Download control of gene expression

Neuron & limfocita (ellenanyag termelés)
Vörös vértestek (haemoglobin termelés)
Hasnyálmirigy B sejtek: insulin
A sejtek: glukagon
ezekben a sejtekben
ugyanazok a gének találhatóak,
a különbségek pedig a génexpresszióra
vezethetők vissza.
A multicelluláris organizmusok sejtjei azonos DNS-t (genomot) tartalmaznak
birka,
szarvasmarha,
disznó,
kecske,
egér
Különféle sejtek eltérő expressziós mintázatot mutatnak.
each type of tumor has a characteristic gene expression pattern
DNA microarray
Differences in mRNA expression patterns
among different types of human cancer cells.
The mRNA levels of 1800 selected genes
(arranged top to bottom) were determined
for 142 different human tumors (arranged left to right),
each from a different patient.
Each small red bar indicates that the given gene
in the given tumor is transcribed at a level significantly
higher than the average across all the cell lines.
Each small green bar indicates a less-than-average
expression level, and each black bar denotes
an expression level that is close to average
across the different tumors.
Különféle sejtek eltérő expressziós mintázatot mutatnak.
Fehérjék szintjén 2-D fehérje gél-elfo.
the proteins have been separated by molecular weight (top to bottom) and isoelectric point,
the pH at which the protein has no net charge (right to left).
The protein spots artificially colored red are common to both samples; those in blue are
specific to one of the two tissues.
The differences between the two tissue samples vastly outweigh their similarities:
even for proteins that are shared between the two tissues, their relative abundance is usually different.
Note that this technique separates proteins both by size and charge;
therefore a protein that has, for example, several different phosphorylation states
will appear as a series of horizontal spots (see upper right-hand portion of right panel).
A sejtek képesek megváltoztatni expressziós mintázatukat
külső ingerek hatására.
ehezés/fizikai terhelés
Glükokortikoidok
máj sejtekben: tirozin-aminotranszferáz szintézise fokozódik
tirozin
glükóz
zsír sejtekben: tirozin-aminotranszferáz alíg fejeződik ki
Az expresszió több szinten is regulálható.
1960-as évek: a géneket ki/be lehet kapcsolni – paradigma,
E. coli kísérletek
Eukarióták: kromatin szerkezet
promoter
5’
r
rr
RNS-pol
IS
ORF
r - regulátor DNS – szekvenciák (10 bp -10 kb szakasz; több száz féle)
RNS-pol RNS – polimeráz II. kötőhely (50bp-nyi szakasz)
IS - transzkripciós iniciációshely
3’
promoter
5’
r
rr
RNS-pol
IS
ORF
3’
r - regulátor DNS – szekvenciák (10 bp -10 kb szakasz; több száz féle)
RNS-pol RNS – polimeráz II. kötőhely (50bp-nyi szakasz)
IS - transzkripciós iniciációshely
A gén - szabályzó fehérjék hozzákapcsolódnak
a regulátor DNS szekvenicákhoz
-különféle g-r fehérjék különféle DNS-szekvenciákat ismernek fel;
-g-r fehérjék a DNS nagy árkában helyezkednek el;
- g-r fehérjék molekuláris kölcsönhatásokat (hidrogén-, ionos-kötések,
hidrofób interakciók) létesítenek nukleotidák bázisaival;
- habár az egyedi molekuláris kölcsönhatások gyengék, általában
20 DNS – fehérje közti interakció stabilizálja és specifikussá teszi a kölcsönhatást;
- ezek a kölcsönhatások nem eredményezik a komplementer DNS-szálak
közti H-hídak felbomlását;
DNS-kötő doménjeik révén
a gén - szabályó fehérjék hozzákapcsolódnak
a regulátor DNS szekvenicákhoz
Baktériumok : - genom 4,6 x106 bp / 4300 gén;
- génexpresszió és tápanyag források
Triptofán operon
triptofán
represszor
The clustered genes in E. coli that code for enzymes that manufacture the amino acid tryptophan.
These five genes are transcribed as a single mRNA molecule, a feature that allows their expression
to be controlled coordinately.
Triptofán operon
triptofán
represszor
The binding of tryptophan to the tryptophan repressor protein changes the conformation of the repressor.
The conformational change enables this gene regulatory protein to bind tightly to a specific DNA sequence
(the operator), thereby blocking transcription of the genes encoding the enzymes required to produce tryptophan
(the trp operon). The three-dimensional structure of this bacterial helix-turn-helix protein, as determined
by x-ray diffraction with and without tryptophan bound, is illustrated.
Tryptophan binding increases the distance between the two recognition helices in the homodimer,
allowing the repressor to fit snugly on the operator.
