Moleculaire celbiologie:
Deel 2
Hoofdstuk 8: Regeling van
genexpressie
Inhoudsopgave
8.1 De begrippen genexpressie en celdifferentiatie........................................................................................4
8.1.1 Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten hetzeflde DNA, maar gerbuiken het
anders...................................................................................................................................................................4
8.1.2 Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen van proteïnen..................................................4
8.1.3 Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli............................................................5
8.1.4 Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren........................................................................5
8.2 Hoe transcriptieschakelaars werken via genregulatorische proteïnen.......................................................6
8.2.1 Transcriptiefactoren en genregulatorische eiwitten binden aan regulatorische DNA sequenties.............6
8.2.1.1 Transcriptie gebeurt door het DNA polymerase.................................................................................7
8.2.1.2 Een transcriptieregulator bindt op de grote DNA groeve: contacten tussen aminozuren en
nucleotiden......................................................................................................................................................8
8.2.2 Regeling van gentranscriptie bij bacteriën.................................................................................................9
8.2.2.1 Transcriptieregulatie in een goed bestudeerde bacteri: E. Coli..........................................................9
8.2.2.2 Operons en polycistronische mRNA’s bij bacteriën..........................................................................10
8.2.2.3 Operons kunenn worden afgezet door een repressoreiwit te activeren..........................................11
8.2.2.4 Oprons kunnen aangezet worden door een repressoreiwit weg te nemen.....................................12
8.2.2.5 Lac en Trp operons zijn twee verschillende voorbeelden van negatieve transcriptiecontrole........12
8.2.2.6 Genexpressie wordt gecontroleerd door de activatoreiwitten, al dan niet samen met een cofactor
.......................................................................................................................................................................12
8.2.2.7 De omschakeling van glucosegebruik naar lactosegebruik in E. Coli................................................13
8.2.2.8 Het lac operon wordt gecontroleerd door 2 signalen: CAP activator en lac repressor....................14
8.2.3 Initiatie van eukrayote gentranscriptie is een complex fenomeen...........................................................16
8.2.3.1 3 RNA polymerasen bij eukaryoten <-> 1 RNA polymerase bij prokaryoten....................................16
8.2.3.2 Eukaryote RNA polymerasen werken samen met een ganse reeks algemene transcriptiefactoren:
vormen een initiatiecomplex.........................................................................................................................17
8.2.3.3 Genregulatorische proteïnen, zowel repressors en activators (enhancers), binden vaak duizenden
baseparen ver van de promoter....................................................................................................................18
8.2.3.4 DNA verpakking gebeurt in nucleosomen: controleert de eukaryote gentranscriptie epigenetische
regeling..........................................................................................................................................................19
8.3 De moleculaire mechanismen die instaan voor het maken van verschillende soorten cellen...................24
8.3.1. Eukaryotische genen worden geregeld door combinaties van regulatorische eiwitten..........................25
8.3.2. Eén enkele genregulator kan de expressie van meerdere genen gelijktijdig regelen..............................25
8.3.3. Combinatorische controle kan verschillende soorten celtypes doen ontstaan........................................27
8.3.3.1 Fibroblasten worden spiercellen onder invloed van het genregulatorische eiwit MyoD.................28
1
, 8.3.3.2 Bepaalde transcriptieregulators kunnen een gedifferentieerd celtype omvormen naar een ander
celtype...........................................................................................................................................................29
8.3.4. Gedifferentieerde celtypes kunnen geherprogrammeerd worden tot pluripotente stamcellen..............30
8.3.5. De vorming van een gans orgaan kan gecontroleerd worden door één enkel gen.................................30
8.3.6. Epigenetische mechanismen maken dat gedifferentieerde cellen hun identiteit bewaren: cellulair
geheugen............................................................................................................................................................31
8.3.6.1 Positieve feedback van mechanismen..............................................................................................31
8.3.6.2 Epigenetische overerving van DNA methylatie.................................................................................32
8.3.6.3 Epigenetische overervin van histonmodificaties...............................................................................33
8.4 Post-transcriptionele controles: regeling na RNA polymerase activatie...................................................34
8.4.1 Een mRNA controleert zijn eigen afbraak en vertaling.............................................................................34
8.4.2 Regulatorische RNA’s controleren de expressie van duizenden genen.....................................................35
8.4.2.1 miRNA’s sturen de gerichte vernietiging van doelwit mRNA’s.........................................................35
8.4.2.2 siRNA’s worden gemaajt van vreemde dubbelstrengige RNA’s om de cel tegen infectie................37
te beschermen...............................................................................................................................................37
8.4.2.3 Duizenden lange niet-coderende RNA’s kunnen de genactvititeit regelen......................................37
Essentiële concepten H8:............................................................................................................................. 37
Begrippen H8............................................................................................................................................... 38
Genexpressie en gendifferentiatie & kine..................................................................................................... 41
2
, Regelen van DNA gebruik in kaart brengen: spiercellen zorgen voor contractie, …
Conceptmap:
Centrale vraagstelling H8:
- Hoe wordt het DNA in een cel gebruikt?
