1. Gene Expression and Regulation Hoofdstuk 10 2010/2011

2. genexpressie Deel 1 2

3. Waarcoderengenenvoor? Hoe codeert DNA voorcellen & lichamen? 3 eiwit cel lichaam DNA

4. Het “CentraleDogma” Stroom van genetischeinformatiein eencel Hoe vervoeren we informatie van DNA naareiwitten? 4 transcriptie translatie RNA protein DNA eigenschap replicatie

5. Metabolismegeeft het antwoord Erfelijkheid van stofwisselingsziekten suggereertdatgenencoderenvoorenzymen elkeziekte (fenotype) wordtveroorzaakt door eenniet-functioneelgenprodukt gebrekaaneenenzym Tay-Sachs PKU (phenylketonuria) albinisme 5 A B C D E ziekte ziekte ziekte ziekte metabole pathway     enzym1 enzym2 enzym3 enzym4

6. Beadle & Tatum 6 één gen : éénenzymhypothese George Beadle Edward Tatum "for their discovery that genes act by regulating definite chemical events"

7. Röntgenstraling Wild-type Neurospora asexuele sporen Minimaal medium Groeien op een compleetmedium sporen Selecteereen spore Testen op eenminimaal mediumom de mutatieaantetonen Groeien op een compleetmedium Minimaal medium verrijkt met Choline Minimale controle Pyridoxine Riboflavin Nucleic acid Arginine Niacin Inositol Folic acid p-Amino benzoic acid Thiamine Beadle & Tatum creëer een mutatie positievecontrole negatievecontrole mutatiegevonden! experimenten supplementen 7

8. Van gen tot eiwit aa a a a a ribosoom aa a aa aa aa aa kern cytoplasma transcriptie translatie eiwit mRNA DNA eigenschap 8

9. Transcriptie 9

10. RNA ribose suiker N-basen uracilin plaats van thymine U : A C : G enkelestreng verschillendesoorten RNAs mRNA, tRNA, rRNA, siRNA… 10 transcriptie RNA DNA

11. Transcriptie mRNA maken gekopieerde DNA streng = template streng niet- gekopieerde DNA streng = coderende streng zelfde basenvolgorde als RNA synthese van een complementaire RNA streng enzym RNA polymerase 11 coderendestreng 3 C C G G A A T T 5 A G A A A C G T T T T C A T C G A C T DNA 3 C T G A A 5 T G C C G G A U U T C ontwinden 3 C G G A A T opwinden mRNA template streng RNA polymerase 5 RNA bouwen 53

12. Welk gen wordtgelezen? Promoter regio bindingsplaatsvlakvoor de start van het gen TATA box bindingsplaats bindingsplaatsvoorRNA polymerase 12

13. Paren van DNA & RNA basen 13 RNA polymerase A C U PaarRNAbasenaanDNAbasen op een van de DNA strengen G A G G U C U U G C A C A U A G A C U A 5' 3' G C C A A G G G G G G T T A C A C T T T T T C C C C A A

14. 14 intron = niet-coderend exon = coderend Eukaryotischegenenhebbenjunk! Eukaryotischegenenbestaanuitexonen en intronen exon= het echte gen DNA wat tot expressiekomt intron= “rotzooi” ligttussenexonenin eukaryotischeDNA

15. mRNA splicing EukaryotischmRNA moetnogverderbewerktworden primairetranscript = pre-mRNA mRNA splicing intronenverwijderen 15 intron = niet-coderend exon = coderend ~10,000 basen DNA pre-mRNA ~1,000 basen mRNA

16. Alternatievesplicing Alternatieve mRNA’s geproduceeerduithetzelfde gen wanneer is eenintroneenintron… 16

17. 3' poly-A tail 3' A A A A A mRNA 50-250 A’s 5' cap P P P 5' G Eenlaatstebewerking… mRNA moetbeschermdwordentegen het milieu in het cytoplasma enzymenin cytoplasmavallen mRNA aan bescherm de uiteinden van het molecuul toevoeging5 GTP cap toevoegingpoly-A staart 17

18. Van gen tot eiwit aa a a a a ribosoom aa a aa aa aa aa kern cytoplasma transcriptie translatie eiwit mRNA DNA eigenschap 18

19. Translatie 19

20. 20 TACGCACATTTACGTACGCGG DNA AUGCGUGUAAAUGCAUGCGCC mRNA MetArgValAsnAlaCysAla eiwit ? Hoe codeertmRNA vooreiwitten? 4 ATCG 4 AUCG 20

21. mRNA codeert in tripletten 21 TACGCACATTTACGTACGCGG DNA AUGCGUGUAAAUGCAUGCGCC mRNA AUGCGUGUAAAUGCAUGCGCC mRNA codon Met ArgValAsnAlaCysAla eiwit ?

