwitten, A en B, die aan het DNA en aan elkaar moeten binden om transcriptie te laten plaatsvinden.

De binding van elk eiwit alleen wordt gekenmerkt door een karakteristieke Kd, kon en koff. Wat gebeurt er met k on en k off voor eiwit B, bijvoorbeeld als A al gebonden is? Je kunt je voorstellen dat k on niet veel verandert, maar hoe zit het met k off nadat het eiwit een interactie aangaat met zowel zijn DNA-plaats als met eiwit A? Als B zou dissociëren van zijn DNA-plaats, zou het nog steeds dicht bij die plaats worden gehouden vanwege zijn interactie met het gebonden eiwit A. De effectieve concentratie gaat omhoog en je zou je gemakkelijk kunnen voorstellen dat het zeer snel opnieuw aan zijn DNA-site zou binden . Het netto-effect zou zijn dat de schijnbare k off zou afnemen, wat de schijnbare bindingsaffiniteit zou verhogen en de schijnbare Kd zou verlagen (onthoud dat Kd = k off /k on ). Daarom zou eerdere binding van A leiden tot coöperatieve binding van eiwit B.

EPIGENTISCHE CONTROLE VAN DNA-TRANSCRIPTIE - METHYLATIE VAN DNA

De bevruchte eicel is een totipotente cel. Dat wil zeggen, door een reeks delingen kunnen de nageslachtcellen uiteindelijk een van de ongeveer 200 histologisch verschillende celtypen worden. Met daaropvolgende celdeling in het zich ontwikkelende embryo bevinden cellen zich in verschillende topologische omgevingen en hebben ze verschillende cel-celcontacten. Door signaaltransductie door het celmembraan gaan deze cellen anders worden, of differentiëren, in andere celtypen. Ze doen dit door de expressie van een andere set genen te activeren en te remmen om een ​​andere set eiwitten in de cellen te vormen. De meeste cellen worden terminaal gedifferentieerd en uiteindelijk (na misschien honderd celdelingen) verliezen ze het vermogen om te delen en beginnen ze te sterven. Er zijn echter een paar soorten cellen, stamcellen genaamd, behouden het vermogen om te differentiëren in andere celtypen in een regeneratief proces. Deze cellen zijn pluripotent doordat ze kunnen differentiëren in andere celtypen.

Hoe weten delende cellen welke soorten genen actief moeten worden getranscribeerd? Hoe kunnen ze een "geheugen" hebben van het celtype dat ze waren vóór de deling? Dit lijkt te gebeuren zonder wijziging van de nucleotidesequentie van het DNA in deze cellen. Het belangrijkste mechanisme lijkt een erfelijk maar aanpasbaar patroon van chemische modificaties aan het DNA te zijn (niet anders dan co- of post-translationele modificatie van eiwitten) waarbij methylering/demethylering (door een methylase en demethylase) van cytosine in CpG-dinucleotide betrokken is. herhalingen in het DNA. Ook kunnen eiwitten binden aan DNA en gemethyleerd DNA om het verloop van genexpressie in dochtercellen te wijzigen. Dergelijke chemische modificaties aan het DNA die gentranscriptie wijzigen, zijn voorbeelden van epigenetische mechanismen die genexpressie regelen.

Jullie kennen allemaal het klonen van dieren uit het DNA van volwassen cellen (van Jurassic Park tot het daadwerkelijk klonen van het schaap Dolly). In dit proces wordt de kern van een volwassen lichaamscel (zoals een check-epitheelcel) verwijderd en in een ei geplaatst waaruit de kern is verwijderd (ontkernd). Het ei heeft nu een volledige aanvulling van DNA, net als een volwassen cel, maar het kreeg niet de volledige set op de normale manier - d.w.z. door de helft van een sperma te ontvangen om zijn eigen normale helft aan te vullen. Er is nog een potentieel groot probleem. Het DNA in het ei heeft het methylatiepatroon van een terminaal gedifferentieerde volwassen cel. Het moet opnieuw worden geprogrammeerd door uitgebreide demethylering en remethylering te ondergaan naar de "juiste" epigenetische methyleringstoestand als het ei een kans heeft om een ​​normaal embryo, foetus en volwassene te vormen. Uiteraard kan dit gebeuren, zoals bewijs door Dolly en succes bij het klonen van koeien, katten, varkens en muizen. Het is echter erg moeilijk te bereiken en verklaart waarschijnlijk het lage succespercentage van klonen.

Methyleringspatronen kunnen verantwoordelijk zijn voor genuitschakeling (waarbij één gen in een paar identieke chromosomen niet tot expressie wordt gebracht) en inactivering van één volledig X-chromosoom bij een vrouw (die 2 X-chromosomen heeft). Over het algemeen wordt transcriptie van genen die gemethyleerd zijn geremd.

