Moleculaire celbiologie DEEL 2
Hoofdstuk 8: De regeling van Genexpressie
1) Begrippen genexpressie & differentiatie
- Verschillende celtypes van multicellulair organisme bevatten hetzelfde DNA, maar
gebruiken het anders=
• Genexpressie: hebben het over alle genen = RNA EN eiwit coderende genen.
• Differentiatie:
➢ Wat: het proces waarbij we kunnen met hetzelfde DNA, toch andere celtypes
vormen. Alle cellen ondergaan differentiatie om een celtype te worden.
➢ Voorbeeld:
➔ Een zenuwcel → kunnen tot 1m lang worden, met veel vertakkingen
➔ Een levercel → deze is ivm de zenuwcel piepklein, maar bevatten wel
hetzelfde DNA.
➢ Werking: er worden proeven gedaan in het labo
➔ STAP 1= bij de zygoten, de bevruchting van de eicel.
➔ STAP 2= er ontstaan celindelingen, waarbij genen geleidelijk aan uit & aan
gezet worden, waardoor je een differentiatie krijgt.
➔ STAP 3= je krijgt tot 200 verschillende soorten celtypes.
➢ Voorbeeld 1: de wortel
➔ Die ene cel kan weer uitgroeien tot een embryo, uitgroeien tot een plant,
om dan weer een wortel te vormen.
➢ Voorbeeld 2: de dieren
➔ We nemen één cel van het dier (kikkerhuid)
➔ We gaan de kern van die huidcel uithalen (DNA) & planten deze in een eicel
waarvan we de kern hadden verwijderd
➔ Gevolg: kunnen samen uitgroeien tot een nieuw kikkervisje
• Differentiële genexpressie: differentiatieprocessen die OMKEERBAAR zijn. Dit
zijn cellen die zelf kunnen nog gaan delen in dochtercellen.
➢ Bijvoorbeeld: levercellen
• (Terminale) differentiatie: differentiatieprocessen die ONOMKEERBAAR zijn. Dit
zijn cellen die zelf niet meer gaan delen.
➢ Bijvoorbeeld: Spiercellen & Zenuwcellen zijn terminaal gedifferentieerd.
1
,- Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen van proteïnen=
• Algemeen=
➢ 19000 genen zijn EIWIT coderende genen
➢ 5000 genen zijn RNA coderende genen
= TOTAAL +/- 2400 genen (kunnen aan en uit gezet worden)
• Soorten expressie van genen=
➢ Selectieve expressie van 19000 eiwit coderende genen → Een typische cel
exprimeert 30-60 % van de eiwit coderende genen
A) “House-keeping” proteïnen: constitutieve expressie= dit is een groep
genen die ATLIJD aan staan, omdat alle cellen deze nodig hebben om
functies te vervullen.
→Bv= DNA polymerase, RNA polymerase, ribosoom eiwitten, ...
B) Gespecializeerde celtypes exprimeren bovendien specifieke proteïnen
typisch voor een speciale celfunctie
→Bv= haemoglobine in rode bloedcellen, insuline in β cellen van de
pancreas, antistoffen in immuuncellen)
➢ Selectieve expressie van 5000 RNA coderende genen
• Factoren=
➢ Voor elke gen geldt:
➔ Van lage tot hoge expressie is mogelijk, afh van je variabele & celtype.
➔ De combinatie van genen die tot expressie komen, bepaalt het celtype &
celfunctie.
➢ Er komt dus een andere set genen tot expressie in de spiercel en de zenuwcel
- Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli=
• Wat= de meeste gespecialiseerde cellen in een multicellulair organisme kunnen
hun expressiepatroon aanpassen als antwoord op extracellulaire signalen.
➢ Bijvoorbeeld: Tijdens vasten of een zware inspanning kunnen we mogelijke een
tijdelijk tekort aan glucose krijgen en moeten de back-up organismen
geactiveerd worden. Hierbij gaan we onze suikerproductie halen uit de
aminozuren. Belangrijk hormoon hierbij = cortisol (hormoon uit de bijnier).