22. Kraken van de code Crick beschreef het 3-letter (triplet) codon systeem Nirenberg & Khorana beschreven de RNA–aminozuur koppeling voegden kunstmatig mRNA toe aan een reageerbuis met ribosomen, tRNA & aminozuren er werd UUUUUUU… mRNA gevormd dit leidde tot de vorming van phenylalanine 22 WHYDIDTHEREDBATEATTHEFATRAT WHYDIDTHEREDBATEATTHEFATRAT

25. Van gen tot eiwit aa a a a a ribosoom aa a aa aa aa aa kern cytoplasma transcriptie translatie eiwit mRNA DNA eigenschap 25

26. Structuur Transfer RNA “Klaverblad” structuur anticodonop het uiteinde van het “klaverblad” aminozuur op 3 26

27. Ribosomen MakenkoppelingtussentRNAanticodonen het mRNA codonmogelijk organel of enzym? Structuur ribosomaalRNA (rRNA) & eiwitten 2 subunits groot klein E P A 27

28. A site (aminoacyl-tRNA site) tRNA met nieuweaminozuur P site (peptidyl-tRNA site) tRNA met groeiendepolypeptide (eiwit) keten E site (exit site) legetRNAverlaat het ribosoomvanaf de exitsite Ribosomen Met C A U 5' G U A 3' A P E 28

29. Eeneiwitbouwen 1 2 3 Initiatie samenbrengen van mRNA, rRNA en tRNA Elongatie aminozurentoevoegen, gebaseerd op de codonvolgorde Terminatie stop codon release factor Leu Val Ser Met Met Ala Leu Met Met Leu Leu Trp tRNA C A G C A G C C A A C G A G U C C A C A U A U U U A A A G 5' 5' A 5' C U A U 5' G A A G A G U G U U U C U U G C A C 3' U G G A U A U A A C C mRNA 3' 3' 3' A A U U G G 3' P E A 29

30. RNA polymerase DNA aminozuren exon intron tRNA pre-mRNA 5' GTP cap mRNA poly-A tail 3' grote subunit polypeptide 5' tRNA kleine subunit E P A 30 ribosoom

31. Bacterial chromosome Eiwitsynthesein prokaryoten Transcription mRNA Cell membrane Cell wall

32. Prokaryotenvs. Eukaryoten intron= niet-coderend exon = coderend Prokaryoten DNA in cytoplasma circulairchromosoom “naakt” DNA geenintron Eukaryoten DNA in kern lineairchromosoom DNA gewondenomhistonen intron vs. exon eukaryotisch DNA 32

33. Transcriptie& translatiegelijktijdigin bacteriën DNA in cytoplasma geenmRNA bewerking ribosomenlezenmRNA terwijltranscriptienogbezig is Translatiein Prokaryoten 33

34. Translatie: prokaryotenvs. eukaryoten 34

35. Mutaties Deel 2 35

36. Mutaties Puntmutaties 1 base verandert substitutie silentmutatie hetzelfdeaminozuur missensemutatie anderaminozuur nonsensemutatie verandering in stop codon 36

37. Sikkelcelanemie 37

38. Sikkelcelanemie 38

39. Mutaties Frameshift insertie toevoeging base(n) deletie verlies base(n) 39

40. Cystic fibrosis Meest voorkomende autosomaalrecessieve aandoening in W-Europa 1 op 2500 normale allel codeert voor een membraaneiwit dat Cl- over het membraan transporteert defect of afwezig kanaal beperkt het transport van Cl- (& H2O) over het membraan dik en plakkerig slijm rondom cellen met name in alvleesklier, longen, maag-darmstelsel leidt tot bacteriële infecties zonder behandeling <5 jaarmet behandeling >20 jaar 40

41. Deletieleidt tot CF delta F508 41

42. Genregulatie prokaryoten Deel 3 42

43. Bacterieel metabolisme Bacteriën moeten snel reageren op veranderingen in hun omgeving als ze genoeg van een bepaald product hebben moeten ze de productie stoppen waarom? zonde van de energie om meer te maken hoe? productie stoppen van het product als ze een nieuwe voedselbron vinden moeten ze die snel benutten waarom? metabolisme, groei, reproductie hoe? productie starten van de benodigde enzymen UIT AAN 43

44. Regulerenmetabolisme? 44 - - = inhibitie Feedback inhibitie product werktalseenrem op 1eenzym in de tryptofaanproductie maarwaaromüberhauptenzymenproduceren?

