H20: Regulatie van genexpressie
inleiding
Drosophila embryo: immunokleuring voor drie verschillende eiwitten
- Gebruikmakende van een gekleurde antilichamen (‘antibodies’) kunnen de verschillende
genen zichtbaar worden
- Zien dat er verschillende genen in de cel zitten, die verschillend tot expressie komen:
REGULATIE VAN GENEXPRESSIE
Centrale dogma van moleculaire biologie
➔ Transcriptie en translatie kan geregeld worden!
➔ Gelijkend genoom, verschillend transcript: functie van gedifferentieerde cellen zijn
verschillend
, 1. Regeling van genexpressie in bacteriën
Genexpressie in bacteriën
1. Constitutieve genen: genen komen constant tot expressie
- Genen die iets tot expressie brengen voor het dagdagelijks metabolisme
- Bv. ribosomale genen of genen die coderen voor de enzymen van de glycolyse
2. Gereguleerde genen: Expressie van genen geregeld door omgevingsfactoren (‘regulated
genes’)
- Bv. genen die coderen voor enzymen van metabole paden die niet constant nodig zijn
- twee type van regulatie
➢ katabole (afbraak) paden (‘pathways’): substraat inductie
• Lac operon
➢ anabole (synthese) paden: repressie door eindproduct
• Tryptofaan operon
- Hoe? via DNA-bindende eiwitten die al dan niet allosterisch geregeld worden
o Allosterische regeling: eiwit zal 2 conformaties aannemen, afhankelijk of dat de
effector al dan niet gebonden is
Gereguleerde genen
Katabole paden: bv. lactose afbraak (lac operon)
- Het enzym b-galactosidase (lyase) hydrolyseert het disaccharide lactose in monosacchariden
lactose→glucose + galactose
- Substraat inductie: b-galactosidase zal gesynthetiseerd worden als lactose aanwezig is →
anders verlies van energie
o ‘substraat’: lactose
o ‘inductie’: aanmaak van b-galactosidase
- Het enzym b-galactoside permease zorgt ervoor dat lactose in de cel zal komen vanuit de
omgeving in de bacterie
,Anabole paden: bv. tryptofaan synthese (Trp operon)
- Hoeveelheid enzyme omgekeerd evenredig met hoeveelheid eindprodukt
o Geen synthese nodig van enzymen die tryptofaan aanmaken→ repressie van deze
enzymen
o Bv. Veel Tryptofaan: synthese van de enzymen nodig voor tryptofaan synthese daalt
- Repressie door eindproduct: het eindproduct doet de genexpressie van een bepaald enzym
dalen
- Repressie door eindproduct is verschillend aan feedback inhibitie
o ‘feedback’: eindproduct zal finaal het enzym gaan inhiberen
o ‘feedback inhibitie’: eindproduct zorgt ervoor dat het aantal moleculen van het
eindproduct daalt door repressie
Lac Operon van E. coli (katabool pad met substraat inductie)
De controle van het lactose katabolisme vereist 2 soorten genen:
1. Genen die coderen voor enzymen die betrokken zijn in het opnemen en metaboliseren van
lactose
2. Regulatorische genen controleren de activiteit van de enzym-coderende genen
• Enzym-coderende genen
a. Gelegen in operon:
- Typisch voor prokaryoten, minder in eukaryoten, 15% van de genen in C. elegans in operons
- =groep van genen die coderen voor eiwitten met gerelateerde functies liggen naast elkaar en
worden samen afgeschreven: een polycistronische mRNA wordt gevormd dat codeert voor
meerdere eiwitten
o Polycistronisch: 1 enkel mRNA molecule wordt gesynthetiseerd dat codeert voor
meerdere polypeptiden
Lac operon: 3 verschillende genen:
- Lac Z: codeert voor b-galactasidase (hydrolyse van lactose)
- Lac Y: codeert voor galactoside permease (transport van lactose in de cel)
- Lac A: codeert voor transacetylase (voegt een acetylgroep aan lactose toe bij opname)
• Regulatorische genen
b. Promotor(Plac) en operator (O)
- Overlappen gedeeltelijk
- Transcriptie van enzym-coderende genen kan enkel plaats vinden nadat RNA polymerase
zich aan de promotor heeft gehecht
c. Lac I
• codeert voor een repressor proteïne (lac repressor) wat ervoor zorgt dat de enzym-
coderende genen niet tot expressie komen
- deze lac respressor
o is een DNA-bindend eiwit dat kan binden op de operator site van het lac operon →
RNA pol wordt op de promotor geblokkeerd: inhibitie van het transcript vindt plaats
o is een allosterisch proteïne dat een reversibele interactie kan ondergaan met
allolactose:
, 1. aanwezigheid van allolactose (en dus ook lactose): bindt de lac
repressor aan allolactose waardoor het niet meer in staat is om aan
de operator te binden, transcriptie vindt plaats
2. afwezigheid van allolactose: bindt de repressor op lac operator en
inhibeert de transcriptie van het lac operon
Lac Operon: negatieve regulatie door lac repressor
• Lac I gen codeert voor lac repressor
• De lac repressor (= DNA-bindend eiwit) bindt de operator en blokkeert de expressie
• De lac repressor: allosterisch proteïne (zie hoofdstuk 6)
Lac Operon: induceerbaar
• Substraat inductie
• Inducer: effector dat de transcriptie van een induceerbaar operon kan opstarten
(allolactose)
• Induceerbaar operon: operon dat getranscripteerd wordt door een inducer
• IPTG, een niet-metaboliseerbare inducer: bindt ook aan Lac repressor, maar wordt niet
gemetaboliseerd (concentratie blijft onveranderlijk)
• Bij verwijdering van LacI gen: onbeperkte transcriptie van operon, doordat er geen
repressor wordt aangemaakt
inleiding
Drosophila embryo: immunokleuring voor drie verschillende eiwitten
- Gebruikmakende van een gekleurde antilichamen (‘antibodies’) kunnen de verschillende
genen zichtbaar worden
- Zien dat er verschillende genen in de cel zitten, die verschillend tot expressie komen:
REGULATIE VAN GENEXPRESSIE
Centrale dogma van moleculaire biologie
➔ Transcriptie en translatie kan geregeld worden!
