Regulering av gentranskripsjon

1. Regulering av gentranskripsjon Winnie Eskild, IMBV 2004

2. Regulering av gentranskripsjon • Et bakteriegenom har ca 4000 gener mens det humane genomet antas å omfatte 40-50.000 gener • For begge arter gjelder at ikke alle gener uttrykkes til enhver tid • En gitt menneskecelle antas å uttrykke ca 1/10 av genomet • Gener uttrykkes i svært varierende mengde i sterkt varierende tidsrom • Behovet for et gitt genprodukt vil også variere over tid • Cellen trenger et kontrollapparat til å styre ekspresjonen av genene sine • Ser man på gener for proteiner vil cellen ha behov for å regulere både proteinmengde og -aktivitet

3. Kontroll av genekspresjon foregår på flere nivåer Det er minst syv nivåer for kontrol av genekspresjon: 1) Transkripsjon 2) Posttranskripsjonell modifikasjon 3) mRNA degradering 4) Translasjon 5) Posttranslasjonell modifikasjon 6) Proteindegradering 7) Proteinlokalisering Av disse er transkripsjonreguleringen den vi vet mest om

4. Regulebare trinn i genekspresjonen • Transkripsjon • Posttranskripsjonell modifikasjon • mRNA degradering • Translasjon • Posttranslasjonell modifikasjon • Protein degradering • Protein lokalisering

5. Regulering av transkripsjon • Vanligste måte å kontrollere genekspresjon • Effektivt for cellen. Det lages ikke noe som ikke trengs • Genekspresjon kan ses på som en flertrinns reaksjonsvei • Reaksjonsveier reguleres oftest i første trinn; energibesparende • Regulering av transkripsjonsinitiering er blant de viktigste måtene å regulere transkripsjon

6. Forskjellige gener uttrykkes ulikt Noen gener uttrykkes hele tiden, f.eks gener for enzymer i glykolysen Andre gener uttrykkes sjelden, kanskje bare én gang/cellesyklus

7. Forskjellige gener uttrykkes ulikt Gener som uttrykkes hele tiden kalles ofte husholdningsgener Gener som uttrykkes hele tiden kalles konstitutive Mengden som uttrykkes kan variere noe

8. Forskjellige gener uttrykkes ulikt Regulerte gener er gener som utrykkes av og til. Induserbare geners regulering består hovedsaklig i økt ekspresjon Represserbare geners regulering består hovedsaklig i hemming

9. Husholdningsgener/Regulerte gener Husholdningsgener Uttrykkes konstitutivt Regulerte gener Induserte/represserte

10. Transkripsjonsregulering = DNA/protein interaksjon • Regulering av transkripsjonsinitiering er ofte regulering av interaksjon mellom en genpromoter og RNA-polymerase • Prokaryote gener har -10, -35- og UP elementene • Forskjellige promoterelementer har varierende grad av likhet med konsensus sekvensen • Svak promoter: stor forskjell til konsensus sekvensen vil ofte bety svak interaksjon med RNA-pol. og dermed mindre hyppig initiering av transkripsjonen. Dette fører til mindre genprodukt • Sterk promoter: stor likhet med konsensus sekvensen vil føre til hyppig initiering av transkripsjonen. Dette fører til mere genprodukt

11. Spesifisitetsfaktorer • Ekspresjon av husholdningsgener kontrolleres av promoteren • Regulerte gener har i tillegg regulatoriske elementer. Her bindes regulatoriske proteiner som enten øker eller reduserer ekspresjonen • Begge gentyper kan ha spesifisitetselementer. Her bindes -faktorer av forskjellig type • 70 bindes best til de mest vanlige genenes promotere i bakterien • 32 induseres etter varmesjokk og binder til promoterene i gener som koder for ”heat shock” proteiner • Forskjellige faktorer selekterer forskjellige grupper av gener. Disse har ofte en felles funksjon som f.eks beskyttelse mot denaturering

12. Negativ regulering • Operator er et regulerende DNA-element nær/innen promoteren • Binding av hemmer hindrer RNA polymerasens interaksjon med promoteren => ingen transkripsjon • Binding av hemmer reguleres av en effektor • Effektor kan hemme eller indusere binding til operator avhengig av genet