CHROMATINE REMODELING EN GENEXPRESSIE

Men dacht dat controle van DNA-transcriptie in eukaryoten de assemblage van veel eiwitten bij de promotor in een pre-initiatiecomplex (PIC) omvat. Eenmaal geassembleerd, zou RNA-polymerase kunnen binden en zou transcriptie worden gestart. Maar wacht even! Zit DNA niet in de kern verpakt in chromatine? waarin 147 BP DNA is gewikkeld rond een kern van 4 paar positief geladen histonen eiwitten - waaronder H2A, 2B, 3 en 4 - om een ​​nucleosoom te vormen, onder een microscoop gezien als kralen aan een touwtje?

Is dit chromatine niet verder gewikkeld in vezels die resulteren in het klassieke beeld van zusterchromatiden die klaar zijn om te scheiden bij celdeling. Hoe konden de transcriptiefactoren en RNA-polymerase doelwitplaatsen op DNA herkennen, gegeven deze mate van "vouwing" en condensatie van het DNA?

Het is duidelijk dat de complexe gecomprimeerde staat van DNA en de interactie ervan met de histon-eiwitten moet worden "geremodelleerd" om interacties van de transcriptiefactoren en RNA-polymerase (die ongeveer dezelfde grootte heeft als een nucleosoom) mogelijk te maken. De regulatie van deze chromatine-remodellering heeft duidelijk invloed op gentranscriptie en is een ander voorbeeld van epigenetische veranderingen die het fenotype kunnen beïnvloeden. De toestand van de chromatinestructuur wordt gereguleerd door enzymen die de histonstructuur en -functie beïnvloeden door de histon chemisch te wijzigen eiwitten (door acetylering, methylering en fosforylering). Evenzo wordt het DNA in het promotorgebied veranderd door enzymen die het DNA hermodelleren door een ATP-afhankelijke reeks modificaties. Wanneer histonen bijvoorbeeld worden gemodificeerd door histonacetyltransferase (HAT's), andere modelleringsfactoren ( SWI/SNF) worden gerekruteerd naar het chromatine. Chromatine-remodellering zou ook worden beïnvloed door dat celcyclusstadium van de cel. Bijvoorbeeld, chromatine gecondenseerd in zusterchromatiden die klaar zijn voor celdeling, zou andere hermodelleringsvereisten hebben voor gentranscriptie dan chromatine in de vorm van een kraal aan een touwtje. Evenzo zouden remodelleringsinspanningen ook genspecifiek zijn.

De onderstaande figuur laat zien hoe remodellering is gekoppeld aan de vorming van het pre-initiatiecomplex voor drie genen:

gist HO gen: Swi5p activator binding resulteert in de interactie van de SWI/SNF ATP-afhankelijk remodellerend enzym, dat leidt tot de binding van histonacetyltransferase (HAT). Deze vergemakkelijken de vorming van het pre-initiatiecomplex.

humaan interferon-b-gen: gensequenties die bekend staan ​​als activatoren, 5' van de promoter, binden HAT's. Wanneer histonen worden geacetyleerd, SWI/SNF interageert om het chromatine te hermodelleren en PIC-vorming te vergemakkelijken.

humaan a-1 antitrypsine-gen: de PIC is voorgevormd en rekruteert HAT en SWI/SNF, wat leidt tot gentranscriptie.

Afwisselingen in chromatine-remodellering kunnen leiden tot veranderingen in genexpressie, in sommige gevallen kanker veroorzakend. SNF5 is een component van het SWI/SNF-complex en werkt in zijn normale vorm om tumoren te onderdrukken (d.w.z. het gen is een tumorsuppressorgen). Mutaties in SNF5 worden geassocieerd met zeldzame en agressieve kindertumoren. Stuart Orkin heeft een techniek ontwikkeld om het gen in sommige muizencellen te veranderen om een ​​omgekeerd gen te produceren dat geen functioneel SNF5 produceert. Cellen met deze mutatie worden vrijwel onmiddellijk tumorcellen.