• Werking cortisol=
A) In levercellen: Cortisol zorgt voor een STIJGING van het enzym
‘Tyrosineaminotransferase’. Dit enzym zet Tyrosine (aminozuur) om naar
glucose (suiker)
B) In vetcellen: Cortisol zorgt voor een DALING van het enzym
‘Tyrosineaminotransferase’.
C) In sommige andere cellen: Cortisol zorgt voor een GELIJK EVENWICHT van
het enzym ‘Tyrosineaminotransferase’.
2
,- Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren=
• ELKE STAP in het DNA kan door een eiwit geregeld worden:
➢ STAP 1= Epigenetische controle
➔ Er wordt gekeken naar of het ‘DNA opgerold of toegankelijk?’
➔ Genen kunnen alleen worden afgelezen als het DNA 'open' ligt.
➔ Door histonmodificatie of DNA-methylering wordt bepaald of een gen "aan"
of "uit" staat.
➢ STAP 2= ranscriptie van DNA naar pre-mRNA
➔ Er wordt gekeken naar ‘Wordt het gen echt overgeschreven naar RNA?’
➔ Regulatie door transcriptiefactoren: eiwitten die binden aan
promotoren/enhancers.
➔ Belangrijkste stap voor gencontrole: als er geen transcriptie is, wordt het
gen niet uitgedrukt.
➢ STAP 3= RNA-processing: van pre-mRNA naar rijp mRNA
➔ Er wordt gekeken naar ‘Hoe wordt het RNA bewerkt?’
➔ Splicing: introns worden weggeknipt, exons aan elkaar gezet.
➔ Alternatieve splicing laat toe dat één gen meerdere eiwitvormen oplevert.
➔ Toevoeging van 5'-cap en poly-A-staart beschermt het mRNA.
➢ STAP 4= Export van mRNA uit de kern
➔ Er wordt gekeken naar “Mag het mRNA de kern verlaten?”
➔ Enkel correct verwerkte mRNA’s worden via kernporiën naar het
cytoplasma getransporteerd.
➢ STAP 5= Translatie van mRNA naar eiwit
➔ Er wordt gekeken naar “Wordt het mRNA vertaald in een eiwit?”
➔ Controle via initiatiefactoren en microRNA’s die translatie kunnen remmen.
➔ Ook de beschikbaarheid van ribosomen speelt een rol.
➢ STAP 6= Post-translationele modificatie van het eiwit
➔ Er wordt gekeken naar “Wordt het eiwit geactiveerd, aangepast of
afgebroken?”
➔ Eiwitten kunnen chemisch gemodificeerd worden (bv. fosforylatie).
➔ Controle over de activiteit, stabiliteit en locatie van het eiwit.
➔ Foutieve eiwitten kunnen meteen afgebroken worden (bv. via proteasoom).
3
, 2) Hoe transcriptieschakelaars werken via genregulatorische proteïnen
- Transcriptiefactoren/genregulatorische eiwitten binden aan regluatorische DNA
sequenties=
• De transcriptie (van DNA naar RNA) gebeurt door RNA polymerase.
➢ RNA polymerase zal de DNA sequentie overschrijven naar RNA t.h.v. een
promoter.
• De promoter (zowel bij bacteriële als eukaryote genen) bevat:
➢ een transcriptie-initatie plaats (positie +1)
➔ Functie: de start van de transcriptie
➢ een bindingsplaats voor RNA polymerase: een zone van ongeveer 50
nucleotiden lang stoomopwaarts van positie +1
➔ Functie: zorgt voor de juiste oriëntatie
• Regulatorische DNA sequenties: deze kunnen een gen aan- of uitschakelen:
➢ Simpel voornamelijk in bacteriën: vanaf 10 nucleotiden
➢ Complex voornamelijk in eukaryoten: tot 10000 nucleotiden + functioneren als
micro-processor: de input van verschillende signalen wordt geïntegreerd en
omgezet in een bevel dat zegt hoe vaak de transcriptie moet plaatsvinden
• Om te kunnen werken moeten deze regulatorische DNA sequenties binden met
transcriptie regulators (=transcriptiefactoren).
Bij prokaryoten zijn dit er honderden, bij eukaryoten duizenden.
