Hoofdstuk 8, controle genexpressie
Genexpressie, zelfs de simpelste bacterie kan selectief gebruik maken van zijn genen. In
multicellulaire organismen, zoals planten en dieren, staat genexpressie onder een uitgebreid
gecontroleerd systeem.
Celdifferentiatie, hierbij krijgt een cel een bepaalde functie, zoals een zenuwcel bijvoorbeeld.
Celdifferentiatie is mogelijk door veranderingen in genexpressie.
Overzicht van genexpressie
Genexpressie, is een complex proces waarbij cellen selectief de synthese van eiwitten en RNAs
uitvoeren. Door verschillen in genexpressie kunnen cellen differentiëren.
DNA, ondanks dat gedifferentieerde cellen een hele andere vorm en functie hebben vergeleken met
elkaar, bevatten ze allemaal hetzelfde genoom. Het is dus niet zo dat een cel die differentiatie
ondergaat een deel van zijn DNA verliest.
Eiwitcompositie, de mate van verschillen in genexpressie tussen verschillende typen cellen kan ruw
gemeten worden door naar de verschillen in eiwitcompositie te kijken. Vroeger werd dat gedaan
d.m.v. twee-dimensionale gelelektroforese, maar tegenwoordig wordt gebruik gemaakt van massa
spectometrie.
Housekeeping proteins, zijn eiwitten die in alle cellen van een multicellulair organisme voorkomen.
Denk hierbij aan de structurele eiwitten voor chromosomen, RNA & DNA polymerase, DNA repair
enzymen, ribosomale eiwitten, enzymen voor glycolyse en andere standaard metabole pathways en
de vele eiwitten van het cytoskelet.
Gespecialiseerde eiwitten, naast de housekeeping eiwitten heeft elke gedifferentieerde cel ook
gespecialiseerde eiwitten die verantwoordelijk zijn voor zijn specifieke functies.
RNA, je kan naar de genexpressie van een cel kijken door zijn RNA te bestuderen. Als je de nucleotide
sequentie van elk RNA molecuul en de hoeveelheid ervan achterhaalt, kan je een schatting maken
van de eiwitten.
Extracellulaire signalen, gespecialiseerde cellen in een multicellulaire organisme kunnen hun
patroon van genexpressie aanpassen op hints/signalen van buitenaf. Hierbij is het niet zo dat elke
gespecialiseerde cel hetzelfde reageert op bepaalde signaalstoffen. Zo reageert een levercel heel
anders op cortisol dan vetcellen dat bijvoorbeeld doen. Het feit dat gedifferentieerde cellen anders
reageren op dit soort stoffen draagt bij aan de kenmerkende eigenschappen van een cel.
Regulatie, er zijn vele stappen in de pathway van DNA tot eiwit en al deze stappen kunnen in
principe gereguleerd worden. Een cel kan zijn eiwitten dus controleren door:
1. Te controleren wanneer en hoe vaak een gen getranscribeerd wordt.
2. Te controleren hoe een RNA transcript gespliced wordt of op een andere manier verwerkt
wordt.
3. Te selecteren welke mRNAs uit de kern geëxporteerd worden naar het cytosol.
4. Te reguleren hoe snel een mRNA molecuul afgebroken wordt.
5. Te selecteren welke mRNAs getransleerd worden tot eiwitten (door ribosomen).
6. Te reguleren hoe snel een specifiek eiwit afgebroken wordt na aanmaak.
De activiteit van een eiwit op zichzelf kan ook nog verder gereguleerd worden.
Transcriptie, op elk van bovenstaande processen kan regulatie uitgeoefend worden, maar de
controle van transcriptie is het belangrijkst.
, De werking van transcriptie schakelaars
Transcriptie regulatoren, zijn eiwitten die aan DNA binden en gen transcriptie controleren.
Promotor, hieraan bindt RNA polymerase en wordt die goed georiënteerd om een RNA transcript te
kunnen maken. De promotors van zowel bacteriële als eukaryote genen bevatten een transcriptie
initiatie site.