DNA windt zich rond de histonkern om het nucleosoom te vormen. Histonstaarten die niet geassocieerd zijn met DNA-binding steken echter uit het nucleosoom en de functie van deze staarten wordt net ontrafeld. De aminozuren in deze staarten zijn duidelijk plaatsen voor posttranslationele modificaties, waaronder methylering, acetylering en fosforylering. Indien gewijzigd, zouden deze staarten aanvullende bindingsplaatsen voor eiwitten verschaffen die transcriptie en chromatinemodellering zouden kunnen reguleren, waardoor de "genetische code" zou worden gewijzigd. Het wordt belangrijk om de "histoncode" te begrijpen en hoe deze de transcriptie van genen beïnvloedt. De methylering van Lys 9 op histon 3 leidt bijvoorbeeld tot binding van heterochromatine-geassocieerd eiwit, wat leidt tot remming van gentranscriptie (een voorbeeld van epigentische silencing). Acetylering van de staarten leidt in het algemeen tot activering van gentranscriptie op die plaats.

Epigenetische veranderingen (door methylering van DNA of acetylering, methylering en fosforylering van histoneiwitten die chromatine-remodellering veroorzaken, kunnen het fenotype (kenmerken van het individu) veranderen, zoals blijkt uit het feit dat identieke tweelingen uiteindelijk kunnen divergeren op manieren die hun neiging tot ziekte beïnvloeden. in voeding en levensstijl, die de neiging tot ziekte kunnen veranderen, zouden hun effecten kunnen uitoefenen door epigenetische veranderingen in genexpressie.Het Human Epigenome Consortium ontwikkelt een catalogus van verschillen in methyleringspatroon in het menselijk genoom die mogelijk gecorreleerd zijn met ziekterisico.

CONTROLE VAN GENEXPRESSIE DOOR RNA-MOLECULEN

Wat verklaart de toegenomen complexiteit van organismen zoals mensen? Zoals in het hoofdstuk over DNA is besproken, gaat het niet om het aantal chromosomen of zelfs maar om het aantal mogelijke genen in een organisme. Een groot verschil tussen bacteriële en menselijke cellen is bijvoorbeeld het percentage DNA dat codeert voor eiwitten. In bacteriën codeert het meeste DNA voor eiwitten, maar in menselijke eukaryote cellen is het meeste DNA (tot 98%) "junk" omdat het niet codeert voor eiwitten. Het DNA bestaat uit tussenliggende sequenties binnen DNA die coderen voor een bepaald eiwit, en sequenties tussen genen. Tot 98% van het RNA dat in menselijke cellen wordt getranscribeerd, is afgeleid van dit "junk"-DNA. Welke functie heeft dit RNA? Nieuw bewijs toont aan dat dit RNA bindt aan andere RNA-moleculen zoals mRNA (om de translatie ervan te remmen), aan DNA (om gentranscriptie te regelen) of aan eiwitten (om ook gentranscriptie te veranderen). Deze processen worden RNA-interferentie (RNAi) genoemd.

MicroRNA's (miRNA's) worden gevormd wanneer een enzym genaamd dicer knipt een gastheer-RNA gentranscript dat in dierlijke cellen een stamlus-haarspeldstructuur bevat. Dicer herkent de dubbelstrengige delen van de stengel. Het gesplitste RNA zou dan een gastheer-mRNA kunnen binden, waardoor de translatie ervan wordt geremd. Als de complementariteit van het mRNA en miRNA minder dan ideaal is, kan binding van miRNA aan het mRNA de translatie van het mRNA alleen maar verzwakken.

Another class of RNA, s hort i nterfering or si lencing RNAs ( siRNAs) can also infer with mRNA translation. siRNAs are formed when dicer cleaves viral double-stranded RNA in infected cells. (Viruses often produced dsRNA during their life cycle). These differ from miRNA in that siRNA are not derived by transcription from discrete host gene. Dicer works by cleaving the dsRNA to form a small dsRNA between 20 and 25 nucleotide pairs long called siRNAs. These can then bind to a protein complex called RISC ( RNA- induced silencing complex), which promotes unraveling of the siRNA. A complex of RISC and one of the short RNA strands from the siRNA then can bind to complementary stretches in mRNA for a specific gene (viral or host) and inhibit translation of the mRNA into protein. Inhibition occurs when RISC complex cleaves the RISC-siRNA- mRNA complex. (i.e one of the components in the RISC complex is an RNA nuclease.) This mechanism might be linked to defense mechanisms of virally-infected cells by inhibition of viral mRNA translation.

siRNAs can also bind to host RNA targets by binding to host mRNA of complementary sequence to form a dsRNA complex, inhibiting its translation. This technique has recently been used to ascertain the functions of gene products in the nematode worm, C. elegans . This organism has about 20,000 genes which code for proteins. Kamathk et. al. have fed these worms E. Coli transformed with plasmid DNA designed to produced dsRNA upon transcription, one strand of which was complementary to mRNA sequences in the worm. Plasmids containing almost 17,000 different dsRNA encoding genes were constructed and used to "knock out" gene expression (by forming dsRNA complexes from the mRNA) by RNAi. Phenotypic changes in the organism were studied. About 1700 of the dsRNA experiments led to observable (phenotypical) changes in the organism. Genes whose inactivation was lethal (and hence were essential for survival) were generally those that had counterparts in all other organism, while those associated with nonlethal changes were more likely to be homologous to higher organisms and more recently evolved. They also selectively looked at which genes influenced lipid metabolism by incorporating a fluorescent type which bound to lipid deposits in the organism. Around 300 genes were found to influence fluorescence and hence regulate fat deposition in the organism.

