Inhoudsopgave
H8: REGELING VAN GENEXPRESSIE......................................................................................................................... 0
1. De begrippen genexpressie en differentiatie................................................................................................................ 0
1.1. Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten hetzelfde DNA, maar gebruiken
het anders.............................................................................................................................................................................0
1.2. Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen vanproteïnen................................................. 1
1.3. Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli............................................................ 2
1.4. Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren.......................................................................... 2
2. Transcriptieschakelaars via genregulatorische proteïnen.........................................................................................3
2.1. Transcriptiefactoren/genregulatorische eiwitten binden aan regulatorische DNA sequenties......... 3
2.2. Regeling van de gentranscriptie bij bacteriën................................................................................................. 5
2.3. Initiatie van eukaryote gentranscriptie is een complex fenomeen............................................................ 11
3. De moleculaire mechanismen die instaan voor het maken van verschillende soorten cellen...................20
3.1. Eukaryotische genen geregeld door combinaties van regulatorische eiwitten...................................20
3.2. Eén enkele genregulator kan de expressie van meerdere genen gelijktijdig regelen........................21
3.3. Combinatorische controle kan verschillende soorten celtypes doen ontstaan (deze uitleg is the
core van H8)..................................................................................................................................................................... 22
3.4. Gedifferentieerde celtypes kunnen geherprogrammeerd worden tot pluripotente stamcellen...24
3.6. Epigenetische mechanismen maken dat gedifferentieerde cellen hun identiteit bewaren: cellulair
geheugen........................................................................................................................................................................... 24
4. Post-transcriptionele controles...................................................................................................................................... 27
4.1. Een mRNA controleert zijn eigen afbraak en vertaling................................................................................ 27
4.2. Regulatorische RNAs controleren de expressie van duizenden genen................................................. 28
,H8: REGELING VAN GENEXPRESSIE
1. De begrippen genexpressie en differentiatie
1.1. Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten
hetzelfde DNA, maar gebruiken het anders
Een bevruchte eicel (zygote) zal telkens differentiëren tot een groot
aantal celtypes (zo’n 200) die verschillen in structuur en functie.
(zenuwcel, levercel, epitheelcel, … ).
Alle celtypes bevatten hetzelfde DNA en beschikken over dezelfde
genen. Toch vervullen ze andere functies, dit heeft te maken met
hun genexpressie: welke genen ze aan of uit zetten.
Differentiële genexpressie houdt in dat genen op verschillende
momenten en onder verschillende omstandigheden tot expressie
worden gebracht. Dit proces is essentieel voor de ontwikkeling,
groei, functioneren en aanpassing van organismen aan hun
omgeving. Het omvat zowel de transcriptie van DNA naar RNA als
de vertaling van RNA naar eiwitten.
Differentiatie is het proces waarbij een cel zich specialiseert en
specifieke eigenschappen of functies ontwikkelt. Dit gebeurt door veranderingen in genexpressie,
waarbij bepaalde genen aan- of uitgeschakeld worden. Sommige differentiatie is permanent,
zoals bij het vormen van spiercellen of zenuwcellen, terwijl andere omkeerbaar kunnen zijn, zoals
bij stamcellen die verschillende celtypen kunnen vormen. Cellen die in hun terminale differentiatie
zitten zullen niet meer delen vanaf dat ze vastzitten in hun programma. (Een levercel gaat
differentiëren tot een levercel en gaat zelf nog delen en die dochtercellen kunnen ook
differentiëren tot levercel: nog niet terminaal
gedifferentieerd)
DNA-transfer uit een gedifferentieerde cel inbrengen in
een eicel, of vertrekken van een gedifferentieerde cel:
hieruit is de ontwikkeling van een volledig organisme
mogelijk → er zijn geen genen verloren gegaan tijdens
differentiatie. Gedifferentieerde cellen bevatten alle
informatie nodig voor de vorming van een gans
organisme
1
,Toepassing: klonen → we nemen bv een cel van de kikkerhuid; we gaan de kern van die huidcel
eruit halen (DNA) en we planten die in een eicel waar we de kern hadden verwijderd: die eicel met
die nieuwe kern kan uitgroeien tot een embryo en een kikkervisje vormen
1.2. Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen vanproteïnen
SELECTIEVE EXPRESSIE VAN EIWITCODERENDE GENEN
Een typische cel drukt 30-60% van de 19000 eiwitcoderende genen uit, wat neerkomt op
6000-12000 genen.