➔ Gelijkend genoom, verschillend transcript: functie van gedifferentieerde cellen zijn
verschillend
, 1. Regeling van genexpressie in bacteriën
Genexpressie in bacteriën
1. Constitutieve genen: genen komen constant tot expressie
- Genen die iets tot expressie brengen voor het dagdagelijks metabolisme
- Bv. ribosomale genen of genen die coderen voor de enzymen van de glycolyse
2. Gereguleerde genen: Expressie van genen geregeld door omgevingsfactoren (‘regulated
genes’)
- Bv. genen die coderen voor enzymen van metabole paden die niet constant nodig zijn
- twee type van regulatie
➢ katabole (afbraak) paden (‘pathways’): substraat inductie
• Lac operon
➢ anabole (synthese) paden: repressie door eindproduct
• Tryptofaan operon
- Hoe? via DNA-bindende eiwitten die al dan niet allosterisch geregeld worden
o Allosterische regeling: eiwit zal 2 conformaties aannemen, afhankelijk of dat de
effector al dan niet gebonden is
Gereguleerde genen
Katabole paden: bv. lactose afbraak (lac operon)
- Het enzym b-galactosidase (lyase) hydrolyseert het disaccharide lactose in monosacchariden
lactose→glucose + galactose
- Substraat inductie: b-galactosidase zal gesynthetiseerd worden als lactose aanwezig is →
anders verlies van energie
o ‘substraat’: lactose
o ‘inductie’: aanmaak van b-galactosidase
- Het enzym b-galactoside permease zorgt ervoor dat lactose in de cel zal komen vanuit de
omgeving in de bacterie
,Anabole paden: bv. tryptofaan synthese (Trp operon)
- Hoeveelheid enzyme omgekeerd evenredig met hoeveelheid eindprodukt
o Geen synthese nodig van enzymen die tryptofaan aanmaken→ repressie van deze
enzymen
o Bv. Veel Tryptofaan: synthese van de enzymen nodig voor tryptofaan synthese daalt
- Repressie door eindproduct: het eindproduct doet de genexpressie van een bepaald enzym
dalen
- Repressie door eindproduct is verschillend aan feedback inhibitie
o ‘feedback’: eindproduct zal finaal het enzym gaan inhiberen
o ‘feedback inhibitie’: eindproduct zorgt ervoor dat het aantal moleculen van het
eindproduct daalt door repressie
Lac Operon van E. coli (katabool pad met substraat inductie)
De controle van het lactose katabolisme vereist 2 soorten genen:
1. Genen die coderen voor enzymen die betrokken zijn in het opnemen en metaboliseren van
lactose
2. Regulatorische genen controleren de activiteit van de enzym-coderende genen
• Enzym-coderende genen
a. Gelegen in operon:
- Typisch voor prokaryoten, minder in eukaryoten, 15% van de genen in C. elegans in operons
- =groep van genen die coderen voor eiwitten met gerelateerde functies liggen naast elkaar en
worden samen afgeschreven: een polycistronische mRNA wordt gevormd dat codeert voor
meerdere eiwitten
o Polycistronisch: 1 enkel mRNA molecule wordt gesynthetiseerd dat codeert voor
meerdere polypeptiden
Lac operon: 3 verschillende genen:
- Lac Z: codeert voor b-galactasidase (hydrolyse van lactose)
- Lac Y: codeert voor galactoside permease (transport van lactose in de cel)
- Lac A: codeert voor transacetylase (voegt een acetylgroep aan lactose toe bij opname)
• Regulatorische genen
b. Promotor(Plac) en operator (O)
- Overlappen gedeeltelijk
- Transcriptie van enzym-coderende genen kan enkel plaats vinden nadat RNA polymerase
zich aan de promotor heeft gehecht
c. Lac I
• codeert voor een repressor proteïne (lac repressor) wat ervoor zorgt dat de enzym-
coderende genen niet tot expressie komen
- deze lac respressor
o is een DNA-bindend eiwit dat kan binden op de operator site van het lac operon →
RNA pol wordt op de promotor geblokkeerd: inhibitie van het transcript vindt plaats
o is een allosterisch proteïne dat een reversibele interactie kan ondergaan met
allolactose:
, 1. aanwezigheid van allolactose (en dus ook lactose): bindt de lac
repressor aan allolactose waardoor het niet meer in staat is om aan
de operator te binden, transcriptie vindt plaats
2. afwezigheid van allolactose: bindt de repressor op lac operator en
inhibeert de transcriptie van het lac operon
Lac Operon: negatieve regulatie door lac repressor
• Lac I gen codeert voor lac repressor
• De lac repressor (= DNA-bindend eiwit) bindt de operator en blokkeert de expressie
• De lac repressor: allosterisch proteïne (zie hoofdstuk 6)
Lac Operon: induceerbaar
• Substraat inductie
• Inducer: effector dat de transcriptie van een induceerbaar operon kan opstarten
(allolactose)
• Induceerbaar operon: operon dat getranscripteerd wordt door een inducer
• IPTG, een niet-metaboliseerbare inducer: bindt ook aan Lac repressor, maar wordt niet
gemetaboliseerd (concentratie blijft onveranderlijk)
• Bij verwijdering van LacI gen: onbeperkte transcriptie van operon, doordat er geen
repressor wordt aangemaakt
