Hoofdstuk 08: Control of Gene Expression
RNA & Origine van het leven:
Oorsprong van het leven: RNA kan informatie opslaan en als katalysator fungeren.
• Leven heeft autocatalyse nodig
• RNA kan zowel informatie opslaan als chemische reacties katalyseren
• RNA wordt gedacht eerder dan DNA in de evolutie voor te komen
Overzicht van gen-expressie:
Verschillende cellen in ons lichaam hebben heel verschillende eigenschappen, maar hetzelfde genoom → differentiële
genexpressie.
Bewijs hetzelfde genoom: experimenten met nucleaire overdracht → genoom van een volwassen gedifferentieerde cel is pluripotent (kan
aanleiding geven tot een heel organisme), Techniek kan ook in zoogdieren, nadeel is bestaan mutaties. Plantencellen kunnen dedifferentiëren,
→ één enkele cel kan een hele plant voortbrengen.
RNA-sequencing:
1. Isolatie van mRNA – mRNA-moleculen worden geëxtraheerd uit een biologisch monster.
2. Fragmentatie – Het mRNA wordt in kleine stukjes geknipt om efficiënte sequencing mogelijk te maken.
3. Omgekeerde transcriptie – mRNA wordt omgezet in complementair DNA (cDNA).
4. Sequencing – De cDNA-fragmenten worden geanalyseerd door een high-throughput sequencing platform.
5. Data-analyse & Mapping – De gegenereerde sequenties worden vergeleken met een referentiegenoom en
geëvalueerd om genexpressiepatronen te bepalen.
Elk niveau van genexpressie kan worden gecontroleerd:
• Huishoudelijke eiwitten → geproduceerd door alle cellen.
• Gespecialiseerde eiwitten → geproduceerd tijdens celdifferentiatie of als reactie op stimuli.
Samenvatting: overzicht van genexpressie
• Verschillende celtypen van een meercellig organisme bevatten hetzelfde DNA
• Verschillende celtypen produceren verschillende sets eiwitten
• Een cel kan de expressie van zijn genen veranderen als reactie op externe signalen
• Genexpressie kan in verschillende stappen worden gereguleerd, van DNA naar RNA naar eiwit
Transcription switches: transcriptie-regulatoren
Honderden transcriptie-regulatoren in bacteriën en duizenden in eukaryoten. Transcriptionele regulatoren herkennen specifieke DNA-
sequenties om transcriptie aan en uit te zetten
Belangrijke soorten transcriptie-regulatoren:
• Homeodomain:
o Bestaat uit DNA-binding domain en 3 α-helixen.
o Binden aan major groove van DNA
• Leucine Zipper:
o Hydrofobe interacties tussen op juiste afstand van elkaar geplaatste leucines houden twee parallelle α-helices bij elkaar (coiled coils).
o Bind DNA als dimeer (herhalende sequentie) → verhoogde specificiteit (langere herkende sequentie) en verhoogde bindingsaffiniteit
(grotere bindinsinterface)
• Zinc Finger Domain:
o Zijketen van arginine kan guanine herkennen
1|Page
,Transcription-switches: Operons
Een operon (prokaryoot) codeert voor een set eiwitten die betrokken zijn bij één
metabole route en die transcriptioneel worden aangestuurd door één promotor.
Typen operons:
• Onderdrukbaar operon:
o Operon waarbij transcriptie geremd wordt door de repressor gebonden
aan corespressor (tryptofaan)
o VB: Trp-operon
• Induceerbaar operon:
o Operon waarbij transcriptie geïnduceerd wordt door inductor
o VB: Lac-operon
Tryptofaan-operon:
• Tryptofaanoperon codeert voor 5 enzymen die betrokken
zijn bij de synthese van het aminozuur tryptofaan.
• Tryptofaan-operon wordt gereguleerd door een repressor:
o Tryptofaanrepressor: een allosterisch eiwit, constitutief
tot expressie gebracht
• Tryptofaan reguleert de transcriptie van het operon:
o Laag tryptofaan → operon staat aan
o Hoog tryptofaan → operon staat uit
Lactose-operon:
Lac-operon: een logische bewerking, die aan twee voorwaarden (glucose
afwezig en lactose aanwezig) moet worden voldaan om het in te schakelen voor
lactosehydrolyse.
• Invloed glucose:
o Glucose aanwezig → geen cyclisch AMP
o Glucose afwezig → wel cyclisch AMP
• Invloed lactose:
o Lactose aanwezig → geen lac repressor
o Lactose afwezig → wel lac repressor
Transcriptionele activatoren bevorderen de binding van RNA-polymerase aan een "zwakke" promotor.