A) HOUSEKEEPING PROTEÏNEN
● Deze eiwitten worden constitutief tot expressie gebracht in alle cellen.
○ constitutieve expressie = expressie die niet geregeld is maar wel altijd
aanstaat
● Voorbeelden zijn DNA-polymerase, RNA-polymerase en ribosoom eiwitten.
B) GESPECIALISEERDE PROTEÏNEN
● Specifieke celtypen drukken proteïnen uit die uniek zijn voor hun functie.
● Voorbeelden zijn hemoglobine in rode bloedcellen, insuline in β-cellen van de
pancreas, en antilichamen in immuuncellen.
SELECTIEVE EXPRESSIE VAN RNA CODERENDE GENEN
Ongeveer 5000 RNA-coderende genen worden selectief tot expressie gebracht.
VOOR ELK GEN GELDT
● Variabele expressie, variërend van laag tot heel hoog, afhankelijk van het celtype.
● De combinatie van tot expressie gebrachte genen bepaalt het celtype en de celfunctie.
1.3. Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli
Voorbeeld: Gen dat codeert voor tyrosineaminotransferase (enzym belangrijk om suikers te
winnen uit aminozuur tyrosine). Dit eiwit komt vooral voor in de levercellen, waar het enzym zijn
werk zal uitvoeren. Tijdens het vasten bijvoorbeeld wordt dit gen aangezet in de levercel =
geleverde genexpressie. In andere celtypes gaat dat gen dan weer naar beneden, dus minder van
dat enzym nodig. In nog andere celtypes verandert er niks aan hdeet expressie van het gen.
Tijdens inspanning/vasten worden er suikers gewonnen uit aminozuren geregeld door cortisol (=
steroid hormoon uit bijnier)
2
,1.4. Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren
De regeling van genexpressie kan op verschillende niveaus plaatsvinden:
STAP 1: TRANSCRIPTIEREGELING
● Wanneer en hoevaak gentranscriptie?
○ activiteit van RNA-polymerase wordt beïnvloed om te bepalen welke genen
worden getranscribeerd naar mRNA.
● Sterke of zwakke promotor?
○ Dit wordt grotendeels bepaald door specifieke DNA-sequenties genaamd
promotors, waar RNA-polymerase begint met transcriberen.
STAP 2 & 3: POST TRANSCRIPTIONELE REGELING
● Wordt het pre mRNA alternatief gespliced/gepolyadenyleerd/getransporteerd?
STAP 4 & 5: POST TRANSCRIPTIONELE REGELING
● Welke mRNA’s worden er afgebroken/vertaald/gemodificeerd?
● Na de transcriptie vindt post-transcriptionele regulatie plaats, waarbij processen zoals
mRNA-stabiliteit, splicing en transport worden gereguleerd, wat invloed heeft op de
hoeveelheid en de duur van het geproduceerde mRNA.
STAP 6 & 7: POST TRANSLATIONELE REGELING
● post translationele modificaties en eiwitstabiliteit
● Eenmaal vertaald naar een eiwit, kan de genexpressie ook post-translationeel worden
gereguleerd. Dit omvat modificaties van het eiwit zelf, zoals fosforylering of glycosylering,
die de activiteit, lokalisatie of stabiliteit van het eiwit kunnen beïnvloeden.
● Nadat het eiwit is geproduceerd, kan het nog worden gemodificeerd via
post-translationele modificaties, waardoor het actief of inactief kan worden.
3
,2. Transcriptieschakelaars via genregulatorische proteïnen
2.1. Transcriptiefactoren/genregulatorische eiwitten binden aan
regulatorische DNA sequenties
Genexpressie wordt geregeld door DNA - bindende eiwitten (transcriptiefactoren) die binden op
het genregulatorisch gebied. Dit zal de toegang verlenen of verhinderen voor RNA Polymerase die
normaal bindt op de promotor (50 nucleotiden lang). Wanneer RNA polymerase bindt, staat het
gen AAN: het gen wordt afgeschreven vanaf het specifieke punt: transcriptie - initatieplaats (+1).
