BIOTECHNOLOGIE SAMENVATTING
,Hoorcollege 1
Regulatie en modificatie genexpressie.
Leerdoelen:
• De mechanismen waarop RNA-transcriptie, RNA-processing en RNA interferentie wordt
gereguleerd schematisch uitwerken aan de hand van een voorbeeld (analyseren);
• Een experiment ontwerpen op basis van een hypothese over de werking van de regulatie
of modificatie van genexpressie (creeren).
DNA en eiwitsynthese.
Bacteriële cellen die hulpbronnen en energie kunnen besparen, hebben een selectief voordeel ten
opzichte van cellen die dat niet kunnen. Let wel: het plaatje rechtsboven is het proces van genexpressie
van een eukaryote cel, daarover later meer. Hier, linksboven op de afbeelding zijn twee metabole routes
weergegeven waarop ze kunnen worden gecontroleerd:
Een snelle fysiologische reactie: te zien op links: die berust op de gevoeligheid van veel enzymen voor
chemische signalen die hun katalytische activiteit verhogen of verlagen. De activiteit van het eerste
enzym in de route wordt geremd door het eindproduct van de route, in dit geval tryptofaan. Dus, als
tryptofaan zich ophoopt in de cel, stopt de synthese van meer tryptofaan door de enzymactiviteit te
remmen. Dit is negatieve feedback, op kortetermijnfluctuaties.
Cellen kunnen via een genetisch mechanisme het productieniveau van bepaalde enzymen aanpassen, zie
hiervoor het rechterdeel van hetzelfde plaatje: langdurige regulatie van enzymproductie door regulatie
van genexpressie: de expressie van genen kunnen ze reguleren die coderen voor de enzymen. Dit is dus
anders dan de net besproken kortdurende. Als de omgeving alle tryptofaan levert die de cel nodig heeft,
stopt de cel met maken van enzymen die tryptofaan katalyseren. De controle van de enzymproductie
,vindt plaats op het niveau van transcriptie, de synthese van boodschapper-RNA uit de genen die voor
deze enzymen coderen. Zie hier onder ingezoomd van het overzicht hierboven, dat controle van
enzymproductie op het niveau van transcriptie plaatsvindt.
Hier zie je dat RNA-polymerasen een
polynucleotide alleen in zijn 5ʹ → 3ʹ-
richting assembleren, en toevoegen aan
zijn 3ʹ-uiteinde.
In het rechter overzichtsplaatje is te zien op welke verschillende plekken genexpressie kan plaatsvinden,
zoals al eerder benoemd. De belangrijkste stadia in de genexpressie van een eiwitcoderend gen worden
belicht. Elke fase afgebeeld is een potentieel controlepunt waarop genexpressie kan worden in- of
uitgeschakeld, versneld of vertraagd. Veel genen hebben meer dan één controlepunt. De mechanismen
betrokken bij de regulatie van de genexpressie worden ook wel epigenetische mechanismen genoemd.
Door epigenetische veranderingen wordt de functie van een gen anders, zonder dat de DNA-code
verandert.
Eiwitsynthese, structuur en regulatie chromatine structuur.
Eiwitten delen drie boven elkaar geplaatste structuurniveaus: primaire, secundaire en tertiaire structuur.
Een vierde niveau, de quaternaire structuur, ontstaat wanneer een eiwit uit twee of meer
polypeptideketens bestaat. Een functioneel eiwit is niet zomaar een polypeptideketen, maar een of meer
polypeptiden zijn nauwkeurig gedraaid, gevouwen en opgerold tot een molecuul met een unieke vorm.
Eiwit is pas werkzaam in tertiaire of quaternaire structuur. Veel polypeptiden vouwen ‘’spontaan’’ tot
een actief eiwit. Chaperonines (eiwitten) helpen bij het op de juiste manier te vouwen bij verschillende
andere eiwitten.
, DNA van eukaryoten verpakt met eiwitten in een uitgebreid complex dat bekend staat als chromatine,
waarvan de basiseenheid het nucleosoom is. Zie hiervoor bovenste plaatjes. De structurele organisatie
van chromatine verpakt niet alleen het DNA van een cel in een compacte vorm die in de kern past, maar
helpt ook om genexpressie op verschillende manieren te reguleren. Dit hangt ook een beetje samen. Hoe
wordt hier verder uitgelegd. In de plaatjes hieronder vind je meer over de histonen en de directe rol bij
de regulatie van gentranscriptie.
