MENSELIJKE GENETICA
Hoofdstuk 6
Principes van gen regulatie en epigentica
Regulatie van genexpressie – Cis en trans acting:
Cis acting Trans acting
Een DNA of RNA sequentie zal een effect Een RNA sequentie of een eiwit diffundeert en
uitvoeren op zijn eigen DNA of RNA streng. zal binden op een regulatorisch element van
een andere sequentie.
De genregulatie gebeurt op 1 gen of 1 allel.
De genregulatie gebeurt op beide allelen van
Men spreekt van promotors, enhancers en een gen.
silencers op DNA niveau.
Een transcriptiefactor of microRNA zijn hiervan
Op RNA niveau zal er gebruik gemaakt worden goede voorbeelden.
van de 5’ en 3’ UTR van het mRNA om aan
genregulatie te doen.
De gen regulatie is steeds een combinatie van cis en trans acting. Enhancers zullen
transcriptiefactoren binden. Een miRNA bindende sequentie zal een miRNA binden.
Genetische regulatoren van genexpressie – De promotor:
De promotor is een heel belangrijk element dat zich voor de sequentie bevindt die vertaald zal worden
tot eiwit. Dit element is de aan/uit knop van genen. De promotor is het voorbeeld van een cis acting
regulatorisch element.
RNA polymerase zal binden op de promotor waardoor er een groot transcriptie initiatie complex met
algemene transcriptiefactoren wordt gevormd.
RNA polymerase kan men onderverdelen in 3 vormen.
o RNA polymerase I → Schrijft ribosomaal RNA af.
o RNA polymerase II → Schrijft eiwit coderende genen, lncRNA’s en miRNA’s af.
o RNA polymerase III → Schrijft tRNA, ribosomaal RNA en kleine RNA’s af.
Een RNA polymerase II promotor bestaat uit een kleine 100 basenparen en bevat typische 4
elementen. Niet elke promotor zal alle vier de elementen bevatten. Sommige promotors hebben 3 van
de 4 elementen, andere slechts 1 of 2. Heel uitzonderlijk kunnen er promotors optreden dewelke geen
enkele van de vier elementen bevat.
o BRE: TFIIB recognition element
o TATA box
o Inr: initiator element met A de
transcriptiestartplaats
o DPE: Downstream core promotor
element
, MENSELIJKE GENETICA
Genetische regulatoren van genexpressie – Enhancers, silencers, boundaries, insulators:
Enhancers, silencers, boundaries en insulators zijn genetische regulatoren bestaande uit een korte
sequentie van 4-9 basenparen. De regulatorische sequenties kunnen zich zowel stroomopwaarts als
stroomafwaarts van het gen bevinden. Op deze genetische regulatorische zullen transcriptiefactoren
binden. Men spreekt van combinatorial wanneer verschillende transcriptiefactoren tegelijkertijd
binden. Afhankelijk van de aard van de regulatorische sequentie zal de genexpressie worden
beïnvloed.
o Enhancers → Genexpressie versterken
o Silencers → Genexpressie onderdrukken
o Boundaries → Barrière elementen tussen euchromatine en heterochromatine
o Insulators → Blokkeren van interacties tussen enhancer en promotor
Co-activatoren en co-respressoren moduleren de actie van transcriptiefactoren zonder te binden op
DNA. Deze sequenties werken via eiwit-eiwit interacties met regulatorische eiwitten.
Genetische regulatoren van genexpressie – TADs:
TAD = topologically associating domains
Een TAD is een genomische regio die de interactie tussen promotor en enhancer limiteert. Deze regio
wordt afgebakend door boundaries. Binnen een TAD kunnen verschillende genen gelegen zijn. De
regulatie van de genen gebeurt dus binnen een TAD.
De omcirkelde enhancer zal zijn
effect uitoefenen op het Epho4
gen. Diezelfde enhancer zal geen
effect hebben op het PAX3 gen.
Dit doordat er zich een boundary
tussen bevindt.
Een boundary bestaat uit drie componenten. Het einde van een TAD, cohesine en CTCF. CTCF is een
Zink finger insulator proteïne. Dit proteïne bindt met een bepaalde consensus sequentie van drie
CCCTC repeats.