(Adapted from R. Zhang et al., Nature 327:591–597, 1987.)
promoter-közeli régiókhoz kötődnek
és segítik az RNS-polimeráz II megkötését,
majd a hatékony transzkripciót
CAP
CAP
cAMP
CAP
cAMP
A magas cAMP koncentráció jelzi a baktériumnak,
hogy a glükóz koncentrációja alacsony a sejtben,
és ennek következtében olyan gének lesznek bekapcsolva,
amelyek más cukor molekulák degradációjában működnek közre.
A lac-operon működését a lac represszor és a CAP aktivátor szabályozza
A lac-operon azokat az enzimeket kódolja, amelyek a laktóz diszaharid importjáért és elbontásáért felelősek.
Glükóz
mint
preferált
C-forrás
The mechanisms by which gene regulatory proteins control
gene transcription in procaryotes.
(A) Negative regulation; (B) positive regulation. Note that the addition of an “inducing” ligand can turn on a gene
either by removing a gene repressor protein from the DNA (upper left panel) or by causing a gene activator protein to
bind (lower right panel). Likewise, the addition of an “inhibitory” ligand can turn off a gene either by removing
a gene activator protein from the DNA (upper right panel) or by causing a gene repressor protein to bind (lower left
panel).
Az eukarióta transzkripció szabályozása összetett.
4 alapvető különbség van a prokariota és eukariota transzkripciós reguláció között:
Prokariotákban egy RNS-polimeráz van, míg az eukariotákban három,
RNS-polimeráz I: rRNS gének;
RNS-polimeráz II: fehérje-kódoló gének és kis RNS gének (spliceosome-ban lévők);
RNS-polimeráz III: t-RNS gének, 5S rRNS gének, kis RNS gének
A bakteriális RNS-polimeráz önmagában képes a transzkripció iniciációjára,
azonban az eukarioták esetében az RNS-polimerázoknak szükségük van
un. általános transzkripciós faktorokra.
A baktériumokban az aktivátor és represszor molekulák kizárólag a promoterközeli elemekhez kötődnek. Az eukariotákban a promoter-közeli elemeken kívül
számos és igencsak távoli szabályzó szekvencia létezik, amelyekhez ezek
hozzá kötődhetnek, végtelen számú regulációs mechanizmust eredményeznek.
Az eukariota transzkripció iniciációja során ki kell csomagolni a kromatin szerkezetet
Az eukarioták RNS-polimeráz II.
általános transzkripciós faktorai
TATA-box majdnem minden eukariota promoterben megtalálható.
TBP
TATA-box
DNS
lokális
disztorziója
Transzkripciós iniciációs komplex összeszerelése
RNS-polimeráz II megkezdi a transzkripciót, néhány
transzkriptet processzáló fehérjét magával visz.
Transzkripciós iniciációs komplex disszociációja
Az eukariota transzkripció cisz szabályzása
Az RNS polimeráz II a maximális transzkripció sebesség eléréséhez
három cisz elemet, promotert, promoter-közeli és enhanszer silencer elemeket igényli.
Transzkripciós
iniciációs komplex
GC-box
CCAAT-box
RNS polimeráz II
kezdő-komplex
Promoter- közeli elemek
regulátor DNS – szekvenciák
(10 bp -10 kb szakasz; több száz féle)
Promoter
A transzkripció transz szabályozása
•Transz-ható transzkripciós faktorok (TAF-ok). Sok ismert.
•Enhanszerekhez vagy a promoterhez kötődnek, segítik az RNS
polimeráz II kezdő-komplex kialakulását.
•Az élesztő TAF-ok két tagja, a GCN4 és a GAL4 nevezetes. A GCN4
aminosav bioszintetikus utak génjeit aktiválja. Aminosav éhezéskor a
GCN4 mennyisége megnő, ami fokozza a szabályzott gének
transzkripcióját.
•GAL4 a galaktóz metabolizmus TAF-ja. Két doménből, DNS kötő és
aktiváló doménből áll. Jól ismert, 17 nukleotid hosszú UAS-hez
kötődik.
Az eukariota transzkripció iniciálásában távoli genomikus régiók (enhanszer
és silencer) is szerepet játszanak aktivátor és represszor fehérjék révén.
Enhancerek/silencerek
up- és/vagy downstream
is elhelyezkedhetnek.
Kromatin kihurkolás révén
az enhancer/silencerek
gén-reguláló fehérjéi
közvetlenül
a promoter régióra
fejtik ki hatásukat.
Az enhancer/silencerek gén-reguláló fehérjéi kromatin fehérjék révén
befolyásolhatják a kromatin szerkezetét, azaz a promoter regió hozzáférhetőségét
az RNS-polimeráz II és az általános transzkripciós faktorok esetébén.
