Principles of gene regulation and epigenetics
Elke cel met een kern heeft hetzelfde aantal DNA moleculen, maar slechts een deel van de genen in
die cel worden geëxpreseerd (afhankelijk van celtype). De cellen en genen moeten dus sterk
gereguleerd worden (op het niveau van transcriptie, post-transcriptionele processen en translatie.
Regulatorische sequenties kunnen verdeeld worden in 2 groepen:
1. Cis-acting regulatie op DNA-niveau: regulatorische sequenties die reguleert op zijn eigen
DNA streng (promotors en enhancers/silencers)
→ functie wordt gelimiteerd tot het single DNA molecule waarop het cis-acting element zit
→ deze elementen zitten vaan in de UTE in mRNA
→ mutatie van cis-acting regulatorische sequentie heeft meestal een impact op slechts 1
allel van 1 of enkele naburige genen-
- Op mRNA niveau via 5’ en 3’ UTR
- Worden gebonden op trans activerende eiwitten en miRNA’s
- Veel voorkomend (vooral miRNA binding op 3’ UTR)
Plaats waarop miRNA bindt op mRNA = cis acting element, maar miRNA zelf = trans
2. Trans-acting regulatie: RNA of eiwit dat diffundeert en reguleert bv microRNA – kan dus vrij
bewegen en binden op specifieke korte target nucleïnezuur sequenties
→ reguleren dus de expressie van beide allelen en meestal meerdere verschillende genen
→ mutaties van trans-acting regulatorische sequentie kan gevolgen hebben op de expressie
van meerdere genen over het hele genoom
Cis:
Trans:
Trans acting regulatorisch element
Cis acting regulatorisch element
- DNA sequentie - Eiwit of RNA molecule
- Reguleert op dezelfde DNA streng - Migreert door diffusie
- Reguleert 1 gen - Reguleert op afstand
- Reguleert 1 allel - Reguleert beide allelen van een gen en kan
- Voorbeeld: promotor, enhancer meerdere tegelijkertijd reguleren
Regulatie is altijd een combinatie van cis en trans – voorbeelden:
- Transcriptiefactoren (trans) die binden op een enhancer (cis)
- miRNA (trans) bindt op miRNA bindende sequentie (cis)
1
,Epigenetica: mutaties die niet op DNA-sequentie zelf zitten (dus methylatie, glycosylatie…)
→ zorgt voor veranderingen in chromatine structuur (tight or loose)
Het globale patroon dat beschrijft hoe dat DNA functioneert, wordt bepaald door een combinatie
van genetische controle (afhankelijk van DNA sequentie) en epigenetische mechanismen
(onafhankelijk van DNA sequentie).
Genetische regulatie van genexpressie
Promotors: aan en uit knop van genen
Promotor: cis-acting regulatorische DNA sequentie die een rol speelt in bepalen op welke stukken
van de DNA sequentie de transcriptie gaat gebeuren.
- Collectie van zeer korte sequentie elementen
- Zitten meestal samen geclusterd, enkele 100den nucleotiden van transcriptie start site
(voor elke DNA streng begint transcriptie op een fixed punt waar dat de chromatine een
lossere structuur heeft)
3 verschillende RNA polymerases zorgen voor transcriptie van kern DNA
- RNA polymerase I: maakt 3 van de 4 ribosomaal RNA (rRNA) in onze cytoplasmatische
ribosomen → schrijft meeste ribosomale RNAs af
- RNA polymerase II: transcriptie van alle proteïne coderende genen, lncRNAs en sommige
miRNAs
- RNA polymerase III: tRNA genen, 1 ribosomaal RNA en sommige kleine RNA’s af
Elke polymerase wordt geholpen door proteïne complexen bv in het geval van RNA pol II is er een
core transcription initiation complex dat gevormd wordt door 5 multisubunit proteïnen
(transcriptiefactoren – zie later).
Sommige van de subunits van het transcriptie initiatie complex binden op de promotor andere
worden gerecruteerd door andere proteïnen die al op promotor gebonden zijn.
Voor een proteïne coderend gen zijn de meeste promotors upstream van de start site en bevatten
zijn:
- BRE: transcriptiefactor IIB recoginition element – TFIIB bindt hierop om zo RNA
polymerase juist te positioneren thv transcriptie start site
- TATA box: op dit deel van de sequentie bindt TATA-binding protein subunit van TF IID
- Initiator element (inr): definieert startplaats van transcriptie (A = transcriptiestartplaats)
- DPE: downstream core promotor element (DPE) → alleen functioneel wanneer het exact
op +28 tot +32 zit van A van inr
Veel voorkomende elementen, maar geen ervan is noodzakelijk noch voldoende voor promotor
activiteit en veel promotors hebben geen van deze elementen.