Recently, a new mechanism in control of gene expression has been offered which involves regulation of translation of a mRNA. mRNA must have a sequence, the Shine-Delgarno sequence, which allows it to bind to ribosomes. If a ligand binds to this site, mRNA could not bind to the ribosome and translation would be inhibited. Such is the case in the mRNA encoding proteins involved in the transport and synthesis of vitamins B1 (thiamine) and B12 (adenosyl cobalamin). Thiamin and thyamine pyrophosphate were shown to bind to the leader sequence of an E. Coli mRNA involved in thiamine biosynthesis and inhibit the translation of the mRNA. This allosteric mechanism for inhibition makes physiological sense since the presence of high levels of cellular B1 would obviate the need for its synthesis or transport.

EUKARYOTIC SPECIES COMPLEXITY AND CONTROL OF GENE TRANSCRIPTON

The increasing complexity of eukaryotic organisms was thought to arise from an increasing number of genes. This simplistic assumptions has not been validated from the results of sequencing and annotating the genomes of many eukaryotic organisms. Compare these statistics: the number of putative genes in the simple nematode round worm C. Elegans, the fruit fly drosophila, and the human are approximately 20,000, 14,000, and about 36,000. There seems to be little correlation of species complexity with number of genes. Other possible mechanisms for increasing complexity from a given genome size include producing different proteins from the same genes through differential splicing of RNA transcripts and rearranging DNA as occurs in immune cells to produce the huge repertoire of possible antibody molecules necessary for recognition of nonself molecules (such as viruses and bacteria). These mechanisms can not account for the incredible complexity of the human species. Levine and Tjian have proposed two other mechanisms that could account for increasing complexity. Complexity would arise from the number of gene expression patterns and involve the involvement of nonprotein-coding regions of the genome, which in humans accounts for up to 98% of the genome. One mechanism requires the present of greater number and complexity of DNA regulatory sequences (enhancers, silencers, promoters) in more complex organisms. Since these sequences are in the DNA (the molecule that is transcribed), they are called cis-regulatory sequences. The second mechanism involves an increase in the elaboration and complexity of proteins (trans-regulatory elements) that regulate gene expression in more complex organisms.. These proteins could include transcription factors, proteins interacting with enhancer sequences, and proteins involved in chromatin remodeling (described above). They estimate that up to a third of the human genome (1 billion base pairs) might be involved in the regulation of gene transcription. In addition, 5-10% of all proteins expressed from genes appear to regulate gene transcription. There appears to be about 300, 1000, and 3000 transcription factor in yeast, drosophila and C. elegans, and humans, respectively. There is about one transcription factor for every gene in yeast, but one for every ten in humans.

In simple eukaryotes, cis regulatory elements would include the promoter (TATA box region), and upstream regulatory sequences (enhancer) and silencers about 100-200 base pairs from the promoter. In more complex eukaryotic species like humans, the promoter is more complex, containing the TATA box, initiator sequences (INR) and downstream promoter elements (DPE). Upstream cis regulatory elements (as far as 10 kb from the promoter) include multiple enhancers, silencers, and insulators. Most promoters have TATA boxes, where TATA Binding Protein (TBP) binds. Upstreams elements in turn regulate the binding of TBP.

Comparative Genomics - Gene Expression Differences Between Humans and Chimpanzees

Our closest biological relative is the chimpanzee, who branched off from a common ancestor of both of us about six million years ago. Our DNA sequence appears to be 98.6 % identical (not just homologous). If we are so close in our genetic blue print, how can we be so different. They are many possible conjectures that may soon be answered when the chimp genome is sequenced and compared to that of the human. Our genes are presumably very similar. People suspect that there are two major kinds of differences that make our species different:

  • our genes are very similar but are transcribed differently in the two species. Recent evidence show that the types of RNA transcribed by human and chimp livers are very similar, but many more genes are transcribed in human brains compared to chimp brains.
  • humans may have lost genes (or their function) that are required for chimp survival in the jungle. The observations that chimps are resistant to many of the disease pathogens that affect humans (immunodeficiency viruses like HIV, influenza A virus, hepatitis B/C, malarial parasite) could be explained by the loss of "protective" genes in humans. In addition, cardiovascular disease and certain types of cancer are rarer in chimps. Humans have apparently "lost" genes involved in body hair, strength, and early maturation, traits that would adapt the chimp to life in the jungle.