- Hoe kan een gen aan- of uitgezet worden?
- Hoe kan een cel uitgroeien tot een zenuw- of spiercel?
Specialiseren van cellen = celdifferentiatie
- Hoe ontstaan er 200 verschillende celtypes?
- Waarom zullen de beta cellen van de pancreas insuline maken, terwijl de B
lymfocyten in het immuunsysteem antistoffen maken?
- Hoe wordt DNA gelezen om een volledig organisme op te bouwen?
Hoe verklaar je dat een zenuwcel en een spiercel binnen één organisme totaal andere
functies kunnen vervullen?
3
, Elk celtype bevat hetzelfde DNA, maar het DNA wordt op een andere manier gebruikt (=
DNA wordt selectief aan en uit gezet) Zo ontstaan er unieke celfuncties. Er zijn geen cellen in
ons lichaam die alle genen gebruiken, elk celtype heeft een selectie van genen. Het DNA
wordt niet in stukjes geknipt, maar sommige genen worden aan en uit gezet
GENEXPRESSIE
Als je de celfunctie wil begrijpen, moet je de genexpressie begrijpen.
8.1 De begrippen genexpressie en celdifferentiatie
Uit een zygtote ontstaat een basiscel. Erna gaan cellen specialiseren ( = celdifferentiatie). In
elk celtype zit hetzelfde DNA, maar ander genen komen tot expressie (variabel, 30-60% van
alle genen Er wordt een selectie gemaakt)
- Regeling van genexpressie
- Aan en uitzetten van genen
- Genexpressie coördineren
- Differentiatie
- Celgeheugen
8.1.1 Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten hetzeflde
DNA, maar gerbuiken het anders
Een bevruchte eicel (zygote) zal differentieren in een groot aantal celtypes die verschillen in
structuur en functie. De cellen zullen dezelfde genetische informatie bevatten maar maken
er op een andere manier gebruik van. Ze hebben dus een verschillende genexpressie die
celdifferentiatie mogelijk maakt (zonder verlies van geninfo).
Zygote Differentiatie 200 celtypes
- Zenuwcel, epitheelcel, spiercel
Alle celtypes bevatten hetzelfde DNA en beschikken over dezelfde genen.
Toch vervullen ze andere functies, hoe?
Differentiële genexpressie (omvat RNA + eiwit)
Terminale differentiatie ( = (on)omkeerbaar) Een cel die gespecialiseerd is zal niet
meer gededifferentieerd worden.