2
,Modulatie van transcritpie: weefselspecifieke enhancers en silencers
Promotors – aan switch (nodig in elke cel), gebruikt TF die binden op Cis-regulatorische elementen in
de core promotor. Er is ook een amplificatie of reductie van het signaal nodig.
Enhacers, silencors en insulatie elementen
DNA-binding site van veel TF zitten vaak ver (1,5 kb en vaak zelfs verder)) van de transcriptionele
start site en kunnen zich upstream of downstream bevinden. In promotors is de oriëntatie en
afstand van de sequentie-elementen belangrijk, maar er zijn ook cis-acting regulatorische DNA-
elementen (van 4 – 9 bp meestal) die onafhankelijk van hun oriëntatie de transcriptie moduleren.
Er zijn 2 klassen:
1. Enhancers: versterken de transcriptie/expressie (amplify)
2. Silecers: inhiberen transcriptie/expressie
Kunnen dicht bij de start site van transcriptie zitten, maar meestal verder weg.
Om deze elementen te laten werken moet DNA in een soort loop zitten, zodat de proteïnen die
binden op enhancers/silencers fysiek kan interageren met proteïnen die op promotor zitten.
Door lange afstand van enhancers tot promotors, moet men extra regulatorische elementen hebben
die ervoor zorgen dat de enhancers de juiste genen targetten. Van deze regulatorische elementen
zijn er ook 2 soorten:
- Boundary elements: barrière tussen naburige euchromatine en heterochromatine
regio’s (zie verder)
- Insulator: blokkeert foute interacties tussen enhancers en promotors door
regulatorische eiwitten te binden
!! verschil tussen epigenetische en genetische boundary sequenties !!
Voorbeeld van enhancer regulatie – PAX6 gen
- Op grote afstand
- Beide enhancers zitten in intron
van een naburig gen
- Enhancers = Cis-acting en
weefselspecifiek
(exonen van PAX6 gen zijn niet getoond voor de eenvoud)
3
, Transcriptiefactoren
Transcriptiefactor: sequentie specifieke DNA-bindende proteïne die bindt op of dichtbij cis-acting
elementen die belangrijk zijn voor genexpressie (promotors, enchancers, silencers)
Voor elke TF zijn er 1000den potentiële bindingsplaatsen overheen het menselijk genoom, maar
binden slechts op een kleine fractie door:
- Binding site moet toegankelijk zijn (open chromatine conformatie en geen direct contact
met nucleosomen)
- Combinatorial: verschillende TF binden tegelijkertijd en werken samen
TF herkennen een specifieke, korte DNA sequentie (4 – 9 nucleotiden lang) door gebruikt te maken
van een DNA -bindend domein dat motieven bevat die fysiek op DNA kunnen binden zoals zinc-
fingers of leucine zippers.
Structuren van TF die DNA kunnen binden:
- Zinc finger motif; zink dimeer kan binden op EW (2 cysteïnes kunnen de zink binden)
- Leucine zippers: op bepaalde afstanden van elkaar in een alfa-helix zitten leucines =
apolair kan interactie aan gaan met DNA
Er zijn ook proteïnen die transcriptie moduleren zonder te binden op DNA. Ze werken via een
proteïne-proteïne interactie die andere regulatorische proteïnen ondersteunen die wel direct op
DNA binden. Er zijn 2 types:
- Co-activatoren: enhance transcriptie
- Co-repressoren: down-regulate transcriptie
Sommige genen moeten tot expressie gebracht worden in alle cellen (=housekeeping genes), maar
de meeste zijn weefselspecifiek of specifiek voor een ontwikkelingsstadium.
Topologically associating domains (TADs)
• Stukjes van ons genoom waarbinnen alle interacties tussen enhancers/silencers en promotor
gebeuren voor dat bepaald gen
• Genomische regio die promotor enhancer interacties limiteert
• Afgebakend door boundaries
• Evolutionair geconserveerd tussen species
• Worden bepaald via genoomwijde interactie studies
• Correlatie met chromatine structuur domeinen
• Verklaren hoe deleties en inversies nabijgelegen genen buiten de deletie of inversie kunnen
beïnvloeden
• Stel dat een boundary weg valt, dan zou het kunnen dan enhancer van oranje deel nog
inwerkt op blauwe zone → foute expressie
4
Elke cel met een kern heeft hetzelfde aantal DNA moleculen, maar slechts een deel van de genen in
die cel worden geëxpreseerd (afhankelijk van celtype). De cellen en genen moeten dus sterk
gereguleerd worden (op het niveau van transcriptie, post-transcriptionele processen en translatie.
