Hoofdstuk 18 controle van genexpressie
§1 Bacteriën reageren op verandering m.b.v. transcriptie
Bacteriën kunnen selectief kiezen welke genen ze tot expressie brengen. Zo kunnen ze de
genen tot expressie brengen waarvan de producten door de cel nodig zijn.
Als de bacteriën een aminozuur nodig heeft, reageert de cel door een metabolische route
te activeren die dit enzym maakt. Een metabole route kan op twee niveaus worden
gecontroleerd:
> Ten eerste kunnen cellen de activiteit van al aanwezige enzymen aanpassen. Dit berust
op de gevoeligheid van veel enzymen voor chemische signalen die hun katalytische
activiteit verhogen of verlagen. Zo heb je bv. Feedbackremming, waarbij het resultaat van
een reactie de aanmaak van zichzelf remt.
> Ten tweede kunnen bacteriële cellen de expressie reguleren van de genen die coderen
voor de enzymen.
Zie de twee vormen van controle in de afbeelding hiernaast, hierbij wordt het voorbeeld
gebruikt met de aanmaak van tryptofaan.
Dit voorbeeld is slechts 1 v/d manieren hoe bacteriën hun metabolisme aanpassen aan de
hand v/d veranderende omgeving. Veel genen van het bacteriële genoom worden aan- of uitgeschakeld door
veranderingen in de cel. Sommige genen worden afzonderlijk gecontroleerd en andere als groepen van verwante genen.
Het mechanisme voor het type regulatie waarbij groepen genen worden beïnvloed, wordt het operon-model genoemd.
Hier links is het aminozuur tryptofaan weergegeven die uit een
voorlopermolecuul wordt gemaakt d.m.v. een driestapsroute die wordt
weergegeven in de afbeelding hierboven.
Oftewel: Hierboven zien we de reactie die leidt tot het enzym
tryptofaan. Terwijl we hier links de gedetailleerde vorming zien van dit
enzym.
Elke reactie in de route wordt gekatalyseerd door een specifiek enzym,
subeenheden van deze enzymen worden gecontroleerd door genen die
geclusterd zijn op een chromosoom (in dit voorbeeld hierboven zie je
dat de enzymen worden aangestuurd door “trp A t/m E”, waarbij je ze
op de afbeelding hiernaast op het chromosoom ziet liggen).
Een enkele promotor bedient alle vijf de genen, die samen een
transcriptie-eenheid vormen. De transcriptie geeft dus aanleiding tot
één lang mRNA-molecuul dat codeert voor de in dit geval vijf
polypeptiden die de enzymen in de tryptofaanroute vormen. De cel kan
dit ene mRNA vertalen in vijf afzonderlijke polypeptiden, omdat het
mRNA wordt onderbroken door start- en stopcodon die aangeven waar de coderende sequentie voor elk polypeptide
begint en eindigt (zie de afbeelding met de gedetailleerde trp operon).
Het voordeel van het clusteren van verwante genen op een chromosoom is dat er een soort aan en uit schakelaar is
ontstaan, wanneer de promotor wordt gestart, worden ze allemaal geactiveerd. Deze aan-uitschakelaar is een DNA-
segment dat een operator wordt genoemd. De operator valt binnen de promotor of in sommige gevallen, ligt het tussen de
promotor en de enzym coderende genen in. De operator regelt toegang voor RNA-polymerase tot de genen.
Samen vormen de operator, de promotor en de eiwit coderende genen een operon.
Een operon kan worden uitgeschakeld door een eiwit te laten binden aan de operator. Dit eiwit wordt de repressor
genoemd, wanneer de respressor is gebonden, kan de RNA-polymerase niet meer de streng transcriberen.
Een repressoreiwit wordt gecodeerd door een regulerend gen, deze bevindt zich in dit geval (het voorbeeld in de
afbeelding) op enige afstand van het operon en heeft zijn eigen promotor.
Regulerende genen worden continu tot expressie gebracht, maar wel met een lage snelheid. Toch is het ook niet zo dat de
operator continu is uitgeschakeld. Dit komt omdat een repressor een allosterische eiwit is, dit is dus een eiwit met
meerdere vormen; een actieve en een inactieve vorm. De repressor wordt gemaakt in inactieve vorm, die weinig affiniteit
heeft voor de operator. Wanneer er een feedback remming plaatsvindt, bindt (bij dit voorbeeld) de trypotofaanmolecuul
zich op de allosterische plaats aan de repressor en veranderd de repressoreiwit naar actieve vorm, waarbij het zal binden
aan het operon. Dit is dus de remming die we in de afbeelding helemaal rechtsboven in zien.
Het molecuul dat ervoor zorgt dat het regulerende gen actief wordt, is de corepressor.
In dit geval praat je over een onderdrukbaar operon, die dus gewoonlijk aanstaat, maar die kan worden geremd wanneer er
een molecuul bindt aan een regulerend gen.
