Menselijke genetica
Academiejaar 2020-2021
1
,6. Principes van genregulatie en epigenetica
We gaan spreken over de processen die reguleren hoe onze genen tot expressie komen. Verschillende
niveaus van genregulatie beïnvloeden de productie of stabiliteit van genproducten: transcriptie, post-
transcriptie processen (om mRNA of mature (“volwassen”) non-coderend RNA), translatie van mRNA,
post-translationele modificatie, het vouwen van gen producten,…
Bij transcriptie, post-transcriptionele processen en translatie zijn complexe netwerken van interagerende
regulerende nucleotidesequenties en eiwitten bij betrokken. Deze regulerende sequenties kunnen
worden onderverdeeld in 2 klassen, naargelang ze cis- of trans-acterend zijn.
• Cis acting regulatie: Een DNA sequentie die reguleert op zijn eigen DNA streng (bv promotor)
• Cis acting regulerend DNA element: een DNA sequentie wiens functie in gen regulatie beperkt is
tot het enkele DNA-molecuul dat het wenst.
o Gen regulatie op dezelfde DNA streng
o Reguleert 1 gen
o Reguleert 1 allel
o vb: promotor, enhancer
• Cis acting RNA sequentie: reguleert de expressie van het enkele RNA-transcript waarop het zich
bevindt. Deze elementen bevinden zich vaak in de onvertaalde regio’s in mRNA, maar individuele
splicing controle sequenties in pre-mRNA kunnen zich volledig binnen exons bevinden, volledig
binnen introns of over exon-introngrenzen heen.
o Cis regulatie op mRNA niveau via 5’ en 3’ UTR
o Worden gebonden door trans activerende eiwitten en miRNA’s
o Veel voorkomend, vooral miRNA binding op 3’ UTR
• Trans acting regulatie: RNA of eiwit dat diffundeert om specifieke korte doelwit-
nucleïnezuursequenties te herkennen en te binden. Hierdoor reguleren ze de expressie van
beide allelen op verafgelegen genen of de RNA's die ze produceren. Het reguleert vaak meerdere
verschillende genen die doelwitsequenties hebben waaraan het kan binden, of RNA-transcripten
van meerdere genen.
o Eiwit of RNA dat migreert door diffusie, reguleert op afstand
o Bindt op een regulatorisch element (korte DNA sequentie)
o Reguleert beide allelen van een gen
o Kan meerdere genen tegelijkertijd reguleren
Regulatie is altijd een combinatie van cis en trans.
• Enhancer (cis) en transcriptiefactor (trans) die erop bindt
• miRNA bindende sequentie (cis) en miRNA (trans) dat erop bindt
Regulatie van naburige genen A en B op homologe chromosomen door
positieve cis-werkende regulerende elementen 1 tot 4. Gen A wordt
besturd door elementen 2 en 3; gen B wordt gecontroleerd door
proximaal element 4 en extern element 1.
2
, Een op afstand gelegen gen Z (op een ander chromosoom of hetzelfde)
produceert een trans-werkend regulerend eiwit Z dat bindt aan
regulerend element 2.
Cis-werkende regulerende elementen in mRNA bevinden zich
vaak in niet-vertaalde regio's (UTRS). Expressie van gen A wordt
hier verondersteld ook te worden gereguleerd door trans-
werkende regulerende proteïne X en microRNA Y die binden aan
cis-werkende elementen in respectievelijk de 5 'en 3' UTRS van
de snelheden MRNA.
6.1 Genetische regulatoren van genexpressie
➢ Promotors: de aan/uit knop van genen
Promotors zijn cis-acting regulerende DNA sequenties die belangrijk bij het bepalen welke segmenten
van een DNA-streng hij zal transcriberen.
Elke promotor is een verzameling van zeer korte sequentie-elementen die gewoonlijk geclusterd zijn
binnen een paar honderd nucleotiden vanaf de startplaats van de transcriptie. Voor elke DNA-streng
begint de transcriptie op vaste punten op het DNA waar het chromatine is geïnduceerd om een 'open'
structuur aan te nemen (zie hieronder). Nucleaire genen worden getranscribeerd door drie verschillende
soorten RNA-polymeren:
1. RNA pol I: schrijft meeste ribosomale RNA’s af
2. RNA pol II: schrijft eiwit coderende genen, lncRNA’s, en miRNA’s af
a. Vormt een groot transcriptie initiatie complex met algemene transcriptiefactoren
b. Vormt zich op (cis-acting) consensus sequenties in de buurt van de transcriptie start
plaats: De Promotor
3. RNA pol III: schrijft tRNA genen, één ribosomaal RNA, en sommige kleine RNA’s af
Geen van de RNA-polymerasen werkt alleen; elk wordt bijgestaan door speciale eiwitcomplexen.
Consensus sequenties voor promotors
Illustreert enkele belangrijke kernpromotorelementen, maar
merk op dat de samenstelling van deze elementen zeer
variabel is en dat sommige promotors niet alle hier getoonde
elementen missen. Sommige hebben ipv 4 elementen ook
maar 3 of 2 of 1 of dan geen.
RNA pol II promotor bevat typisch:
• BRE: TFIIB recognition element
• TATA box
• Inr: initiator element (A is transcriptiestartplaats)
3
, • DPE: downstream core promotor element
Veel voorkomende elementen, maar geen ervan is nodig noch voldoende voor promotor activiteit • Vele
promotors hebben geen van deze elementen.