TADs verklaren hoe deleties en inversies nabijgelegen genen buiten de deletie of inversie kunnen
beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is het F-syndroom.
Bij het F-syndroom zal er een foute expressie van het WNT6 gen gebeuren. Met de coderende
sequenties is er niet mis en toch zal men een syndroom krijgen. Dit door de mislocatie van enhancers
van een nabijgelegen gen. Er gebeurt namelijk een inversie waardoor de enhancer van een bepaald
gen zal inwerken op het WNT6 gen en men het F-syndroom zal krijgen.
Een ander voorbeeld is de over-expressie van LMNB1 door de deletie van een boundary. De deletie
van een boundary zal ervoor zorgen dat twee TADs fusioneren tot één TAD. De enhancers van de eerste
TAD zullen hierdoor ook een invloed hebben op de het LMNB1 gen dat zich oorspronkelijk bevindt in
de tweede TAD. Hierdoor zal er een over-expressie van het LMNB1 gen plaatsvinden wat zal leiden tot
ADLD.
, MENSELIJKE GENETICA
Genetische regulatoren van genexpressie – Transcriptiefactoren:
Zink finger proteïnen zijn typische transcriptiefactoren die voorkomen in zeer veel genen. Een zink
finger kan in de grote groeven van een DNA molecule sequenties gaan aflezen.
In de zink finger proteïnen zit een zink ion dat typisch wordt gebonden door
vier cysteïnes. Aan de ene zijde zitten er twee aminozuren tussen de
cysteïnes. Aan de andere zijde zitten er drie aminozuren tussen de cysteïnes.
Leucine zipper monomeren zijn eiwitten opgebouwd uit een α-helix met om de 3 à
4 aminozuren een leucine. De leucines van twee monomeren zullen met elkaar gaan
interageren. De twee monomeren zullen als een rits in elkaar passen en zo een
dimeer vormen. De α-helix zal op deze manier precies passen in de grote groeven
van DNA waardoor de sequenties kunnen worden afgelezen.
Genetische regulatoren van genexpressie – Splice enhancers en suppressors:
Splice enhancers en suppressors zijn cis acting regulatorische RNA elementen gelegen op 6 basenparen
van de splice site. Deze elementen zullen de splicing reguleren en zorgen voor alternatieve splicing.
Men maakt een onderscheid in de elementen door de plaats van expressie.
o Exonic splice enhancer
o Exonic splice silencer
o Intronic splice enhancer
o Intronic splice silencer
Door deze elementen zal men verschillende versies van een eiwit kunnen maken. Er zullen namelijk
aminozuren worden toegevoegd of weggelaten. Op deze manier kunnen eiwitten met een bepaalde
of specifieke functie worden gefinetuned.
Genetische regulatoren van genexpressie – Alternatieve splicing:
Splicing
Variatie in intron-exon juncties door gebruik te maken van alternatieve
splice donors.
Variatie in intron-exon juncties door gebruik te maken van alternatieve
splice acceptors.
Exon skipping
Alternatieve exonen
, MENSELIJKE GENETICA
De verschillende transcriptievormen worden isovormen genoemd. Deze isovormen zijn vaak specifiek
voor het weefsel. Dit omdat de genen lichtjes verschillende functies zullen uitvoeren binnen de
verschillende weefsels. Men spreekt van weefselspecificiteit. Tevens ziet men vaak specifieke
transcripten voor bepaalde ontwikkelingsstadia.
Voorbeeld alternatieve splicing;
Het CDKN2A gen is een heel speciaal gen uniek in het mens genoom. Het CDKN2A gen zijn eigenlijk
twee overlappende genen. Het zijn twee verschillende tumor suppressor genen die in verschillende
leesramen vertaald worden. Het CDKN2A gen codeert dus voor het p14 of p16 eiwit. Wanneer men
het p14 transcript volgt, zal men door splicing de promotor en het eerste exon van het p16 eiwit
verwijderen.
Het voordeel hiervan is dat men plaats zal winnen in het genoom. Nadelig is wel dat er varianten
kunnen optreden dewelke verschillende effecten kunnen hebben op de beide genen. Deze dubbel
geconserveerde genen hebben dus evolutionair gezien eerder beperkingen als het gaat over het
mensgenoom. Virussen halen er dan weer hun voordeel uit.