13. Positiv regulering • Stimulatorer bindes til DNA-elementer som kalles ”enhancere”. Disse er ofte nær promotere • Stimulatorer øker interaksjonen mellom RNA-polymerase og promoter • Finnes ofte ved svake promotere • Binding av signalmolekyle til stimulatoren kan enten forårsake binding eller dissosiasjon fra DNA • Noen stimulatorer er bundet til sitt målgen under normale forhold og dissosieres bare under spesielle forhold • Andre er normalt ikke bundet men blir istand til å binde seg når et gitt signalmolekyle er tilstede

14. Operoner • Proteiner som deltar i samme reaksjonsvei/prosess er ofte lokalisert samlet i genomet • Alle gener i en slik gengruppe transkriberes samtidig • I bakterier har gengruppen felles promoter og transkriberes i ét langt sammenhengende transkript • Herved fås polysistronisk mRNA: mange gener på samme transkript • Alle genene i gruppen, promoteren og andre regulerende sekvenser kalles samlet for et operon • 2-6 gener/operon er vanligst men 20 eller flere ses også

15. Lac-operon • Lac-operon har en svak promoter. Den er underlagt både positiv og negativ regulering • Lac-operon koder for 3 gener: -galactosidase, galactose permease og thiogalactosid transacetylase. Når disse uttrykkes kan bakterien leve av laktose alene • -galactosidase koder for et enzym som spalter laktose i galaktose og glukose. I tillegg isomeriserer det laktose til allolaktose • Galaktose permease koder for en permease (transportør) som fører galaktose over cellemembranen • Thiogalaktosid transacetylases funksjon er ennå ikke kjent

16. Lac-operon • Gen I koder for en hemmer av lac-operon. Dette genet har egen promoter • Hemmeren hemmer ekspresjon av lac-operon genene ved å binde seg til operatorer • Den binder seg primært til operator O1 og i tillegg enten O2 eller O3

17. Lac-operon • Binding av hemmer til to operatorer medfører dannelse av en DNA-løkke som hindrer RNA-polymerases inter-aksjon med promoteren • Hemming reduserer ekspresjonen til 0,1% av det som ses uten hemming • Binding av hemmer til bare hovedoperatoren, O1 => 100 ganges reduksjon av ekspresjonen • Selv ved full hemming er det en liten ekspresjon av lac-genene

18. Lac-operon • Når bakteriene tilføres laktose opphører hemmingen • Laktose isomeriseres til allolaktose av -galaktosidase og binder seg til hemmeren • Hemmeren endrer komformasjon ved binding av allolaktose og dissosierer fra operatoren • Opphør av hemming => 1000 øking av ekspresjonen • Lac-promoteren er svak så dette er ikke tilstrekkelig hvis bakterien skulle leve av laktose alene

19. Lac-operon • cAMP reseptor protein = CRP • Lac-operon har et DNA-element som binder en positiv regulator, CRP • CRP kontrolleres av glukose • Bakterier lever vanligvis av glukose. Tilgang på laktose endrer ikke på genekspresjonen med mindre glukose fjernes • I fravær av glukose øker cAMP-nivået intracellulært i bakterien

20. Lac-operon • Når bakterien bare gis laktose som næringssubstrat uttrykkes Lac-operon • Laktose => hemmeren dissodierer fra operatoren; transkripsjonen øker 1000 X • Fravær av glukose => cAMP øker og CRP binder seg til CRP-setet • Binding av CRP => transkripsjonen øker ytterligere 50 X • CRP-setet og operator er uavhengige • Høy laktose og høy glukose gir ingen cAMP og da har CRP ingen effekt

21. Regulon • cAMP og cAMP reseptor protein (CRP) deltar i reguleringen av andre operoner f.eks. slike som koder for gener som deltar i metabolisme av andre sakkarider • En hel gruppe av operoner er altså i en viss grad regulert av cAMP og CRP • En slik gruppe av operoner kalles for et regulon • Operonene i et regulon har altså det til felles av de reguleres av samme forbindelser