We previously discussed an example of a loss of gene function in humans. We have lost a hydroxylase gene involved in formation of certain types of sialic acids, specifically N -glycolylneuraminic acid , found on cell surface glycogroteins of mammals other than humans. Chimps have a lectin receptor for this sialic acid. Recent work has shown that human lack a critical Arg in our version of the lectin that would recognize N -glycolylneuraminic acid , making it unable to bind this ligand. Hence both pairs of genes involved in these type of interactions (cell:cell) are missing. Since sialic acid molecules are often involved in pathogen:host binding, these difference in humans compared to chimps might account for the difference in disease susceptibility as mentioned above.

With respect to gene transcription in the brain, Lai et al. have found a mutation in the human gene FOXP2, a transcription factor, in a family that has significant difficulty in controlling muscles required for articulation of words. This mutation also causes problems in language processing and grammar construction. Comparsion of the normal human gene with other primate genes shows distinct differences in the human gene which may have conferred on human the ability to use speech.


Structure of Transcriptional Activators

Many transcriptional activators are essentially modular in structure in that the DNA-binding domain and the transactivation (or activation) domain can almost be thought of as two distinct proteins that are physically linked. The DNA-binding domain is the part of the molecule that contacts DNA at the promoter site. The transactivation domain is the part that recruits other factors to the promoter such that the rate of transcription of the gene increases. Although transcription factor DNA-binding domains vary in amino acid sequence, many can be placed into structural categories based on their three-dimensional structures. Among these are the zinc finger, helix-loop-helix,


Expanded GAA repeats impede transcription elongation through the FXN gene and induce transcriptional silencing that is restricted to the FXN locus

Friedreich's ataxia (FRDA) is a severe neurodegenerative disease caused by homozygous expansion of the guanine-adenine-adenine (GAA) repeats in intron 1 of the FXN gene leading to transcriptional repression of frataxin expression. Post-translational histone modifications that typify heterochromatin are enriched in the vicinity of the repeats, whereas active chromatin marks in this region are underrepresented in FRDA samples. Yet, the immediate effect of the expanded repeats on transcription progression through FXN and their long-range effect on the surrounding genomic context are two critical questions that remain unanswered in the molecular pathogenesis of FRDA. To address these questions, we conducted next-generation RNA sequencing of a large cohort of FRDA and control primary fibroblasts. This comprehensive analysis revealed that the GAA-induced silencing effect does not influence expression of neighboring genes upstream or downstream of FXN. Furthermore, no long-range silencing effects were detected across a large portion of chromosome 9. Additionally, results of chromatin immunoprecipitation studies confirmed that histone modifications associated with repressed transcription are confined to the FXN locus. Finally, deep sequencing of FXN pre-mRNA molecules revealed a pronounced defect in the transcription elongation rate in FRDA cells when compared with controls. These results indicate that approaches aimed to reactivate frataxin expression should simultaneously address deficits in transcription initiation and elongation at the FXN locus.

© The Author 2015. Published by Oxford University Press. Alle rechten voorbehouden. For Permissions, please email: [email protected]

Figuren

Characterization of the FRDA fibroblast…

Characterization of the FRDA fibroblast lines. ( EEN ) Determination of the number…

Transcriptional silencing induced by expanded…

Transcriptional silencing induced by expanded GAA repeats is restricted to the FXN gene.…

Epigenetic changes induced by expanded…

Epigenetic changes induced by expanded GAAs in FRDA cells are restricted to the…

Expanded GAA repeats impede transcription…

Expanded GAA repeats impede transcription elongation rate at intron 1 of the FXN…

Histone H4K20me1 is decreased downstream…

Histone H4K20me1 is decreased downstream of the expanded GAA repeats in FRDA cells.…


Expression of Genes

For a cell to function properly, necessary proteins must be synthesized at the proper time. All cells control or regulate the synthesis of proteins from information encoded in their DNA. The process of turning on a gene to produce RNA and protein is called genexpressie. Whether in a simple unicellular organism or a complex multi-cellular organism, each cell controls when and how its genes are expressed. For this to occur, there must be a mechanism to control when a gene is expressed to make RNA and protein, how much of the protein is made, and when it is time to stop making that protein because it is no longer needed.