Transcriptie initiatie site, hier begint de RNA synthese en in de upstream regio van deze transcriptie
initiatie site zit nog een regio van ±50 nucleotide paren waarin ‘sites’ zitten die van belang zijn voor
RNA polymerase om de promotor te herkennen. Deze recognition sites (herkenningsplekken) worden
door eiwitten herkent die associëren met polymerase en voor bacteriën moet je dan denken aan de
sigma factor en voor eukaryoten aan transcriptie factoren.
Regulatory DNA sequence, naast een promotor bevatten bijna alle
genen (zowel bacterieel als eukaryoot) een regulerende DNA sequentie
die gebruikt wordt om genen uit of aan te zetten. Bij bacteriën tref je
met name korte DNA sequenties van 10 nucleotidenparen aan die als
reactie op een signaal als schakelaar kunnen dienen voor een gen en
met name bij eukaryoten tref je hele lange (soms 10,000
nucleotidenparen) sequenties aan die als het ware als een moleculaire
microprocessor dienen. Deze lange sequenties integreren informatie
van een variëteit aan signalen die dicteren hoe vaak transcriptie van
een gen geïnitieerd wordt.
Regulator voorbeeld, in de afbeelding zie je een voorbeeld van een regulator
die via 3 α helices DNA herkent. Deze past in de major groove waar die een
associatie aangaat met de baseparen. Hierbij worden de H-bruggen die het
basepaar bij elkaar houden niet verstoord. Hier is maar 1 contact weergegeven
in (C), maar meestal vinden per eiwit-DNA interacties 10-20 van dit soort
contacten plaats. Het voorbeeld wat rechts is weergegeven, komt uit een
eukaryoot.
Transcriptiefactor, regulerende DNA sequenties werken niet op zichzelf. Ze
moeten herkend worden door transcriptiefactoren. Binding van zo’n factor
werkt als schakelaar voor de controle van transcriptie. Bacteriën maken een paar honderd
transcriptiefactoren (TF) waarbij elke een andere DNA sequentie herkent, terwijl mensen duizenden
TF’s aanmaken. Eiwitten die een specifieke nucleotide sequentie herkennen, doen dat omdat het
eiwit strak tegen het oppervlakte van de DNA dubbele helix past in dat gebied. In de meeste gevallen
treedt dit contact op in de major groove. Ondanks dat 1 contact met het DNA zwak is, zullen de 10
tot 20 contacten samen voor een sterke en ook specifieke DNA-eiwit interactie zorgen. Eiwit-DNA
interacties zijn een van de sterkste en meeste specifieke moleculaire interacties.
Dimeren, veel transcriptie regulatoren binden aan de dubbele helix als dimeer. Hierdoor wordt het
contactoppervlak met DNA bijna verdubbeld, waardoor de sterkte en specificiteit van de interactie
verhoogt. Rechts in de afbeelding zie je een leucine zipper.
In dit onderwerp treffen we verschillen aan tussen de regulatie bij bacteriën en bij eukaryoten,
vandaar dat begrippen die enkel over bacteriën gaan paars gekleurd zullen zijn en begrippen die
enkel over eukaryoten gaan groen gekleurd zullen zijn.
Bacteriële regulatie, bacteriën reguleren de expressie van veel van hun genen met betrekking tot de
beschikbare voedselbron. Zo bevat E.coli 5 genen die coderen voor het enzym dat tryptofaan
produceert. Deze genen liggen samen in een operon. Als de tryptofaanconcentraties laag zijn, wordt
dit operon getranscribeerd. Het mRNA wat hieruit komt zal een set aan bio-synthetiserende enzymen
produceren die in tandem werken om tryptofaan te maken. Als de bacterie echter in een tryptofaan
rijke omgeving is, zal tryptofaan de cel ingaan en de productie van deze enzymen stoppen. Er vindt
dus een repressie van het tryptofaan operon plaats.
Operon, genen die samen geclusterd zijn en via één promotor samen getranscribeerd worden als één
RNA molecuul liggen in clusters die we operons noemen. Operons komen vaak voor in bacteriën en
maar zelden in eukaryoten, waar elk gen meestal individueel afgeschreven wordt.