Genetische regulatoren van genexpressie – Trans acting regulatorische eiwitten:
IJzer is een belangrijke cofactor voor verschillende enzymen maar zal toxisch zijn bij een hoge dosis.
Het zal namelijk zorgen voor oxidatieve stress. Hierdoor is het nodig om de ijzeropname sterk te
reguleren. De regulatie gebeurt door ferritine en transferrine dewelke ijzer bindende eiwitten zijn.
o Transferrine → Transporteert ijzer
o Ferritine → Vormt een hol sferisch complex dat een overmaat aan ijzer kan stockeren in de
cel. Hierdoor wordt toxiciteit voorkomen.
De regulatorische eiwitten zullen aan regulatie doen zonder een verandering in de productie van mRNA
te weeg te brengen. Genregulatie zal vaak op transcriptioneel niveau worden gereguleerd. Dit is hier
niet het geval. De regulatie zal plaatsgrijpen op het moment van de translatie. De regulatie van de
opname van ijzer is een voorbeeld van hoe RNA bindende eiwitten direct de translatie initiatie kunnen
stilleggen of de mRNA stabiliteit kunnen beïnvloeden. Het voordeel van de regulatie van translatie is
dat deze sneller is dan de regulatie van de transcriptie.
De regulatie gebeurt door het iron respons element binding proteïne ofwel IRE-BP. Dit is een eiwit
aanwezig in de 5’UTR van ferritine en in de 3’UTR van transferrine.
In aanwezigheid van ijzer zal de IRE van ferritine niet binden. In afwezigheid van ijzer zal het IRE van
ferritine wel binden en zal de translatie worden geïnhibeerd.
In de 3’UTR bevinden zich meerdere IRE’s voor transferrine. In aanwezigheid van ijzer zullen de IRE’s
binden wat een bescherming zal zijn voor mRNA degradatie. Wanneer de IRE’s niet gebonden zijn
met ijzer zal de stabiliteit van het mRNA verminderen. Het niveau van het geproduceerde eiwit zal
hierdoor een stuk lager liggen.
Hoofdstuk 6
Principes van gen regulatie en epigentica
Regulatie van genexpressie – Cis en trans acting:
Cis acting Trans acting
Een DNA of RNA sequentie zal een effect Een RNA sequentie of een eiwit diffundeert en
uitvoeren op zijn eigen DNA of RNA streng. zal binden op een regulatorisch element van
een andere sequentie.
De genregulatie gebeurt op 1 gen of 1 allel.
De genregulatie gebeurt op beide allelen van
Men spreekt van promotors, enhancers en een gen.
silencers op DNA niveau.
Een transcriptiefactor of microRNA zijn hiervan
Op RNA niveau zal er gebruik gemaakt worden goede voorbeelden.
van de 5’ en 3’ UTR van het mRNA om aan
genregulatie te doen.
De gen regulatie is steeds een combinatie van cis en trans acting. Enhancers zullen
transcriptiefactoren binden. Een miRNA bindende sequentie zal een miRNA binden.
Genetische regulatoren van genexpressie – De promotor:
De promotor is een heel belangrijk element dat zich voor de sequentie bevindt die vertaald zal worden
tot eiwit. Dit element is de aan/uit knop van genen. De promotor is het voorbeeld van een cis acting
regulatorisch element.
RNA polymerase zal binden op de promotor waardoor er een groot transcriptie initiatie complex met
algemene transcriptiefactoren wordt gevormd.
RNA polymerase kan men onderverdelen in 3 vormen.
o RNA polymerase I → Schrijft ribosomaal RNA af.
o RNA polymerase II → Schrijft eiwit coderende genen, lncRNA’s en miRNA’s af.
o RNA polymerase III → Schrijft tRNA, ribosomaal RNA en kleine RNA’s af.