Wanneer de toegang geweigerd wordt, staat het gen UIT: het gen kan niet afgeschreven worden.
De UTR’s is sowieso een deel van het RNA dat niet wordt afgeschreven.
Bij bacteriën is het genregulatorisch gebied meestal eenvoudig en kort, meestal 10 nucleotiden
lang (zoals een operator in een operon). In eukaryoten zijn ze complexer en kunnen ze gebieden
tot wel 10.000 nucleotiden omvatten.
Transcriptiefactor bindt op de grote DNA groeve: contacten tussen aminozuren en nucleotiden
Transcriptiefactoren zitten vast als er een stevige interactie is tussen het eiwit en DNA. Het eiwit
gaat aan de buitenkant van het DNA lezen, de bindingen tussen de dubbelstreng gaat die niet
breken. Het zoekt telkens in de majeure groeve, aangezien er daar veel toegang is tot nucleotiden.
Zo zal het eiwit met zijn aminozuurtentakels zoeken naar de perfecte match van
nucleotidesequentie. Wanneer het eiwitoppervlakte nauwkeurig past op het DNA kunnen er veel H
bruggen gevormd worden, wat zorgt voor een stevige binding.
4
,Hoe basenparen herkend worden door genregulatorische eiwitten zonder de DNA helix te openen
Eiwitten lezen niet de basenparen maar gebruiken de buitenkant, die eigenlijk een weerspiegeling
is van de interactie van DNA strengen en vormen daarmee waterstofbruggen. In het DNA zijn 4
lettercombinaties mogelijk en voor elk van de combinaties, zijn de atomen aan de buitenkant van
DNA anders:
● H atomen (wit)
● methylgroepen (geel)
● H brug acceptor (rood) → vormen gemakkelijk H-brug door te binden met H-donor
● H brug donor (blauw) → bindt gemakkelijk met H-brug acceptor
Dus transcriptiefactoren scannen de buitenkant van het DNA af totdat ze op de juiste plaats zitten
in een genregulatorisch gebied en regelen zo de transcriptie.
Methylatie heeft een grote impact op genexpressie
Methylatie vindt plaats op een cytosine base (is het enige dat gemethyleerd kan worden). Als dat
gebeurt dan verandert het patroon van donor en acceptor voor de H - brug. Het verstoord dus de
interactie met transcriptieregelaars en beïnvloedt op die manier de genexpressie.
= vorm van epigenetische modificatie (waarbij genexpressie wordt beïnvloed zonder
veranderingen in de DNA-sequentie zelf)
5
, PROKARYOTEN EUKARYOTEN
ééncellig vaak meerdercellig
korte generatieduur meestal lange generatieduur
aantal is belangrijker dan individuen individuen zijn belangrijker
cellen ervaren vaak snel wisselende omgeving homeostase houdt celomgeving constant
Prokaryoten (2.2) en eukaryoten (2.3) hebben twee verschillende leefwijzen, wat implicaties heeft voor hun transcriptieregeling.
2.2. Regeling van de gentranscriptie bij bacteriën
Transcriptieregeling bij de goed bestudeerde bacterie E.coli
Het genoom van de E.coli bevat 4,6 x 106 baseparen. Wat codeert voor 4300 verschillende
proteïnen. Deze komen niet allemaal tegelijkertijd tot expressie. De regeling is afhankelijk van de
omgeving. Door de expressie regeling van een operon kan de transcriptie van bepaalde genen
aan of uitgezet worden.
1) Operons en polycistronische mRNA’s bij bacteriën
Operon: is een functionele eenheid van DNA die een cluster van genen bevat die onder controle
staan van één enkele promotor. Het omvat de operator, de promotor en de genen die ze
controleren.
Promotor: een DNA-sequentie waar RNA-polymerase zich aan hecht en de transcriptie van het
aangrenzende gen initieert.