Transcription switches: Eukaryotische transcriptie-controle
In eukaryoten wordt transcriptie nauwkeurig geregeld door activatoren, repressoren en
complexe interacties tussen verschillende factoren.
Belangrijke elementen van transcriptiecontrole:
• Enhancers: DNA-sequenties die activator-eiwitten binden en de transcriptie sterk
beïnvloeden, vaak over lange afstanden via chromosoom-looping.
• Repressoren: Eiwitten die aan DNA binden om transcriptie te voorkomen, via
diverse mechanismen.
• Combinatorische controle: Transcriptie wordt bepaald door de gecombineerde werking van meerdere regulatoren, waaronder mediators,
algemene transcriptiefactoren, chromatine-remodeling complexen en histon-modificerende enzymen.
Mechanismen die transcriptie verhogen:
• Histon-acetylering (op lysine): bevordert losser chromatine, waardoor genen toegankelijker worden.
• Chromatine-decondensatie: Opent de DNA-structuur, waardoor transcriptiefactoren makkelijker kunnen binden.
2|Page
, Transcription switches: Eukaryotische transcriptie-controle
Transcriptierepressors:
Repressors kunnen transcriptie op verschillende manieren onderdrukken:
• Directe DNA-binding: voorkomt activatie van genexpressie.
• Histon-deacetylase (HDAC): verwijdert acetylgroepen van histonen, waardoor chromatine compacter wordt en transcriptie moeilijker
plaatsvindt.
• Chromatine-remodeling complexen (CRC): herschikken nucleosomen om DNA minder toegankelijk te maken.
• DNA-methyltransferase: voegt methylgroepen toe aan DNA, wat kan leiden tot langdurige genonderdrukking.
Chromatine Remodeling:
• Histon-acetylering: opent chromatine, waardoor transcriptiefactoren toegang krijgen tot DNA.
• Nucleosoom herschikking: maakt promotors en enhancers toegankelijk voor regulatoire eiwitten.
Transcriptie-initiatiemodel:
1. Activatoren binden aan DNA en rekruteren chromatine-remodeling complexen en histon-acetyltransferasen (HATs).
2. Chromatine wordt geopend, waardoor de core promotor en regulerende sequenties blootgelegd worden.
3. Andere activatoren binden enhancers en promoter-proximale elementen, terwijl DNA looping mediators en activatoren laat
interageren.
4. Generieke transcriptiefactoren en RNA-polymerase assembleren op mediator en koppelen aan de core promotor, waardoor
transcriptie start.
Samenvatting: Transcriptional Switches
• Transcriptieregulatoren binden aan regulerende DNA-sequenties
• Transcriptionele schakelaars stellen cellen in staat te reageren op veranderingen in hun omgeving
• Repressoren schakelen genen uit en activatoren schakelen ze aan
• Een activator en een repressor controleren het lac-operon
• Eukaryotische transcriptieregulatoren controleren genexpressie op afstand
• Eukaryotische transcriptieregulatoren helpen bij het initiëren van transcriptie door chromatine-modificerende eiwitten te rekruteren
Mechanismen voor gespecialiseerde cellen: Combinatorische controle
Individuele activator → per activator geeft 1 unit van transcriptie; Combinatie → per activator geeft 100 units van transcriptie.
Ruimtelijke en temporele controle van genexpressie:
• Bepaalde DNA-sequenties reguleren genexpressie op specifieke plaatsen in het lichaam en op specifieke tijdstippen.
• In de fruitvlieg reguleert Even-skipped (Eve) de embryonale ontwikkeling via ongeveer 20 transcriptiefactoren die binden aan verspreide
regulerende sequenties.
Combinatorische controle van genexpressie:
• Eén gen kan door meerdere enhancers gereguleerd worden.
• In eukaryoten kunnen meerdere genen tegelijk worden aan- of uitgezet door één transcriptiefactor.
• Vier transcriptiefactoren (giant, hunchback, bicoid en krüppel) reguleren de expressie van Eve in een
specifiek deel van het embryo (streep 2).
Transdifferentiatie en regeneratieve geneeskunde:
• Combinaties van transcriptiefactoren kunnen verschillende celtypes genereren tijdens de ontwikkeling.
• Yamanaka-factoren (Oct4, Sox2, Klf4) kunnen levercellen herprogrammeren tot neuronachtige cellen.
• Dit proces wordt gebruikt in regeneratieve geneeskunde om beschadigde weefsels te herstellen.