DNA transfer uit een gedifferentieerde cel naar een eicel, of vanuit 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 die nodig is voor de vorming van een
volledig organisme. ( = geen DNA verlies)
8.1.2 Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen van proteïnen
1. Selectieve expressie van 19.000 eiwit coderende genen
Een typische cel exprimeert 30-60% van de eiwit coderende genen = 6000-12000 genen
a) “House-keeping proteïnen vertonen constructieve expressie:
- Alle cellen moeten deze functies vervullen
4
Deel 2
Hoofdstuk 8: Regeling van
genexpressie
Inhoudsopgave
8.1 De begrippen genexpressie en celdifferentiatie........................................................................................4
8.1.1 Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten hetzeflde DNA, maar gerbuiken het
anders...................................................................................................................................................................4
8.1.2 Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen van proteïnen..................................................4
8.1.3 Een cel kan zijn expressiepatroon aanpassen o.i.v. externe stimuli............................................................5
8.1.4 Multiple stappen die de genexpressie kunnen controleren........................................................................5
8.2 Hoe transcriptieschakelaars werken via genregulatorische proteïnen.......................................................6
8.2.1 Transcriptiefactoren en genregulatorische eiwitten binden aan regulatorische DNA sequenties.............6
8.2.1.1 Transcriptie gebeurt door het DNA polymerase.................................................................................7
8.2.1.2 Een transcriptieregulator bindt op de grote DNA groeve: contacten tussen aminozuren en
nucleotiden......................................................................................................................................................8
8.2.2 Regeling van gentranscriptie bij bacteriën.................................................................................................9
8.2.2.1 Transcriptieregulatie in een goed bestudeerde bacteri: E. Coli..........................................................9
8.2.2.2 Operons en polycistronische mRNA’s bij bacteriën..........................................................................10
8.2.2.3 Operons kunenn worden afgezet door een repressoreiwit te activeren..........................................11
8.2.2.4 Oprons kunnen aangezet worden door een repressoreiwit weg te nemen.....................................12
8.2.2.5 Lac en Trp operons zijn twee verschillende voorbeelden van negatieve transcriptiecontrole........12
8.2.2.6 Genexpressie wordt gecontroleerd door de activatoreiwitten, al dan niet samen met een cofactor
.......................................................................................................................................................................12
8.2.2.7 De omschakeling van glucosegebruik naar lactosegebruik in E. Coli................................................13
8.2.2.8 Het lac operon wordt gecontroleerd door 2 signalen: CAP activator en lac repressor....................14
8.2.3 Initiatie van eukrayote gentranscriptie is een complex fenomeen...........................................................16
8.2.3.1 3 RNA polymerasen bij eukaryoten <-> 1 RNA polymerase bij prokaryoten....................................16
8.2.3.2 Eukaryote RNA polymerasen werken samen met een ganse reeks algemene transcriptiefactoren:
vormen een initiatiecomplex.........................................................................................................................17
8.2.3.3 Genregulatorische proteïnen, zowel repressors en activators (enhancers), binden vaak duizenden
baseparen ver van de promoter....................................................................................................................18
8.2.3.4 DNA verpakking gebeurt in nucleosomen: controleert de eukaryote gentranscriptie epigenetische
regeling..........................................................................................................................................................19
8.3 De moleculaire mechanismen die instaan voor het maken van verschillende soorten cellen...................24
8.3.1. Eukaryotische genen worden geregeld door combinaties van regulatorische eiwitten..........................25
8.3.2. Eén enkele genregulator kan de expressie van meerdere genen gelijktijdig regelen..............................25
8.3.3. Combinatorische controle kan verschillende soorten celtypes doen ontstaan........................................27
8.3.3.1 Fibroblasten worden spiercellen onder invloed van het genregulatorische eiwit MyoD.................28
1
, 8.3.3.2 Bepaalde transcriptieregulators kunnen een gedifferentieerd celtype omvormen naar een ander
celtype...........................................................................................................................................................29
8.3.4. Gedifferentieerde celtypes kunnen geherprogrammeerd worden tot pluripotente stamcellen..............30
8.3.5. De vorming van een gans orgaan kan gecontroleerd worden door één enkel gen.................................30
8.3.6. Epigenetische mechanismen maken dat gedifferentieerde cellen hun identiteit bewaren: cellulair
geheugen............................................................................................................................................................31
8.3.6.1 Positieve feedback van mechanismen..............................................................................................31
8.3.6.2 Epigenetische overerving van DNA methylatie.................................................................................32
8.3.6.3 Epigenetische overervin van histonmodificaties...............................................................................33
8.4 Post-transcriptionele controles: regeling na RNA polymerase activatie...................................................34
8.4.1 Een mRNA controleert zijn eigen afbraak en vertaling.............................................................................34
8.4.2 Regulatorische RNA’s controleren de expressie van duizenden genen.....................................................35
8.4.2.1 miRNA’s sturen de gerichte vernietiging van doelwit mRNA’s.........................................................35
8.4.2.2 siRNA’s worden gemaajt van vreemde dubbelstrengige RNA’s om de cel tegen infectie................37
te beschermen...............................................................................................................................................37
8.4.2.3 Duizenden lange niet-coderende RNA’s kunnen de genactvititeit regelen......................................37
Essentiële concepten H8:............................................................................................................................. 37
Begrippen H8............................................................................................................................................... 38
Genexpressie en gendifferentiatie & kine..................................................................................................... 41
2
, Regelen van DNA gebruik in kaart brengen: spiercellen zorgen voor contractie, …
Conceptmap:
Centrale vraagstelling H8:
- Hoe wordt het DNA in een cel gebruikt?