Regulatorische sequenties kunnen verdeeld worden in 2 groepen:
1. Cis-acting regulatie op DNA-niveau: regulatorische sequenties die reguleert op zijn eigen
DNA streng (promotors en enhancers/silencers)
→ functie wordt gelimiteerd tot het single DNA molecule waarop het cis-acting element zit
→ deze elementen zitten vaan in de UTE in mRNA
→ mutatie van cis-acting regulatorische sequentie heeft meestal een impact op slechts 1
allel van 1 of enkele naburige genen-
- Op mRNA niveau via 5’ en 3’ UTR
- Worden gebonden op trans activerende eiwitten en miRNA’s
- Veel voorkomend (vooral miRNA binding op 3’ UTR)
Plaats waarop miRNA bindt op mRNA = cis acting element, maar miRNA zelf = trans
2. Trans-acting regulatie: RNA of eiwit dat diffundeert en reguleert bv microRNA – kan dus vrij
bewegen en binden op specifieke korte target nucleïnezuur sequenties
→ reguleren dus de expressie van beide allelen en meestal meerdere verschillende genen
→ mutaties van trans-acting regulatorische sequentie kan gevolgen hebben op de expressie
van meerdere genen over het hele genoom
Cis:
Trans:
Trans acting regulatorisch element
Cis acting regulatorisch element
- DNA sequentie - Eiwit of RNA molecule
- Reguleert op dezelfde DNA streng - Migreert door diffusie
- Reguleert 1 gen - Reguleert op afstand
- Reguleert 1 allel - Reguleert beide allelen van een gen en kan
- Voorbeeld: promotor, enhancer meerdere tegelijkertijd reguleren
Regulatie is altijd een combinatie van cis en trans – voorbeelden:
- Transcriptiefactoren (trans) die binden op een enhancer (cis)
- miRNA (trans) bindt op miRNA bindende sequentie (cis)
1
,Epigenetica: mutaties die niet op DNA-sequentie zelf zitten (dus methylatie, glycosylatie…)
→ zorgt voor veranderingen in chromatine structuur (tight or loose)
Het globale patroon dat beschrijft hoe dat DNA functioneert, wordt bepaald door een combinatie
van genetische controle (afhankelijk van DNA sequentie) en epigenetische mechanismen
(onafhankelijk van DNA sequentie).
Genetische regulatie van genexpressie
Promotors: aan en uit knop van genen
Promotor: cis-acting regulatorische DNA sequentie die een rol speelt in bepalen op welke stukken
van de DNA sequentie de transcriptie gaat gebeuren.
- Collectie van zeer korte sequentie elementen
- Zitten meestal samen geclusterd, enkele 100den nucleotiden van transcriptie start site
(voor elke DNA streng begint transcriptie op een fixed punt waar dat de chromatine een
lossere structuur heeft)
3 verschillende RNA polymerases zorgen voor transcriptie van kern DNA
- RNA polymerase I: maakt 3 van de 4 ribosomaal RNA (rRNA) in onze cytoplasmatische
ribosomen → schrijft meeste ribosomale RNAs af
- RNA polymerase II: transcriptie van alle proteïne coderende genen, lncRNAs en sommige
miRNAs
- RNA polymerase III: tRNA genen, 1 ribosomaal RNA en sommige kleine RNA’s af
Elke polymerase wordt geholpen door proteïne complexen bv in het geval van RNA pol II is er een
core transcription initiation complex dat gevormd wordt door 5 multisubunit proteïnen
(transcriptiefactoren – zie later).
Sommige van de subunits van het transcriptie initiatie complex binden op de promotor andere
worden gerecruteerd door andere proteïnen die al op promotor gebonden zijn.
Voor een proteïne coderend gen zijn de meeste promotors upstream van de start site en bevatten
zijn:
- BRE: transcriptiefactor IIB recoginition element – TFIIB bindt hierop om zo RNA
polymerase juist te positioneren thv transcriptie start site
- TATA box: op dit deel van de sequentie bindt TATA-binding protein subunit van TF IID
- Initiator element (inr): definieert startplaats van transcriptie (A = transcriptiestartplaats)
- DPE: downstream core promotor element (DPE) → alleen functioneel wanneer het exact
op +28 tot +32 zit van A van inr
Veel voorkomende elementen, maar geen ervan is noodzakelijk noch voldoende voor promotor
activiteit en veel promotors hebben geen van deze elementen.