3|Page
RNA & Origine van het leven:
Oorsprong van het leven: RNA kan informatie opslaan en als katalysator fungeren.
• Leven heeft autocatalyse nodig
• RNA kan zowel informatie opslaan als chemische reacties katalyseren
• RNA wordt gedacht eerder dan DNA in de evolutie voor te komen
Overzicht van gen-expressie:
Verschillende cellen in ons lichaam hebben heel verschillende eigenschappen, maar hetzelfde genoom → differentiële
genexpressie.
Bewijs hetzelfde genoom: experimenten met nucleaire overdracht → genoom van een volwassen gedifferentieerde cel is pluripotent (kan
aanleiding geven tot een heel organisme), Techniek kan ook in zoogdieren, nadeel is bestaan mutaties. Plantencellen kunnen dedifferentiëren,
→ één enkele cel kan een hele plant voortbrengen.
RNA-sequencing:
1. Isolatie van mRNA – mRNA-moleculen worden geëxtraheerd uit een biologisch monster.
2. Fragmentatie – Het mRNA wordt in kleine stukjes geknipt om efficiënte sequencing mogelijk te maken.
3. Omgekeerde transcriptie – mRNA wordt omgezet in complementair DNA (cDNA).
4. Sequencing – De cDNA-fragmenten worden geanalyseerd door een high-throughput sequencing platform.
5. Data-analyse & Mapping – De gegenereerde sequenties worden vergeleken met een referentiegenoom en
geëvalueerd om genexpressiepatronen te bepalen.
Elk niveau van genexpressie kan worden gecontroleerd:
• Huishoudelijke eiwitten → geproduceerd door alle cellen.
• Gespecialiseerde eiwitten → geproduceerd tijdens celdifferentiatie of als reactie op stimuli.
Samenvatting: overzicht van genexpressie
• Verschillende celtypen van een meercellig organisme bevatten hetzelfde DNA
• Verschillende celtypen produceren verschillende sets eiwitten
• Een cel kan de expressie van zijn genen veranderen als reactie op externe signalen
• Genexpressie kan in verschillende stappen worden gereguleerd, van DNA naar RNA naar eiwit
Transcription switches: transcriptie-regulatoren
Honderden transcriptie-regulatoren in bacteriën en duizenden in eukaryoten. Transcriptionele regulatoren herkennen specifieke DNA-
sequenties om transcriptie aan en uit te zetten
Belangrijke soorten transcriptie-regulatoren:
• Homeodomain:
o Bestaat uit DNA-binding domain en 3 α-helixen.
o Binden aan major groove van DNA
• Leucine Zipper:
o Hydrofobe interacties tussen op juiste afstand van elkaar geplaatste leucines houden twee parallelle α-helices bij elkaar (coiled coils).
o Bind DNA als dimeer (herhalende sequentie) → verhoogde specificiteit (langere herkende sequentie) en verhoogde bindingsaffiniteit
(grotere bindinsinterface)
• Zinc Finger Domain:
o Zijketen van arginine kan guanine herkennen
1|Page
,Transcription-switches: Operons
Een operon (prokaryoot) codeert voor een set eiwitten die betrokken zijn bij één
metabole route en die transcriptioneel worden aangestuurd door één promotor.
Typen operons:
• Onderdrukbaar operon:
o Operon waarbij transcriptie geremd wordt door de repressor gebonden
aan corespressor (tryptofaan)
o VB: Trp-operon
• Induceerbaar operon:
o Operon waarbij transcriptie geïnduceerd wordt door inductor
o VB: Lac-operon
Tryptofaan-operon:
• Tryptofaanoperon codeert voor 5 enzymen die betrokken
zijn bij de synthese van het aminozuur tryptofaan.
• Tryptofaan-operon wordt gereguleerd door een repressor:
o Tryptofaanrepressor: een allosterisch eiwit, constitutief
tot expressie gebracht
• Tryptofaan reguleert de transcriptie van het operon:
o Laag tryptofaan → operon staat aan
o Hoog tryptofaan → operon staat uit
Lactose-operon:
Lac-operon: een logische bewerking, die aan twee voorwaarden (glucose
afwezig en lactose aanwezig) moet worden voldaan om het in te schakelen voor
lactosehydrolyse.
• Invloed glucose:
o Glucose aanwezig → geen cyclisch AMP
o Glucose afwezig → wel cyclisch AMP
• Invloed lactose:
o Lactose aanwezig → geen lac repressor
o Lactose afwezig → wel lac repressor
Transcriptionele activatoren bevorderen de binding van RNA-polymerase aan een "zwakke" promotor.