- Hoe kan een gen aan- of uitgezet worden?
- Hoe kan een cel uitgroeien tot een zenuw- of spiercel?
Specialiseren van cellen = celdifferentiatie
- Hoe ontstaan er 200 verschillende celtypes?
- Waarom zullen de beta cellen van de pancreas insuline maken, terwijl de B
lymfocyten in het immuunsysteem antistoffen maken?
- Hoe wordt DNA gelezen om een volledig organisme op te bouwen?
Hoe verklaar je dat een zenuwcel en een spiercel binnen één organisme totaal andere
functies kunnen vervullen?
3
, Elk celtype bevat hetzelfde DNA, maar het DNA wordt op een andere manier gebruikt (=
DNA wordt selectief aan en uit gezet) Zo ontstaan er unieke celfuncties. Er zijn geen cellen in
ons lichaam die alle genen gebruiken, elk celtype heeft een selectie van genen. Het DNA
wordt niet in stukjes geknipt, maar sommige genen worden aan en uit gezet
GENEXPRESSIE
Als je de celfunctie wil begrijpen, moet je de genexpressie begrijpen.
8.1 De begrippen genexpressie en celdifferentiatie
Uit een zygtote ontstaat een basiscel. Erna gaan cellen specialiseren ( = celdifferentiatie). In
elk celtype zit hetzelfde DNA, maar ander genen komen tot expressie (variabel, 30-60% van
alle genen Er wordt een selectie gemaakt)
- Regeling van genexpressie
- Aan en uitzetten van genen
- Genexpressie coördineren
- Differentiatie
- Celgeheugen
8.1.1 Verschillende celtypes van een multicellulair organisme bevatten hetzeflde
DNA, maar gerbuiken het anders
Een bevruchte eicel (zygote) zal differentieren in een groot aantal celtypes die verschillen in
structuur en functie. De cellen zullen dezelfde genetische informatie bevatten maar maken
er op een andere manier gebruik van. Ze hebben dus een verschillende genexpressie die
celdifferentiatie mogelijk maakt (zonder verlies van geninfo).
Zygote Differentiatie 200 celtypes
- Zenuwcel, epitheelcel, spiercel
Alle celtypes bevatten hetzelfde DNA en beschikken over dezelfde genen.
Toch vervullen ze andere functies, hoe?
Differentiële genexpressie (omvat RNA + eiwit)
Terminale differentiatie ( = (on)omkeerbaar) Een cel die gespecialiseerd is zal niet
meer gededifferentieerd worden.
DNA transfer uit een gedifferentieerde cel naar een eicel, of vanuit 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 die nodig is voor de vorming van een
volledig organisme. ( = geen DNA verlies)
8.1.2 Verschillende celtypes exprimeren verschillende groepen van proteïnen
1. Selectieve expressie van 19.000 eiwit coderende genen
Een typische cel exprimeert 30-60% van de eiwit coderende genen = 6000-12000 genen
a) “House-keeping proteïnen vertonen constructieve expressie:
- Alle cellen moeten deze functies vervullen
4