De N-terminus, de aanduiding van het begin van een eiwit of een polypeptide, van elk histoneiwit in een
nucleosoom (wat hierboven behandeld is), steekt naar buiten uit het nucleosoom. Dit heten
histonstaarten. Histonen hebben een positieve lading, DNA een negatieve lading. Deze zijn toegankelijk
voor verschillende modificerende enzymen die de toevoeging of verwijdering van specifieke chemische
groepen katalyseren zoals: acetyl, methyl-en fosfaatgroepen.
Histonacetylering is dus het toevoegen van een acetylgroep aan een aminozuur in de histonstaart.
Histonacetylering lijkt de transcriptie te bevorderen door de chromatinestructuur te openen, terwijl de
toevoeging van methylgroepen aan histonen kan leiden tot de condensatie van chromatine en
verminderde transcriptie.
Acetylering met acetyl (-CH3CO) aan histonstaarten, welke
ervoor zorgt dat de histonstaart een andere lading krijgt
waardoor hij het DNA meer gaat afstoten en het DNA
ontrolt wordt uit het chromatine en beschikbaar komt voor
transcriptie. Dus acetylering zorgt ervoor dat de positieve
lading van histonen kleiner wordt dus dan trekt het minder
hard aan.
Methylering met methyl (-CH3) aan histonstaarten of aan
cytosine in het DNA (cytosine is een van de nucleobasen in
DNA en RNA). Dat kan zowel aan histonstaarten of cytosine nucleotide in het DNA. De methylgroep zorgt
ervoor dat er verschil in lading tussen het DNA en histonen groter wordt. Normaal, heeft DNA negatieve
lading, histonen een positieve lading, methylering zorgt er juist voor op de histonstaarten dat de
positieve lading groter wordt. Plus en min trekken elkaar aan, met als gevolg dat het elkaar nog strakker
aantrekt. Methylering aan het DNA geeft het zelfde effect, waarbij het aangetrokken wordt en het
chromatine harder zal oprollen.
Fosforylering met fosfaat (-PO43-) aan histonstaarten. Belangrijk om te weten hierbij is dat fosfaat de
methylering van de histonstaart teniet doet.
,Hoorcollege 1
Regulatie en modificatie genexpressie.
Leerdoelen:
• De mechanismen waarop RNA-transcriptie, RNA-processing en RNA interferentie wordt
gereguleerd schematisch uitwerken aan de hand van een voorbeeld (analyseren);
• Een experiment ontwerpen op basis van een hypothese over de werking van de regulatie
of modificatie van genexpressie (creeren).
DNA en eiwitsynthese.
Bacteriële cellen die hulpbronnen en energie kunnen besparen, hebben een selectief voordeel ten
opzichte van cellen die dat niet kunnen. Let wel: het plaatje rechtsboven is het proces van genexpressie
van een eukaryote cel, daarover later meer. Hier, linksboven op de afbeelding zijn twee metabole routes
weergegeven waarop ze kunnen worden gecontroleerd:
Een snelle fysiologische reactie: te zien op links: die berust op de gevoeligheid van veel enzymen voor
chemische signalen die hun katalytische activiteit verhogen of verlagen. De activiteit van het eerste
enzym in de route wordt geremd door het eindproduct van de route, in dit geval tryptofaan. Dus, als
tryptofaan zich ophoopt in de cel, stopt de synthese van meer tryptofaan door de enzymactiviteit te
remmen. Dit is negatieve feedback, op kortetermijnfluctuaties.
Cellen kunnen via een genetisch mechanisme het productieniveau van bepaalde enzymen aanpassen, zie
hiervoor het rechterdeel van hetzelfde plaatje: langdurige regulatie van enzymproductie door regulatie
van genexpressie: de expressie van genen kunnen ze reguleren die coderen voor de enzymen. Dit is dus
anders dan de net besproken kortdurende. Als de omgeving alle tryptofaan levert die de cel nodig heeft,
stopt de cel met maken van enzymen die tryptofaan katalyseren. De controle van de enzymproductie
,vindt plaats op het niveau van transcriptie, de synthese van boodschapper-RNA uit de genen die voor
deze enzymen coderen. Zie hier onder ingezoomd van het overzicht hierboven, dat controle van
enzymproductie op het niveau van transcriptie plaatsvindt.