Een RNA polymerase II promotor bestaat uit een kleine 100 basenparen en bevat typische 4
elementen. Niet elke promotor zal alle vier de elementen bevatten. Sommige promotors hebben 3 van
de 4 elementen, andere slechts 1 of 2. Heel uitzonderlijk kunnen er promotors optreden dewelke geen
enkele van de vier elementen bevat.
o BRE: TFIIB recognition element
o TATA box
o Inr: initiator element met A de
transcriptiestartplaats
o DPE: Downstream core promotor
element
, MENSELIJKE GENETICA
Genetische regulatoren van genexpressie – Enhancers, silencers, boundaries, insulators:
Enhancers, silencers, boundaries en insulators zijn genetische regulatoren bestaande uit een korte
sequentie van 4-9 basenparen. De regulatorische sequenties kunnen zich zowel stroomopwaarts als
stroomafwaarts van het gen bevinden. Op deze genetische regulatorische zullen transcriptiefactoren
binden. Men spreekt van combinatorial wanneer verschillende transcriptiefactoren tegelijkertijd
binden. Afhankelijk van de aard van de regulatorische sequentie zal de genexpressie worden
beïnvloed.
o Enhancers → Genexpressie versterken
o Silencers → Genexpressie onderdrukken
o Boundaries → Barrière elementen tussen euchromatine en heterochromatine
o Insulators → Blokkeren van interacties tussen enhancer en promotor
Co-activatoren en co-respressoren moduleren de actie van transcriptiefactoren zonder te binden op
DNA. Deze sequenties werken via eiwit-eiwit interacties met regulatorische eiwitten.
Genetische regulatoren van genexpressie – TADs:
TAD = topologically associating domains
Een TAD is een genomische regio die de interactie tussen promotor en enhancer limiteert. Deze regio
wordt afgebakend door boundaries. Binnen een TAD kunnen verschillende genen gelegen zijn. De
regulatie van de genen gebeurt dus binnen een TAD.
De omcirkelde enhancer zal zijn
effect uitoefenen op het Epho4
gen. Diezelfde enhancer zal geen
effect hebben op het PAX3 gen.
Dit doordat er zich een boundary
tussen bevindt.
Een boundary bestaat uit drie componenten. Het einde van een TAD, cohesine en CTCF. CTCF is een
Zink finger insulator proteïne. Dit proteïne bindt met een bepaalde consensus sequentie van drie
CCCTC repeats.
TADs verklaren hoe deleties en inversies nabijgelegen genen buiten de deletie of inversie kunnen
beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is het F-syndroom.
Bij het F-syndroom zal er een foute expressie van het WNT6 gen gebeuren. Met de coderende
sequenties is er niet mis en toch zal men een syndroom krijgen. Dit door de mislocatie van enhancers
van een nabijgelegen gen. Er gebeurt namelijk een inversie waardoor de enhancer van een bepaald
gen zal inwerken op het WNT6 gen en men het F-syndroom zal krijgen.
Een ander voorbeeld is de over-expressie van LMNB1 door de deletie van een boundary. De deletie
van een boundary zal ervoor zorgen dat twee TADs fusioneren tot één TAD. De enhancers van de eerste
TAD zullen hierdoor ook een invloed hebben op de het LMNB1 gen dat zich oorspronkelijk bevindt in
de tweede TAD. Hierdoor zal er een over-expressie van het LMNB1 gen plaatsvinden wat zal leiden tot
ADLD.
, MENSELIJKE GENETICA
Genetische regulatoren van genexpressie – Transcriptiefactoren:
Zink finger proteïnen zijn typische transcriptiefactoren die voorkomen in zeer veel genen. Een zink
finger kan in de grote groeven van een DNA molecule sequenties gaan aflezen.
In de zink finger proteïnen zit een zink ion dat typisch wordt gebonden door
vier cysteïnes. Aan de ene zijde zitten er twee aminozuren tussen de
cysteïnes. Aan de andere zijde zitten er drie aminozuren tussen de cysteïnes.
Leucine zipper monomeren zijn eiwitten opgebouwd uit een α-helix met om de 3 à
4 aminozuren een leucine. De leucines van twee monomeren zullen met elkaar gaan
interageren. De twee monomeren zullen als een rits in elkaar passen en zo een
dimeer vormen. De α-helix zal op deze manier precies passen in de grote groeven
van DNA waardoor de sequenties kunnen worden afgelezen.
Genetische regulatoren van genexpressie – Splice enhancers en suppressors:
Splice enhancers en suppressors zijn cis acting regulatorische RNA elementen gelegen op 6 basenparen
van de splice site. Deze elementen zullen de splicing reguleren en zorgen voor alternatieve splicing.