Transcription switches: Eukaryotische transcriptie-controle
In eukaryoten wordt transcriptie nauwkeurig geregeld door activatoren, repressoren en
complexe interacties tussen verschillende factoren.
Belangrijke elementen van transcriptiecontrole:
• Enhancers: DNA-sequenties die activator-eiwitten binden en de transcriptie sterk
beïnvloeden, vaak over lange afstanden via chromosoom-looping.
• Repressoren: Eiwitten die aan DNA binden om transcriptie te voorkomen, via
diverse mechanismen.
• Combinatorische controle: Transcriptie wordt bepaald door de gecombineerde werking van meerdere regulatoren, waaronder mediators,
algemene transcriptiefactoren, chromatine-remodeling complexen en histon-modificerende enzymen.
Mechanismen die transcriptie verhogen:
• Histon-acetylering (op lysine): bevordert losser chromatine, waardoor genen toegankelijker worden.
• Chromatine-decondensatie: Opent de DNA-structuur, waardoor transcriptiefactoren makkelijker kunnen binden.
2|Page
, Transcription switches: Eukaryotische transcriptie-controle
Transcriptierepressors:
Repressors kunnen transcriptie op verschillende manieren onderdrukken:
• Directe DNA-binding: voorkomt activatie van genexpressie.
• Histon-deacetylase (HDAC): verwijdert acetylgroepen van histonen, waardoor chromatine compacter wordt en transcriptie moeilijker
plaatsvindt.
• Chromatine-remodeling complexen (CRC): herschikken nucleosomen om DNA minder toegankelijk te maken.
• DNA-methyltransferase: voegt methylgroepen toe aan DNA, wat kan leiden tot langdurige genonderdrukking.
Chromatine Remodeling:
• Histon-acetylering: opent chromatine, waardoor transcriptiefactoren toegang krijgen tot DNA.
• Nucleosoom herschikking: maakt promotors en enhancers toegankelijk voor regulatoire eiwitten.
Transcriptie-initiatiemodel:
1. Activatoren binden aan DNA en rekruteren chromatine-remodeling complexen en histon-acetyltransferasen (HATs).
2. Chromatine wordt geopend, waardoor de core promotor en regulerende sequenties blootgelegd worden.
3. Andere activatoren binden enhancers en promoter-proximale elementen, terwijl DNA looping mediators en activatoren laat
interageren.
4. Generieke transcriptiefactoren en RNA-polymerase assembleren op mediator en koppelen aan de core promotor, waardoor
transcriptie start.
Samenvatting: Transcriptional Switches
• Transcriptieregulatoren binden aan regulerende DNA-sequenties
• Transcriptionele schakelaars stellen cellen in staat te reageren op veranderingen in hun omgeving
• Repressoren schakelen genen uit en activatoren schakelen ze aan
• Een activator en een repressor controleren het lac-operon
• Eukaryotische transcriptieregulatoren controleren genexpressie op afstand
• Eukaryotische transcriptieregulatoren helpen bij het initiëren van transcriptie door chromatine-modificerende eiwitten te rekruteren
Mechanismen voor gespecialiseerde cellen: Combinatorische controle
Individuele activator → per activator geeft 1 unit van transcriptie; Combinatie → per activator geeft 100 units van transcriptie.
Ruimtelijke en temporele controle van genexpressie:
• Bepaalde DNA-sequenties reguleren genexpressie op specifieke plaatsen in het lichaam en op specifieke tijdstippen.
• In de fruitvlieg reguleert Even-skipped (Eve) de embryonale ontwikkeling via ongeveer 20 transcriptiefactoren die binden aan verspreide
regulerende sequenties.
Combinatorische controle van genexpressie:
• Eén gen kan door meerdere enhancers gereguleerd worden.
• In eukaryoten kunnen meerdere genen tegelijk worden aan- of uitgezet door één transcriptiefactor.
• Vier transcriptiefactoren (giant, hunchback, bicoid en krüppel) reguleren de expressie van Eve in een
specifiek deel van het embryo (streep 2).
Transdifferentiatie en regeneratieve geneeskunde:
• Combinaties van transcriptiefactoren kunnen verschillende celtypes genereren tijdens de ontwikkeling.
• Yamanaka-factoren (Oct4, Sox2, Klf4) kunnen levercellen herprogrammeren tot neuronachtige cellen.
• Dit proces wordt gebruikt in regeneratieve geneeskunde om beschadigde weefsels te herstellen.
3|Page