Hier zie je dat RNA-polymerasen een
polynucleotide alleen in zijn 5ʹ → 3ʹ-
richting assembleren, en toevoegen aan
zijn 3ʹ-uiteinde.
In het rechter overzichtsplaatje is te zien op welke verschillende plekken genexpressie kan plaatsvinden,
zoals al eerder benoemd. De belangrijkste stadia in de genexpressie van een eiwitcoderend gen worden
belicht. Elke fase afgebeeld is een potentieel controlepunt waarop genexpressie kan worden in- of
uitgeschakeld, versneld of vertraagd. Veel genen hebben meer dan één controlepunt. De mechanismen
betrokken bij de regulatie van de genexpressie worden ook wel epigenetische mechanismen genoemd.
Door epigenetische veranderingen wordt de functie van een gen anders, zonder dat de DNA-code
verandert.
Eiwitsynthese, structuur en regulatie chromatine structuur.
Eiwitten delen drie boven elkaar geplaatste structuurniveaus: primaire, secundaire en tertiaire structuur.
Een vierde niveau, de quaternaire structuur, ontstaat wanneer een eiwit uit twee of meer
polypeptideketens bestaat. Een functioneel eiwit is niet zomaar een polypeptideketen, maar een of meer
polypeptiden zijn nauwkeurig gedraaid, gevouwen en opgerold tot een molecuul met een unieke vorm.
Eiwit is pas werkzaam in tertiaire of quaternaire structuur. Veel polypeptiden vouwen ‘’spontaan’’ tot
een actief eiwit. Chaperonines (eiwitten) helpen bij het op de juiste manier te vouwen bij verschillende
andere eiwitten.
, DNA van eukaryoten verpakt met eiwitten in een uitgebreid complex dat bekend staat als chromatine,
waarvan de basiseenheid het nucleosoom is. Zie hiervoor bovenste plaatjes. De structurele organisatie
van chromatine verpakt niet alleen het DNA van een cel in een compacte vorm die in de kern past, maar
helpt ook om genexpressie op verschillende manieren te reguleren. Dit hangt ook een beetje samen. Hoe
wordt hier verder uitgelegd. In de plaatjes hieronder vind je meer over de histonen en de directe rol bij
de regulatie van gentranscriptie.
De N-terminus, de aanduiding van het begin van een eiwit of een polypeptide, van elk histoneiwit in een
nucleosoom (wat hierboven behandeld is), steekt naar buiten uit het nucleosoom. Dit heten
histonstaarten. Histonen hebben een positieve lading, DNA een negatieve lading. Deze zijn toegankelijk
voor verschillende modificerende enzymen die de toevoeging of verwijdering van specifieke chemische
groepen katalyseren zoals: acetyl, methyl-en fosfaatgroepen.
Histonacetylering is dus het toevoegen van een acetylgroep aan een aminozuur in de histonstaart.
Histonacetylering lijkt de transcriptie te bevorderen door de chromatinestructuur te openen, terwijl de
toevoeging van methylgroepen aan histonen kan leiden tot de condensatie van chromatine en
verminderde transcriptie.
Acetylering met acetyl (-CH3CO) aan histonstaarten, welke
ervoor zorgt dat de histonstaart een andere lading krijgt
waardoor hij het DNA meer gaat afstoten en het DNA
ontrolt wordt uit het chromatine en beschikbaar komt voor
transcriptie. Dus acetylering zorgt ervoor dat de positieve
lading van histonen kleiner wordt dus dan trekt het minder
hard aan.
Methylering met methyl (-CH3) aan histonstaarten of aan
cytosine in het DNA (cytosine is een van de nucleobasen in
DNA en RNA). Dat kan zowel aan histonstaarten of cytosine nucleotide in het DNA. De methylgroep zorgt
ervoor dat er verschil in lading tussen het DNA en histonen groter wordt. Normaal, heeft DNA negatieve
lading, histonen een positieve lading, methylering zorgt er juist voor op de histonstaarten dat de
positieve lading groter wordt. Plus en min trekken elkaar aan, met als gevolg dat het elkaar nog strakker
aantrekt. Methylering aan het DNA geeft het zelfde effect, waarbij het aangetrokken wordt en het
chromatine harder zal oprollen.
Fosforylering met fosfaat (-PO43-) aan histonstaarten. Belangrijk om te weten hierbij is dat fosfaat de
methylering van de histonstaart teniet doet.