2
,Modulatie van transcritpie: weefselspecifieke enhancers en silencers
Promotors – aan switch (nodig in elke cel), gebruikt TF die binden op Cis-regulatorische elementen in
de core promotor. Er is ook een amplificatie of reductie van het signaal nodig.
Enhacers, silencors en insulatie elementen
DNA-binding site van veel TF zitten vaak ver (1,5 kb en vaak zelfs verder)) van de transcriptionele
start site en kunnen zich upstream of downstream bevinden. In promotors is de oriëntatie en
afstand van de sequentie-elementen belangrijk, maar er zijn ook cis-acting regulatorische DNA-
elementen (van 4 – 9 bp meestal) die onafhankelijk van hun oriëntatie de transcriptie moduleren.
Er zijn 2 klassen:
1. Enhancers: versterken de transcriptie/expressie (amplify)
2. Silecers: inhiberen transcriptie/expressie
Kunnen dicht bij de start site van transcriptie zitten, maar meestal verder weg.
Om deze elementen te laten werken moet DNA in een soort loop zitten, zodat de proteïnen die
binden op enhancers/silencers fysiek kan interageren met proteïnen die op promotor zitten.
Door lange afstand van enhancers tot promotors, moet men extra regulatorische elementen hebben
die ervoor zorgen dat de enhancers de juiste genen targetten. Van deze regulatorische elementen
zijn er ook 2 soorten:
- Boundary elements: barrière tussen naburige euchromatine en heterochromatine
regio’s (zie verder)
- Insulator: blokkeert foute interacties tussen enhancers en promotors door
regulatorische eiwitten te binden
!! verschil tussen epigenetische en genetische boundary sequenties !!
Voorbeeld van enhancer regulatie – PAX6 gen
- Op grote afstand
- Beide enhancers zitten in intron
van een naburig gen
- Enhancers = Cis-acting en
weefselspecifiek
(exonen van PAX6 gen zijn niet getoond voor de eenvoud)
3
, Transcriptiefactoren
Transcriptiefactor: sequentie specifieke DNA-bindende proteïne die bindt op of dichtbij cis-acting
elementen die belangrijk zijn voor genexpressie (promotors, enchancers, silencers)
Voor elke TF zijn er 1000den potentiële bindingsplaatsen overheen het menselijk genoom, maar
binden slechts op een kleine fractie door:
- Binding site moet toegankelijk zijn (open chromatine conformatie en geen direct contact
met nucleosomen)
- Combinatorial: verschillende TF binden tegelijkertijd en werken samen
TF herkennen een specifieke, korte DNA sequentie (4 – 9 nucleotiden lang) door gebruikt te maken
van een DNA -bindend domein dat motieven bevat die fysiek op DNA kunnen binden zoals zinc-
fingers of leucine zippers.
Structuren van TF die DNA kunnen binden:
- Zinc finger motif; zink dimeer kan binden op EW (2 cysteïnes kunnen de zink binden)
- Leucine zippers: op bepaalde afstanden van elkaar in een alfa-helix zitten leucines =
apolair kan interactie aan gaan met DNA
Er zijn ook proteïnen die transcriptie moduleren zonder te binden op DNA. Ze werken via een
proteïne-proteïne interactie die andere regulatorische proteïnen ondersteunen die wel direct op
DNA binden. Er zijn 2 types:
- Co-activatoren: enhance transcriptie
- Co-repressoren: down-regulate transcriptie
Sommige genen moeten tot expressie gebracht worden in alle cellen (=housekeeping genes), maar
de meeste zijn weefselspecifiek of specifiek voor een ontwikkelingsstadium.
Topologically associating domains (TADs)
• Stukjes van ons genoom waarbinnen alle interacties tussen enhancers/silencers en promotor
gebeuren voor dat bepaald gen
• Genomische regio die promotor enhancer interacties limiteert
• Afgebakend door boundaries
• Evolutionair geconserveerd tussen species
• Worden bepaald via genoomwijde interactie studies
• Correlatie met chromatine structuur domeinen
• Verklaren hoe deleties en inversies nabijgelegen genen buiten de deletie of inversie kunnen
beïnvloeden
• Stel dat een boundary weg valt, dan zou het kunnen dan enhancer van oranje deel nog
inwerkt op blauwe zone → foute expressie
4