Operator: een segment van DNA waaraan een repressor-eiwit bindt, wat de transcriptie van
bepaalde genen voorkomt
6
H8: REGELING VAN GENEXPRESSIE......................................................................................................................... 0
1. De begrippen genexpressie en differentiatie................................................................................................................ 0
1.1. Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten hetzelfde DNA, maar gebruiken
het anders.............................................................................................................................................................................0
1.2. Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen vanproteïnen................................................. 1
1.3. Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli............................................................ 2
1.4. Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren.......................................................................... 2
2. Transcriptieschakelaars via genregulatorische proteïnen.........................................................................................3
2.1. Transcriptiefactoren/genregulatorische eiwitten binden aan regulatorische DNA sequenties......... 3
2.2. Regeling van de gentranscriptie bij bacteriën................................................................................................. 5
2.3. Initiatie van eukaryote gentranscriptie is een complex fenomeen............................................................ 11
3. De moleculaire mechanismen die instaan voor het maken van verschillende soorten cellen...................20
3.1. Eukaryotische genen geregeld door combinaties van regulatorische eiwitten...................................20
3.2. Eén enkele genregulator kan de expressie van meerdere genen gelijktijdig regelen........................21
3.3. Combinatorische controle kan verschillende soorten celtypes doen ontstaan (deze uitleg is the
core van H8)..................................................................................................................................................................... 22
3.4. Gedifferentieerde celtypes kunnen geherprogrammeerd worden tot pluripotente stamcellen...24
3.6. Epigenetische mechanismen maken dat gedifferentieerde cellen hun identiteit bewaren: cellulair
geheugen........................................................................................................................................................................... 24
4. Post-transcriptionele controles...................................................................................................................................... 27
4.1. Een mRNA controleert zijn eigen afbraak en vertaling................................................................................ 27
4.2. Regulatorische RNAs controleren de expressie van duizenden genen................................................. 28
,H8: REGELING VAN GENEXPRESSIE
1. De begrippen genexpressie en differentiatie
1.1. Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten
hetzelfde DNA, maar gebruiken het anders
Een bevruchte eicel (zygote) zal telkens differentiëren tot een groot
aantal celtypes (zo’n 200) die verschillen in structuur en functie.
(zenuwcel, levercel, epitheelcel, … ).
Alle celtypes bevatten hetzelfde DNA en beschikken over dezelfde
genen. Toch vervullen ze andere functies, dit heeft te maken met
hun genexpressie: welke genen ze aan of uit zetten.
Differentiële genexpressie houdt in dat genen op verschillende
momenten en onder verschillende omstandigheden tot expressie
worden gebracht. Dit proces is essentieel voor de ontwikkeling,
groei, functioneren en aanpassing van organismen aan hun
omgeving. Het omvat zowel de transcriptie van DNA naar RNA als
de vertaling van RNA naar eiwitten.
Differentiatie is het proces waarbij een cel zich specialiseert en
specifieke eigenschappen of functies ontwikkelt. Dit gebeurt door veranderingen in genexpressie,
waarbij bepaalde genen aan- of uitgeschakeld worden. Sommige differentiatie is permanent,
zoals bij het vormen van spiercellen of zenuwcellen, terwijl andere omkeerbaar kunnen zijn, zoals
bij stamcellen die verschillende celtypen kunnen vormen. Cellen die in hun terminale differentiatie
zitten zullen niet meer delen vanaf dat ze vastzitten in hun programma. (Een levercel gaat
differentiëren tot een levercel en gaat zelf nog delen en die dochtercellen kunnen ook
differentiëren tot levercel: nog niet terminaal
gedifferentieerd)
DNA-transfer uit een gedifferentieerde cel inbrengen in
een eicel, of vertrekken van een gedifferentieerde cel:
hieruit is de ontwikkeling van een volledig organisme
mogelijk → er zijn geen genen verloren gegaan tijdens
differentiatie. Gedifferentieerde cellen bevatten alle
informatie nodig voor de vorming van een gans
organisme
1
,Toepassing: klonen → we nemen bv een cel van de kikkerhuid; we gaan de kern van die huidcel
eruit halen (DNA) en we planten die in een eicel waar we de kern hadden verwijderd: die eicel met
die nieuwe kern kan uitgroeien tot een embryo en een kikkervisje vormen
1.2. Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen vanproteïnen
SELECTIEVE EXPRESSIE VAN EIWITCODERENDE GENEN
Een typische cel drukt 30-60% van de 19000 eiwitcoderende genen uit, wat neerkomt op
6000-12000 genen.