DNA + EIWIT = SCHAKELAAR
4
Hoofdstuk 8: De regeling van Genexpressie
1) Begrippen genexpressie & differentiatie
- Verschillende celtypes van multicellulair organisme bevatten hetzelfde DNA, maar
gebruiken het anders=
• Genexpressie: hebben het over alle genen = RNA EN eiwit coderende genen.
• Differentiatie:
➢ Wat: het proces waarbij we kunnen met hetzelfde DNA, toch andere celtypes
vormen. Alle cellen ondergaan differentiatie om een celtype te worden.
➢ Voorbeeld:
➔ Een zenuwcel → kunnen tot 1m lang worden, met veel vertakkingen
➔ Een levercel → deze is ivm de zenuwcel piepklein, maar bevatten wel
hetzelfde DNA.
➢ Werking: er worden proeven gedaan in het labo
➔ STAP 1= bij de zygoten, de bevruchting van de eicel.
➔ STAP 2= er ontstaan celindelingen, waarbij genen geleidelijk aan uit & aan
gezet worden, waardoor je een differentiatie krijgt.
➔ STAP 3= je krijgt tot 200 verschillende soorten celtypes.
➢ Voorbeeld 1: de wortel
➔ Die ene cel kan weer uitgroeien tot een embryo, uitgroeien tot een plant,
om dan weer een wortel te vormen.
➢ Voorbeeld 2: de dieren
➔ We nemen één cel van het dier (kikkerhuid)
➔ We gaan de kern van die huidcel uithalen (DNA) & planten deze in een eicel
waarvan we de kern hadden verwijderd
➔ Gevolg: kunnen samen uitgroeien tot een nieuw kikkervisje
• Differentiële genexpressie: differentiatieprocessen die OMKEERBAAR zijn. Dit
zijn cellen die zelf kunnen nog gaan delen in dochtercellen.
➢ Bijvoorbeeld: levercellen
• (Terminale) differentiatie: differentiatieprocessen die ONOMKEERBAAR zijn. Dit
zijn cellen die zelf niet meer gaan delen.
➢ Bijvoorbeeld: Spiercellen & Zenuwcellen zijn terminaal gedifferentieerd.
1
,- Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen van proteïnen=
• Algemeen=
➢ 19000 genen zijn EIWIT coderende genen
➢ 5000 genen zijn RNA coderende genen
= TOTAAL +/- 2400 genen (kunnen aan en uit gezet worden)
• Soorten expressie van genen=
➢ Selectieve expressie van 19000 eiwit coderende genen → Een typische cel
exprimeert 30-60 % van de eiwit coderende genen
A) “House-keeping” proteïnen: constitutieve expressie= dit is een groep
genen die ATLIJD aan staan, omdat alle cellen deze nodig hebben om
functies te vervullen.
→Bv= DNA polymerase, RNA polymerase, ribosoom eiwitten, ...
B) Gespecializeerde celtypes exprimeren bovendien specifieke proteïnen
typisch voor een speciale celfunctie
→Bv= haemoglobine in rode bloedcellen, insuline in β cellen van de
pancreas, antistoffen in immuuncellen)
➢ Selectieve expressie van 5000 RNA coderende genen
• Factoren=
➢ Voor elke gen geldt:
➔ Van lage tot hoge expressie is mogelijk, afh van je variabele & celtype.
➔ De combinatie van genen die tot expressie komen, bepaalt het celtype &
celfunctie.
➢ Er komt dus een andere set genen tot expressie in de spiercel en de zenuwcel
- Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli=
• Wat= de meeste gespecialiseerde cellen in een multicellulair organisme kunnen
hun expressiepatroon aanpassen als antwoord op extracellulaire signalen.
➢ Bijvoorbeeld: Tijdens vasten of een zware inspanning kunnen we mogelijke een
tijdelijk tekort aan glucose krijgen en moeten de back-up organismen
geactiveerd worden. Hierbij gaan we onze suikerproductie halen uit de
aminozuren. Belangrijk hormoon hierbij = cortisol (hormoon uit de bijnier).