The regulation of gene expression conserves energy and space. It would require a significant amount of energy for an organism to express every gene at all times, so it is more energy efficient to turn on the genes only when they are required. In addition, only expressing a subset of genes in each cell saves space because DNA must be unwound from its tightly coiled structure to transcribe and translate the DNA. Cells would have to be enormous if every protein were expressed in every cell all the time.

The control of gene expression is extremely complex. Malfunctions in this process are detrimental to the cell and can lead to the development of many diseases, including cancer.

Gene regulation makes cells different

Genregulatie is how a cell controls which genes, out of the many genes in its genome, are “turned on” (expressed). Thanks to gene regulation, each cell type in your body has a different set of active genes—despite the fact that almost all the cells of your body contain the exact same DNA. These different patterns of gene expression cause your various cell types to have different sets of proteins, making each cell type uniquely specialized to do its job.

For example, one of the jobs of the liver is to remove toxic substances like alcohol from the bloodstream. To do this, liver cells express genes encoding subunits (pieces) of an enzyme called alcohol dehydrogenase. This enzyme breaks alcohol down into a non-toxic molecule. The neurons in a person’s brain don’t remove toxins from the body, so they keep these genes unexpressed, or “turned off.” Similarly, the cells of the liver don’t send signals using neurotransmitters, so they keep neurotransmitter genes turned off (Figure 1).

Figure 1. Different cells have different genes “turned on.”

There are many other genes that are expressed differently between liver cells and neurons (or any two cell types in a multicellular organism like yourself).

How do cells “decide” which genes to turn on?

Now there’s a tricky question! Many factors that can affect which genes a cell expresses. Different cell types express different sets of genes, as we saw above. However, two different cells of the same type may also have different gene expression patterns depending on their environment and internal state.

Broadly speaking, we can say that a cell’s gene expression pattern is determined by information from both inside and outside the cell.

  • Examples of information from binnenkant the cell: the proteins it inherited from its mother cell, whether its DNA is damaged, and how much ATP it has.
  • Examples of information from buiten the cell: chemical signals from other cells, mechanical signals from the extracellular matrix, and nutrient levels.

How do these cues help a cell “decide” what genes to express? Cells don’t make decisions in the sense that you or I would. Instead, they have molecular pathways that convert information—such as the binding of a chemical signal to its receptor—into a change in gene expression.

As an example, let’s consider how cells respond to growth factors. A growth factor is a chemical signal from a neighboring cell that instructs a target cell to grow and divide. We could say that the cell “notices” the growth factor and “decides” to divide, but how do these processes actually occur?

Figure 2. Growth factor prompting cell division

  • The cell detects the growth factor through physical binding of the growth factor to a receptor protein on the cell surface.
  • Binding of the growth factor causes the receptor to change shape, triggering a series of chemical events in the cell that activate proteins called transcription factors.
  • The transcription factors bind to certain sequences of DNA in the nucleus and cause transcription of cell division-related genes.
  • The products of these genes are various types of proteins that make the cell divide (drive cell growth and/or push the cell forward in the cell cycle).

This is just one example of how a cell can convert a source of information into a change in gene expression. There are many others, and understanding the logic of gene regulation is an area of ongoing research in biology today.

Growth factor signaling is complex and involves the activation of a variety of targets, including both transcription factors and non-transcription factor proteins.

In Summary: Expression of Genes

  • Gene regulation is the process of controlling which genes in a cell’s DNA are expressed (used to make a functional product such as a protein).
  • Different cells in a multicellular organism may express very different sets of genes, even though they contain the same DNA.
  • The set of genes expressed in a cell determines the set of proteins and functional RNAs it contains, giving it its unique properties.
  • In eukaryotes like humans, gene expression involves many steps, and gene regulation can occur at any of these steps. However, many genes are regulated primarily at the level of transcription.

Alcohol dehydrogenase. (2016, January 6). Retrieved April 26, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Alcohol_dehydrogenase.

Cooper, G. M. (2000). Regulation of transcription in eukaryotes. In The cell: A molecular approach. Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9904/.

Kimball, John W. (2014, April 19). The human and chimpanzee genomes. In Kimball’s biology pages. Retrieved from http://www.biology-pages.info/H/HominoidClade.html.

OpenStax College, Biology. (2016, March 23). Eukaryotic transcription gene regulation. In _OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/[email protected]:[email protected]/Eukaryotic-Transcription-Gene-.

OpenStax College, Biology. (2016, March 23). Regulation of gene expression. In _OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/[email protected]10.8:[email protected]/Regulation-of-Gene-Expression

Phillips, T. (2008). Regulation of transcription and gene expression in eukaryotes. Nature Education, 1(1), 199. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/regulation-of-transcription-and-gene-expression-in-1086.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2003). Transcriptional regulation of gene expression. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 290-296). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Eukaryotic gene expression is regulated at many stages. In Campbell Biologie (10th ed., pp. 365-373). San Francisco, CA: Pearson.