A promoter regió kromatin szerkezete befolyásolja a transzkripció iniciációját
A nukleoszómák
gátolják
a transzkripciót,
ha a promoter-régió
közvetlenül
felettük
helyezkedik el.
A transzkripció
szabályzó
apparátusa.
kombinációs kontroll
Sejtmemória:
a differenciáció során a génexpressziós mintázat szigorúan szabályzott.
tranziens génexpresszió szabályozása ideiglenes jellegű
ehezés/fizikai terhelés
day-to-day
regulation
of cell function
Glükokortikoidok
máj sejtekben: tirozin-aminotranszferáz szintézise fokozódik
tirozin
glükóz
zsír sejtekben: tirozin-aminotranszferáz alíg fejeződik ki
Ugyanaz az aktivátor vagy represszor
több gén transzkripcióját
is szabályozhatja
A glükokortikoid receptor
mint több gén
transzkripciós szabályzó fehérjéje
és sejtdifferenciáció
Myoblasztok fúziója
Myo D
izomsejt
Fibroblasztok
Myo D
aktin,
myozin,
ion csatorna,
receptor
gének
és sejtdifferenciáció
Különféle gén-reguláló fehérjék kombinációja
többféle sejt típust eredményez
Egy adott sejt génexpressziós mintázata átörökíthető az útodsejtekre.
differenciálódott sejtek
Sima izomsejtek,
fibroblasztok,
hepatociták
képesek osztódni és átörökíteni ….
a positive feedback loop
can create cell memory
A fő transzkripciós regulátor
fehérje saját génexpresszióját
is szabályozza.
Az expressziós mintázat
atörökítése a kromatin
szerkezete révén
(X kromoszóma inaktivació)
A szervképződést egyetlen gén-reguláló fehérje kiválthatja.
Ey mint gén-reguláló fehérje
számos más gén expresszióját szabályozza,
amelyek a szem kialakulásáért felelősek.
A transzkripcós apparátuson kívül néhány tényező jelentős
hatással lehet a transzkripció eredményességére.
1. A kódoló DNS szakasz metilálása (5-metilcitozin)
megakadályozza a transzkripciót.
2. Az mRNS stabilitása befolyásolja a géntermék mennyiségét.
Például a poliA farok stabilizálja a mRNS-t. Rövid féléletidejű
mRNS-ek 3’ végén jellegzetes sorrendek ismerhetők fel, pl.
A(U)nA ismétlődések jelentősen csökkentik a fél-élettartamot.
The story of eve (even-skipped).
Examples of the phenotypes of mutations affecting the three types of segmentation genes.
In each case the areas shaded in green on the normal larva (left) are deleted in the mutant
or are replaced by mirror-image duplicates of the unaffected regions.
Anterior – posterior polaritás
A petesejt citoplazmája nem homogén!
The nonuniform distribution of four gene regulatory proteins in an early Drosophila embryo.
At this stage the embryo is a syncytium, with multiple nuclei in a common cytoplasm.
Although not illustrated in these drawings, all of these proteins are concentrated in the nuclei.
7 reguláló modul a promoter-közeli régióban
Minden modul eltérő DNS szekvenciával rendelkezik
és a négy GAP-fehérje
koncentráció-gradíensének megfelelő kombinációja
aktiválja egyedileg az eve gént a paraszegmentekben.
Experiment demonstrating the modular construction of the eve gene regulatory region.
(A) A 480-nucleotide-pair piece of the eve regulatory region was removed and inserted
upstream of a test promoter that directs the synthesis of the enzyme β-galactosidase.
(B) When this artificial construct was reintroduced into the genome of Drosophila embryos,
the embryos expressed β-galactosidase (detectable by histochemical staining)
precisely in the position of the second of the seven Eve stripes
(C) The seven Eve stripes.
The nuclei are exposed directly to positional cues
in the form of concentrations of gene regulatory proteins
Distribution of the gene regulatory proteins responsible for ensuring that eve is expressed in stripe 2. The distributions of these proteins were
visualized by staining a developing Drosophila embryo with antibodies directed against each of the four proteins The expression of eve in stripe 2
occurs only at the position where the two activators (Bicoid and Hunchback) are present and the two repressors (Giant and Krüppel) are absent. In
fly embryos that lack Krüppel, for example, stripe 2 expands posteriorly.
The eve gene itself encodes a gene regulatory protein, which, after its pattern of expression is set up in seven stripes, regulates the expression of
other Drosophila genes. As development proceeds, the embryo is thus subdivided into finer and finer regions that eventually give rise to the
different body parts of the adult fly.
2 unit. The segment of the eve gene control region identified in the previous figure contains
encoded by the even-skipped (eve) gene in a developing Drosophila embryo. Two and one