A) HOUSEKEEPING PROTEÏNEN
● Deze eiwitten worden constitutief tot expressie gebracht in alle cellen.
○ constitutieve expressie = expressie die niet geregeld is maar wel altijd
aanstaat
● Voorbeelden zijn DNA-polymerase, RNA-polymerase en ribosoom eiwitten.
B) GESPECIALISEERDE PROTEÏNEN
● Specifieke celtypen drukken proteïnen uit die uniek zijn voor hun functie.
● Voorbeelden zijn hemoglobine in rode bloedcellen, insuline in β-cellen van de
pancreas, en antilichamen in immuuncellen.
SELECTIEVE EXPRESSIE VAN RNA CODERENDE GENEN
Ongeveer 5000 RNA-coderende genen worden selectief tot expressie gebracht.
VOOR ELK GEN GELDT
● Variabele expressie, variërend van laag tot heel hoog, afhankelijk van het celtype.
● De combinatie van tot expressie gebrachte genen bepaalt het celtype en de celfunctie.
1.3. Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli
Voorbeeld: Gen dat codeert voor tyrosineaminotransferase (enzym belangrijk om suikers te
winnen uit aminozuur tyrosine). Dit eiwit komt vooral voor in de levercellen, waar het enzym zijn
werk zal uitvoeren. Tijdens het vasten bijvoorbeeld wordt dit gen aangezet in de levercel =
geleverde genexpressie. In andere celtypes gaat dat gen dan weer naar beneden, dus minder van
dat enzym nodig. In nog andere celtypes verandert er niks aan hdeet expressie van het gen.
Tijdens inspanning/vasten worden er suikers gewonnen uit aminozuren geregeld door cortisol (=
steroid hormoon uit bijnier)
2
,1.4. Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren
De regeling van genexpressie kan op verschillende niveaus plaatsvinden:
STAP 1: TRANSCRIPTIEREGELING
● Wanneer en hoevaak gentranscriptie?
○ activiteit van RNA-polymerase wordt beïnvloed om te bepalen welke genen
worden getranscribeerd naar mRNA.
● Sterke of zwakke promotor?
○ Dit wordt grotendeels bepaald door specifieke DNA-sequenties genaamd
promotors, waar RNA-polymerase begint met transcriberen.
STAP 2 & 3: POST TRANSCRIPTIONELE REGELING
● Wordt het pre mRNA alternatief gespliced/gepolyadenyleerd/getransporteerd?
STAP 4 & 5: POST TRANSCRIPTIONELE REGELING
● Welke mRNA’s worden er afgebroken/vertaald/gemodificeerd?
● Na de transcriptie vindt post-transcriptionele regulatie plaats, waarbij processen zoals
mRNA-stabiliteit, splicing en transport worden gereguleerd, wat invloed heeft op de
hoeveelheid en de duur van het geproduceerde mRNA.
STAP 6 & 7: POST TRANSLATIONELE REGELING
● post translationele modificaties en eiwitstabiliteit
● Eenmaal vertaald naar een eiwit, kan de genexpressie ook post-translationeel worden
gereguleerd. Dit omvat modificaties van het eiwit zelf, zoals fosforylering of glycosylering,
die de activiteit, lokalisatie of stabiliteit van het eiwit kunnen beïnvloeden.
● Nadat het eiwit is geproduceerd, kan het nog worden gemodificeerd via
post-translationele modificaties, waardoor het actief of inactief kan worden.
3
,2. Transcriptieschakelaars via genregulatorische proteïnen
2.1. Transcriptiefactoren/genregulatorische eiwitten binden aan
regulatorische DNA sequenties
Genexpressie wordt geregeld door DNA - bindende eiwitten (transcriptiefactoren) die binden op
het genregulatorisch gebied. Dit zal de toegang verlenen of verhinderen voor RNA Polymerase die
normaal bindt op de promotor (50 nucleotiden lang). Wanneer RNA polymerase bindt, staat het
gen AAN: het gen wordt afgeschreven vanaf het specifieke punt: transcriptie - initatieplaats (+1).