17.2.2 The lac Operon: An Inducer Operon

De lac operon in E coli has more complex regulation, involving both a repressor and an activator. e. coli uses glucose for food, but is able to use other sugars, such as lactose, when glucose concentrations are low. Three proteins are needed to break down lactose they are encoded by the three genes of the lac operon.

When lactose is not present, the proteins to digest lactose are not needed. Therefore, a repressor binds to the operator and prevents RNA polymerase from transcribing the operon.

When lactose is present, lactose binds to the repressor and removes it from the operator. RNA polymerase is now free to transcribe the genes necessary to digest lactose (Figure 17.4)

Figure 17.4 Transcription of the lac operon only occurs when lactose is present. Lactose binds to the repressor and removes it from the operator.

However, the story is more complex than this. Sinds E coli prefers to use glucose for food, the lac operon is only expressed at low levels even when the repressor is removed. But what happens when ONLY lactose is present? Now the bacterium needs to ramp up production of the lactose-digesting proteins. It does so by using an activator protein called catabolite activator protein (CAP).

When glucose levels drop, cyclic AMP (cAMP) begins to accumulate in the cell. cAMP binds to CAP and the complex binds to the lac operon promoter (Figure 17.5). This increases the binding ability of RNA polymerase to the promoter and ramps up transcription of the genes.

Figure 17.5 When there is no glucose, the CAP activator increases transcription of the lac operon. However, if no lactose is present, the operon is not activated.

In summary, for the lac operon to be fully activated, two conditions must be met. First, the level of glucose must be very low or non-existent. Second, lactose must be present. Only when glucose is absent and lactose is present will the lac operon be transcribed maximally. This makes sense for the cell, because it would be energetically wasteful to create the proteins to process lactose if glucose was plentiful or lactose was not available (Table 17.2).

Table 17.2 Summary of signals that induce or repress transcription of the lac operon.


Biologie 171

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

  • Explain how chromatin remodeling controls transcriptional access
  • Describe how access to DNA is controlled by histone modification
  • Describe how DNA methylation is related to epigenetic gene changes

Eukaryotic gene expression is more complex than prokaryotic gene expression because the processes of transcription and translation are physically separated. Unlike prokaryotic cells, eukaryotic cells can regulate gene expression at many different levels. Epigenetic changes are inheritable changes in gene expression that do not result from changes in the DNA sequence. Eukaryotic gene expression begins with control of access to the DNA. Transcriptional access to the DNA can be controlled in two general ways: chromatin remodeling and DNA methylation. Chromatin remodeling changes the way that DNA is associated with chromosomal histones. DNA methylation is associated with developmental changes and gene silencing.

Epigenetic Control: Regulating Access to Genes within the Chromosome

The human genome encodes over 20,000 genes, with hundreds to thousands of genes on each of the 23 human chromosomes. The DNA in the nucleus is precisely wound, folded, and compacted into chromosomes so that it will fit into the nucleus. It is also organized so that specific segments can be accessed as needed by a specific cell type.

The first level of organization, or packing , is the winding of DNA strands around histone proteins. Histones package and order DNA into structural units called nucleosome complexes, which can control the access of proteins to the DNA regions ((Figure)een). Under the electron microscope, this winding of DNA around histone proteins to form nucleosomes looks like small beads on a string ((Figure)B).


These beads (histone proteins) can move along the string (DNA) to expose different sections of the molecule. If DNA encoding a specific gene is to be transcribed into RNA, the nucleosomes surrounding that region of DNA can slide down the DNA to open that specific chromosomal region and allow for the transcriptional machinery (RNA polymerase) to initiate transcription ((Figure)).


In females, one of the two X chromosomes is inactivated during embryonic development because of epigenetic changes to the chromatin. What impact do you think these changes would have on nucleosome packing?

How closely the histone proteins associate with the DNA is regulated by signals found on both the histone proteins and on the DNA. These signals are functional groups added to histone proteins or to DNA and determine whether a chromosomal region should be open or closed ((Figure) depicts modifications to histone proteins and DNA). Deze tags zijn niet permanent, maar kunnen naar behoefte worden toegevoegd of verwijderd. Some chemical groups (phosphate, methyl, or acetyl groups) are attached to specific amino acids in histone “tails” at the N-terminus of the protein. These groups do not alter the DNA base sequence, but they do alter how tightly wound the DNA is around the histone proteins. DNA is a negatively charged molecule and unmodified histones are positively charged therefore, changes in the charge of the histone will change how tightly wound the DNA molecule will be. By adding chemical modifications like acetyl groups, the charge becomes less positive, and the binding of DNA to the histones is relaxed. Altering the location of nucleosomes and the tightness of histone binding opens some regions of chromatin to transcription and closes others.