De TATA-box is gebonden door de TATA-bindende eiwitsubeenheid van transcriptiefactor IID. Het initiator-element
(Inr) definieert de startplaats van de transcriptie (de gemarkeerde A, dus hierop begint transcriptie) wanneer deze
zich op 25-30 bp van een TATA-box bevindt. Het stroomafwaartse kernpromotor (DPE) -element is alleen
functioneel wanneer het precies op +28 tot +32 bp is geplaatst ten opzichte van de gemarkeerde A van een Inr-
element. TFIIB bindt aan het BRE (TFIIB-herkenningselement) en positioneert RNA-polymerase nauwkeurig op de
startplaats van de transcriptie.
➢ Modulerende transcriptie, weefselspecifieke regulatie, enhancers en silencers
Enhancers, silencers, boundaries, insulators
DNA-bindingsplaatsen voor veel transcriptiefactoren bevinden zich vaak binnen 1,5 kb van de
transcriptiestartplaats, en ze kunnen stroomopwaarts of stroomafwaarts van de transcriptiestartplaats
worden gelokaliseerd. Voor een gen met introns bevinden deze cis-werkende regulerende elementen
zich daarom vaak net stroomopwaarts van het gen of binnen het eerste intron. Soms bevinden de
regulerende elementen zich echter op een aanzienlijke afstand van de promotor van het gen dat ze
reguleren. Bij promotors zijn de oriëntatie en afstand van de volgorde-elementen belangrijk.
Enkele aanvullende cis-werkende regulerende DNA-elementen moduleren transcriptie op een manier die
vrij onafhankelijk is van hun oriëntatie. Ze behoren tot twee klassen:
• Enhancers: die transcriptie versterken
• Silencers: die transcriptie onderdrukken.
Ze kunnen zich dicht bij een transcriptionele startlocatie bevinden, maar vaak zijn ze ver verwijderd van
hun doelwitgen. Om externe elementen zoals enhancers te laten werken, moet het tussenliggende DNA
eruit worden gelust. De eiwitten die aan de enhancer zijn gebonden, kunnen nu fysiek interageren met
eiwitten die zijn gebonden aan de promotor van het doelgen. De werking op lange afstand van
elementen zoals enhancers moet op de juiste genen worden gericht.
Om ervoor te zorgen dat signalen van regulerende elementen geen invloed hebben op andere genen dan
de beoogde doelwitten, is er een andere klasse van regelgevende elementen nodig om grenzen vast te
stellen (grenselementen/ boundary elementen). Sommige grenselementen fungeren als barrières tussen
aangrenzende euchromatinegebieden en heterochromatinegebieden. Een ander type is een isolator die
ongepaste interacties tussen enhancers en promoters kan blokkeren door regulerende eiwitten te
binden, met name de CTCF-regulator.
• Cis acting sequenties van typisch 4-9 bp
• Bevinden zich zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts
o In vele gevallen binnen de 1,5 kb, maar vaak (veel) verder
• Enhancers: versterken expressie
• Silencers: onderdrukken expressie
• Boundary sequenties:
4
, o Insulators: blokkeren interactie tussen enhancer en promotor door regulatorische
eiwitten te binden
o Barrière elementen tussen euchromatine en heterochromatine. Let op het grote verschil
tussen epigenetische en genetische boundary sequenties
Transcriptiefactoren
Herhaling moleculaire biologie zie “zelfstudies”
• Transcriptiefactoren zijn DNA bindende eiwitten
• Binden op cis acting sequenties
Net als andere DNA-bindende eiwitten, herkent een transcriptiefactor typisch een specifieke korte
sequentie (vaak vier tot negen nucleotiden lang) met behulp van een DNA-bindend domein dat enkele
motieven bevat die fysiek DNA binden zoals zinc fingers of leucine zippers*. Voor elke transcriptiefactor
zijn er van tienduizenden tot honderdduizenden potentiële bindingsplaatsen in het menselijk genoom,
maar om twee redenen wordt slechts een minuscule fractie gebruikt:
1. De bindingsplaats moet toegankelijk zijn (in een ontspannen open chromatine-conformatie en
weg van direct contact met nucleosomen).
2. Binding is combinatorisch: verschillende transcriptiefactoren werken samen door te binden aan
aangrenzende herkenningssequenties. Verschillende transcriptiefactoren binden tegelijkertijd.
Co-activatoren en co-repressoren
• Moduleren de actie van transcriptiefactoren zonder dat ze DNA binden
• Werken via eiwit-eiwit interacties met regulatorische eiwitten
DNA-looping brengt eiwitten die zijn gebonden aan versterkers of
geluiddempers op afstand, in direct contact met eiwitten die aan de
promotor zijn gebonden. DNA-looping maakt directe fysieke
interacties mogelijk tussen eiwitten die zijn gebonden aan een ver cis-
werkend element (oranje doos) dat een gen (donkerblauwe doos)
reguleert met enkele van de vele eiwitten die aan de promotor van
het gen zijn gebonden. Voor de duidelijkheid: alleen het RNA-
polymerase wordt aan de promotor getoond.
*
(A)
(A) Gaan DNA seq aflezen en is een belangrijke categorie.
(B) Zipper is ritssluiting. Is alfa helix waarin leucines zitten. “Een wasknijper dat in het DNA gaat zitten”.
DNA bindende eiwitten die DNA seq gaan aflezen en herkennen.
5