Wanneer de toegang geweigerd wordt, staat het gen UIT: het gen kan niet afgeschreven worden.
De UTR’s is sowieso een deel van het RNA dat niet wordt afgeschreven.
Bij bacteriën is het genregulatorisch gebied meestal eenvoudig en kort, meestal 10 nucleotiden
lang (zoals een operator in een operon). In eukaryoten zijn ze complexer en kunnen ze gebieden
tot wel 10.000 nucleotiden omvatten.
Transcriptiefactor bindt op de grote DNA groeve: contacten tussen aminozuren en nucleotiden
Transcriptiefactoren zitten vast als er een stevige interactie is tussen het eiwit en DNA. Het eiwit
gaat aan de buitenkant van het DNA lezen, de bindingen tussen de dubbelstreng gaat die niet
breken. Het zoekt telkens in de majeure groeve, aangezien er daar veel toegang is tot nucleotiden.
Zo zal het eiwit met zijn aminozuurtentakels zoeken naar de perfecte match van
nucleotidesequentie. Wanneer het eiwitoppervlakte nauwkeurig past op het DNA kunnen er veel H
bruggen gevormd worden, wat zorgt voor een stevige binding.
4
,Hoe basenparen herkend worden door genregulatorische eiwitten zonder de DNA helix te openen
Eiwitten lezen niet de basenparen maar gebruiken de buitenkant, die eigenlijk een weerspiegeling
is van de interactie van DNA strengen en vormen daarmee waterstofbruggen. In het DNA zijn 4
lettercombinaties mogelijk en voor elk van de combinaties, zijn de atomen aan de buitenkant van
DNA anders:
● H atomen (wit)
● methylgroepen (geel)
● H brug acceptor (rood) → vormen gemakkelijk H-brug door te binden met H-donor
● H brug donor (blauw) → bindt gemakkelijk met H-brug acceptor
Dus transcriptiefactoren scannen de buitenkant van het DNA af totdat ze op de juiste plaats zitten
in een genregulatorisch gebied en regelen zo de transcriptie.
Methylatie heeft een grote impact op genexpressie
Methylatie vindt plaats op een cytosine base (is het enige dat gemethyleerd kan worden). Als dat
gebeurt dan verandert het patroon van donor en acceptor voor de H - brug. Het verstoord dus de
interactie met transcriptieregelaars en beïnvloedt op die manier de genexpressie.
= vorm van epigenetische modificatie (waarbij genexpressie wordt beïnvloed zonder
veranderingen in de DNA-sequentie zelf)
5
, PROKARYOTEN EUKARYOTEN
ééncellig vaak meerdercellig
korte generatieduur meestal lange generatieduur
aantal is belangrijker dan individuen individuen zijn belangrijker
cellen ervaren vaak snel wisselende omgeving homeostase houdt celomgeving constant
Prokaryoten (2.2) en eukaryoten (2.3) hebben twee verschillende leefwijzen, wat implicaties heeft voor hun transcriptieregeling.
2.2. Regeling van de gentranscriptie bij bacteriën
Transcriptieregeling bij de goed bestudeerde bacterie E.coli
Het genoom van de E.coli bevat 4,6 x 106 baseparen. Wat codeert voor 4300 verschillende
proteïnen. Deze komen niet allemaal tegelijkertijd tot expressie. De regeling is afhankelijk van de
omgeving. Door de expressie regeling van een operon kan de transcriptie van bepaalde genen
aan of uitgezet worden.
1) Operons en polycistronische mRNA’s bij bacteriën
Operon: is een functionele eenheid van DNA die een cluster van genen bevat die onder controle
staan van één enkele promotor. Het omvat de operator, de promotor en de genen die ze
controleren.
Promotor: een DNA-sequentie waar RNA-polymerase zich aan hecht en de transcriptie van het
aangrenzende gen initieert.
Operator: een segment van DNA waaraan een repressor-eiwit bindt, wat de transcriptie van
bepaalde genen voorkomt
6