The DNA molecule itself can also be modified by methylation. DNA methylation occurs within very specific regions called CpG islands. These are stretches with a high frequency of cytosine and guanine dinucleotide DNA pairs (CG) found in the promoter regions of genes. The cytosine member of the CG pair can be methylated (a methyl group is added). Methylated genes are usually silenced, although methylation may have other regulatory effects. In some cases, genes that are silenced during the development of the gametes of one parent are transmitted in their silenced condition to the offspring. Such genes are said to be imprinted. Parental diet or other environmental conditions may also affect the methylation patterns of genes, which in turn modifies gene expression. Changes in chromatin organization interact with DNA methylation. DNA methyltransferases appear to be attracted to chromatin regions with specific histone modifications. Highly methylated (hypermethylated) DNA regions with deacetylated histones are tightly coiled and transcriptionally inactive.


Epigenetic changes are not permanent, although they often persist through multiple rounds of cell division and may even cross generational lines. Chromatin remodeling alters the chromosomal structure (open or closed) as needed. If a gene is to be transcribed, the histone proteins and DNA in the chromosomal region encoding that gene are modified in a way that opens the promoter region to allow RNA polymerase and other proteins, called transcription factors , to bind and initiate transcription. If a gene is to remain turned off, or silenced, the histone proteins and DNA have different modifications that signal a closed chromosomal configuration. In this closed configuration, the RNA polymerase and transcription factors do not have access to the DNA and transcription cannot occur ((Figure)).

View Chromatin, Histones and Modifications (video) which describes how epigenetic regulation controls gene expression.

Sectie Samenvatting

In eukaryotic cells, the first stage of gene-expression control occurs at the epigenetic level. Epigenetic mechanisms control access to the chromosomal region to allow genes to be turned on or off. Chromatin remodeling controls how DNA is packed into the nucleus by regulating how tightly the DNA is wound around histone proteins. The DNA itself may be methylated to selectively silence genes. The addition or removal of chemical modifications (or flags) to histone proteins or DNA signals the cell to open or close a chromosomal region. Therefore, eukaryotic cells can control whether a gene is expressed by controlling accessibility to the binding of RNA polymerase and its transcription factors.

Kunstverbindingen

(Figure) In females, one of the two X chromosomes is inactivated during embryonic development because of epigenetic changes to the chromatin. What impact do you think these changes would have on nucleosome packing?

(Figure) The nucleosomes would pack more tightly together.

Gratis antwoord

In cancer cells, alteration to epigenetic modifications turns off genes that are normally expressed. Hypothetically, how could you reverse this process to turn these genes back on?

You can create medications that reverse the epigenetic processes (to add histone acetylation marks or to remove DNA methylation) and create an open chromosomal configuration.

A scientific study demonstrated that rat mothering behavior impacts the stress response in their pups. Rats that were born and grew up with attentive mothers showed low activation of stress-response genes later in life, while rats with inattentive mothers had high activation of stress-response genes in the same situation. An additional study that swapped the pups at birth (i.e., rats born to inattentive mothers grew up with attentive mothers and vice versa) showed the same positive effect of attentive mothering. How do genetics and/or epigenetics explain the results of this study?

Swapping the pups at birth indicates that the genes inherited from the attentive or inattentive mothers do not explain the rats’ stress-responses later in life. Instead, researchers found that the attentive mothering caused the methylation of genes that control the expression of stress receptors in the brain. Thus, rats that received attentive maternal care exhibited epigenetic changes that limited the expression of stress-response genes, and that the effect was durable over their lifespans.

Some autoimmune diseases show a positive correlation with dramatically decreased expression of histone deacetylase 9 (HDAC9, an enzyme that removes acetyl groups from histones). Why would the decreased expression of HDAC9 cause immune cells to produce inflammatory genes at inappropriate times?

Histone acetylation reduces the positive charge of histone proteins, loosening the DNA wrapped around the histones. This looser DNA can then interact with transcription factors to express genes found in that region. Normally, once the gene is no longer needed, histone deacetylase enzymes remove the acetyl groups from histones so that the DNA becomes tightly wound and inaccessible again. However, when there is a defect in HDAC9, the deacetylation may not occur. In an immune cell, this would mean that inflammatory genes that were made accessible during an infection are not tightly rewound around the histones.

Woordenlijst


Bekijk de video: 4V Eiwitsynthese - 23 Capping en splicing (November 2021).