Men maakt een onderscheid in de elementen door de plaats van expressie.
o Exonic splice enhancer
o Exonic splice silencer
o Intronic splice enhancer
o Intronic splice silencer
Door deze elementen zal men verschillende versies van een eiwit kunnen maken. Er zullen namelijk
aminozuren worden toegevoegd of weggelaten. Op deze manier kunnen eiwitten met een bepaalde
of specifieke functie worden gefinetuned.
Genetische regulatoren van genexpressie – Alternatieve splicing:
Splicing
Variatie in intron-exon juncties door gebruik te maken van alternatieve
splice donors.
Variatie in intron-exon juncties door gebruik te maken van alternatieve
splice acceptors.
Exon skipping
Alternatieve exonen
, MENSELIJKE GENETICA
De verschillende transcriptievormen worden isovormen genoemd. Deze isovormen zijn vaak specifiek
voor het weefsel. Dit omdat de genen lichtjes verschillende functies zullen uitvoeren binnen de
verschillende weefsels. Men spreekt van weefselspecificiteit. Tevens ziet men vaak specifieke
transcripten voor bepaalde ontwikkelingsstadia.
Voorbeeld alternatieve splicing;
Het CDKN2A gen is een heel speciaal gen uniek in het mens genoom. Het CDKN2A gen zijn eigenlijk
twee overlappende genen. Het zijn twee verschillende tumor suppressor genen die in verschillende
leesramen vertaald worden. Het CDKN2A gen codeert dus voor het p14 of p16 eiwit. Wanneer men
het p14 transcript volgt, zal men door splicing de promotor en het eerste exon van het p16 eiwit
verwijderen.
Het voordeel hiervan is dat men plaats zal winnen in het genoom. Nadelig is wel dat er varianten
kunnen optreden dewelke verschillende effecten kunnen hebben op de beide genen. Deze dubbel
geconserveerde genen hebben dus evolutionair gezien eerder beperkingen als het gaat over het
mensgenoom. Virussen halen er dan weer hun voordeel uit.
Genetische regulatoren van genexpressie – Trans acting regulatorische eiwitten:
IJzer is een belangrijke cofactor voor verschillende enzymen maar zal toxisch zijn bij een hoge dosis.
Het zal namelijk zorgen voor oxidatieve stress. Hierdoor is het nodig om de ijzeropname sterk te
reguleren. De regulatie gebeurt door ferritine en transferrine dewelke ijzer bindende eiwitten zijn.
o Transferrine → Transporteert ijzer
o Ferritine → Vormt een hol sferisch complex dat een overmaat aan ijzer kan stockeren in de
cel. Hierdoor wordt toxiciteit voorkomen.
De regulatorische eiwitten zullen aan regulatie doen zonder een verandering in de productie van mRNA
te weeg te brengen. Genregulatie zal vaak op transcriptioneel niveau worden gereguleerd. Dit is hier
niet het geval. De regulatie zal plaatsgrijpen op het moment van de translatie. De regulatie van de
opname van ijzer is een voorbeeld van hoe RNA bindende eiwitten direct de translatie initiatie kunnen
stilleggen of de mRNA stabiliteit kunnen beïnvloeden. Het voordeel van de regulatie van translatie is
dat deze sneller is dan de regulatie van de transcriptie.
De regulatie gebeurt door het iron respons element binding proteïne ofwel IRE-BP. Dit is een eiwit
aanwezig in de 5’UTR van ferritine en in de 3’UTR van transferrine.
In aanwezigheid van ijzer zal de IRE van ferritine niet binden. In afwezigheid van ijzer zal het IRE van
ferritine wel binden en zal de translatie worden geïnhibeerd.
In de 3’UTR bevinden zich meerdere IRE’s voor transferrine. In aanwezigheid van ijzer zullen de IRE’s
binden wat een bescherming zal zijn voor mRNA degradatie. Wanneer de IRE’s niet gebonden zijn
met ijzer zal de stabiliteit van het mRNA verminderen. Het niveau van het geproduceerde eiwit zal
hierdoor een stuk lager liggen.