• Werking cortisol=
A) In levercellen: Cortisol zorgt voor een STIJGING van het enzym
‘Tyrosineaminotransferase’. Dit enzym zet Tyrosine (aminozuur) om naar
glucose (suiker)
B) In vetcellen: Cortisol zorgt voor een DALING van het enzym
‘Tyrosineaminotransferase’.
C) In sommige andere cellen: Cortisol zorgt voor een GELIJK EVENWICHT van
het enzym ‘Tyrosineaminotransferase’.
2
,- Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren=
• ELKE STAP in het DNA kan door een eiwit geregeld worden:
➢ STAP 1= Epigenetische controle
➔ Er wordt gekeken naar of het ‘DNA opgerold of toegankelijk?’
➔ Genen kunnen alleen worden afgelezen als het DNA 'open' ligt.
➔ Door histonmodificatie of DNA-methylering wordt bepaald of een gen "aan"
of "uit" staat.
➢ STAP 2= ranscriptie van DNA naar pre-mRNA
➔ Er wordt gekeken naar ‘Wordt het gen echt overgeschreven naar RNA?’
➔ Regulatie door transcriptiefactoren: eiwitten die binden aan
promotoren/enhancers.
➔ Belangrijkste stap voor gencontrole: als er geen transcriptie is, wordt het
gen niet uitgedrukt.
➢ STAP 3= RNA-processing: van pre-mRNA naar rijp mRNA
➔ Er wordt gekeken naar ‘Hoe wordt het RNA bewerkt?’
➔ Splicing: introns worden weggeknipt, exons aan elkaar gezet.
➔ Alternatieve splicing laat toe dat één gen meerdere eiwitvormen oplevert.
➔ Toevoeging van 5'-cap en poly-A-staart beschermt het mRNA.
➢ STAP 4= Export van mRNA uit de kern
➔ Er wordt gekeken naar “Mag het mRNA de kern verlaten?”
➔ Enkel correct verwerkte mRNA’s worden via kernporiën naar het
cytoplasma getransporteerd.
➢ STAP 5= Translatie van mRNA naar eiwit
➔ Er wordt gekeken naar “Wordt het mRNA vertaald in een eiwit?”
➔ Controle via initiatiefactoren en microRNA’s die translatie kunnen remmen.
➔ Ook de beschikbaarheid van ribosomen speelt een rol.
➢ STAP 6= Post-translationele modificatie van het eiwit
➔ Er wordt gekeken naar “Wordt het eiwit geactiveerd, aangepast of
afgebroken?”
➔ Eiwitten kunnen chemisch gemodificeerd worden (bv. fosforylatie).
➔ Controle over de activiteit, stabiliteit en locatie van het eiwit.
➔ Foutieve eiwitten kunnen meteen afgebroken worden (bv. via proteasoom).
3
, 2) Hoe transcriptieschakelaars werken via genregulatorische proteïnen
- Transcriptiefactoren/genregulatorische eiwitten binden aan regluatorische DNA
sequenties=
• De transcriptie (van DNA naar RNA) gebeurt door RNA polymerase.
➢ RNA polymerase zal de DNA sequentie overschrijven naar RNA t.h.v. een
promoter.
• De promoter (zowel bij bacteriële als eukaryote genen) bevat:
➢ een transcriptie-initatie plaats (positie +1)
➔ Functie: de start van de transcriptie
➢ een bindingsplaats voor RNA polymerase: een zone van ongeveer 50
nucleotiden lang stoomopwaarts van positie +1
➔ Functie: zorgt voor de juiste oriëntatie
• Regulatorische DNA sequenties: deze kunnen een gen aan- of uitschakelen:
➢ Simpel voornamelijk in bacteriën: vanaf 10 nucleotiden
➢ Complex voornamelijk in eukaryoten: tot 10000 nucleotiden + functioneren als
micro-processor: de input van verschillende signalen wordt geïntegreerd en
omgezet in een bevel dat zegt hoe vaak de transcriptie moet plaatsvinden
• Om te kunnen werken moeten deze regulatorische DNA sequenties binden met
transcriptie regulators (=transcriptiefactoren).
Bij prokaryoten zijn dit er honderden, bij eukaryoten duizenden.
DNA + EIWIT = SCHAKELAAR
4