Bij een induceerbaar operon is het operon meestal uit, maar kan deze worden gestimuleerd om aan te staan, wanneer een
specifiek molecuul bindt met een ander regulerend eiwit. Hierbij is het dus niet zo dat het regulerende gen de reactie remt,
, maar juist aanzet. In dit geval inactiveert dit kleine specifieke molecuul de repressor. Dit
specifieke molecuul wordt de inductor genoemd. Deze reactie kun je hier rechts zien, hierbij
gebruiken ze als voorbeeld een lactose molecuul. Dit operon wordt dus pas herschreven
wanneer de repressor wordt geïnactiveerd door de inductor.
In sommige gevallen zijn er twee molecuulsoorten aanwezig, neem het
voorbeeld lactose en glucose. In dit geval gebruikt de E. coli cel (bevindt
zich in de menselijke dikke darm) bij voorkeur glucose. De enzymen
voor glucose afbraak zijn namelijk continu aanwezig. Alleen als glucose
schaars is, gebruikt de E. coli cel lactose als energiebron.
De E. coli-cel kan de concentratie waarnemen door de ophoping van
een regulerend eiwit. Wanneer er geen glucose aanwezig is, hoopt dit
op.
Een cAMP-receptoreiwit is in dit geval het regulerende eiwit, die als
activator fungeert. Deze bindt zich aan DNA en stimuleert de
transcriptie van het gen. Wanneer cAMP; een klein organisch molecuul, aan dit regulerende eiwit
bindt, neemt het cAMP-receptoreiwit (CRP genaamd) zijn actieve vorm aan en kan het zich hechten
aan een specifieke plaats aan het stroomopwaartse uiteinde van de lac-promotor. Deze aanhechting
zorgt ervoor dat RNA-polymerase eerder aan de promotor bindt.
Wanneer er een hogere glucose concentratie in de cel aanwezig is, daalt de cAMP-concentratie en
zonder cAMP komt CRP los van het operon. Het lac-operon staat dus onder dubbele controle;
> Negatieve controle door de repressor
> Positieve controle door CRP
Het plaatsvinden van transcriptie wordt bepaald door de wel of niet
aanwezig zijn van allolactose; zonder dit is de repressor actief en is
het operon uitgeschakeld.
§2: eukaryotische genexpressie
Een typische menselijk cel kan op elk moment ongeveer een derde tot de helft van zijn eiwit
coderende genen tot expressie brengen, terwijl een sterk gedifferentieerde cel een kleiner
deel van hun genen tot expressie brengt. Bijna alle cellen in een meercellig organisme
bevatten een identiek genoom (cellen van het immuunsysteem vormen een uitzondering).
In elk celtype wordt maar een bepaalde set van dit genoom tot expressie gebracht. Dit zorgt
ervoor dat het celtype een specifieke functie kan uitvoeren. De verschillende celtypen zijn
dus niet ontstaan door verschillende genen, maar de expressie van verschillende genen;
differentiële genexpressie genoemd.
De afbeelding hiernaast vat het proces van genexpressie van een eiwit coderend gen in
eukaryote cellen samen. Dit is het proces waar we ons op gaan focussen deze paragraaf.
Het DNA is verpakt met eiwitten in een ingewikkeld complex genaamd een chromatine.
Deze chromatine zijn sterk in elkaar gewikkeld, voor transcriptie moet deze uit elkaar
gewikkeld worden. Dit is mogelijk door de structuur van de chromatine. In deze chromatine
zit het DNA dus sterk gewikkeld om histonen heen. Deze histonnen bevatten histonstaarten
die toegankelijk zijn voor bepaalde enzymen die de toevoeging of verwijdering van bepaalde
chemische groepen in stand zetten. Dit is de basis histonacetylering; de toevoeging van een
acetylgroep aan een aminozuur in een histonstaart, waardoor de transcriptie wordt
bevorderd doordat de chromatinestructuur wordt geopend.
De toevoeging van methylgroepen aan histonen kan leiden tot condensatie van chromatine
en verminderde transcriptie. In plaats van histon-eiwitten te modificeren, kan een andere
reeks enzymen methylgroepen toevoegen aan bepaalde basen van het DNA zelf. Dit wordt
DNA-methylering genoemd. Op basis van DNA-methylering zijn bepaalde stukken DNA
actiever dan andere stukken DNA. Methylering wordt ook doorgegeven aan dochtercellen.
Het uitwikkelen van een chromatine streng zorgt voor chromatine-modificaties. Deze
veranderen de DNA-sequentie niet, maar worden nog steeds doorgegeven aan de volgende
generaties cellen. Dit wordt epi genetische overerving genoemd. De studie hierin wordt
epigenetica genoemd. De mutaties die hierin gemaakt worden kunnen terug worden gedraaid.
Epigenetische variaties kunnen helpen bij het verklaren van gevallen waarin
een identieke tweeling een genetisch gebaseerde ziekte krijgt, terwijl de
andere dat niet krijgt. Ondanks hen identieke genomen.
Op het genoom bevinden zich ook de eiwitten die de verdere transcriptie
van het DNA tot primair RNA tot stand brengen.