45. Anderemanier van regulatie 45 - - - = inhibitie Genregulatie in plaats van het enzymblokkerenkanook de transcriptie van de enzymengeblokkeerdworden kost minder energie

46. Genregulatiein bacteriën Cellen variëren de hoeveelheid enzymen door gentranscriptie te reguleren schakel genen aan of schakel genen uit Voorbeeld 1als bacteriën genoeg tryptofaan hebben stoppen ze met het maken van enzymen die tryptofaan maken Voorbeeld 2als een bacterie een nieuwe suiker tegenkomt (bv. lactose), dan zal het enzymen moeten maken om lactose te verteren 46 STOP GO

47. Bacteriëngroeperengenen Operon genen met vergelijkbarefunctiegegroepeerd bijvoorbeeld:all enzymenin eenmetabolic pathway promoter = RNA polymerase bindingsplaats éénpromoter bepaalt de transcriptie van allengenen in het operon operator = DNA bindingsplaatsvooreenrepressoreiwit 47

48. Uitschakelen van genen? Repressoreiwit bindtaan de operator blokkeert RNA polymerase blokkeerttranscriptie 48

49. RNA polymerase RNA polymerase Operon model Operon: operator, promoter & genen die zijreguleren een model voorgenregulatie 49 repressor repressor 1 2 3 enzym1 enzym2 enzym3 enzym4 4 promoter = repressoreiwit operator gen1 gen2 gen3 gen4 DNA TATA mRNA

50. Wanneerereenovermaat van tryptofaan is bindtditaan het tryprepressor eiwit : repressor bindtaanDNA blokkeerttranscriptie trp RNA polymerase RNA polymerase Repressibleoperon: tryptofaan 50 repressor repressor repressor enzym1 enzym2 enzym3 enzym4 1 2 3 4 promoter repressoreiwit operator tryptofaan trp trp trp trp trp trp trp trp trp tryptofaan– repressoreiwit complex gen1 gen2 gen3 gen4 DNA TATA mRNA trp vormverandering in het repressoreiwit! trp

51. Tryptofaanoperon 51 Tryptofaanis eenallosterische regulator van het repressoreiwit

52. Als lactose aanwezig is bindt et aan het lacrepressoreiwit& zorgtervoordat de respressorloskoppelt van het DNA start transcriptie Inducibleoperon: lactose 52 RNA polymerase RNA polymerase repressor repressor repressor enzym1 enzym2 enzym3 enzym4 1 2 3 4 promoter repressoreiwit operator lactose lac lac lac lac lac lac lac lactose – repressoreiwit complex lac gen1 gen2 gen3 gen4 DNA TATA mRNA lac vormverandering in het repressoreiwit! lac

53. Lactose operon 53 Lactose is eenallosterischeregulator van het repressoreiwit

54. Samenvattingoperon Repressible operon doorgaansbetrokkenbijanabolisme maken van producten als het product voldoendeaanwezig is gebruikt de celzijnenergievoorandereprocessen Inducible operon doorgaansbetrokkenbijkatabolisme afbreken van voedingsstoffentot kleineremoleculen enzymenwordenalleengeproduceerdals de voedingsstofaanwezig is voorkomtdatenzymengemaaktworden die nietstedoenhebben 54

55. Einde

56. Opdracht A. Verzin zelf een nucleotidenvolgorde van een stuk dubbelstrengs DNA waarin een start- en stopcodon zit. Neem in je DNA sequentie ook een promoter en een terminator op. De term ‘sequentie’ betekent nucleotidenvolgorde. i Op de coderende streng vind je het startcodon terug als ATG ii Gebruik TAA als stopcodon op de coderende streng iii Zorg dat het stuk tussen start- en stopcodon voor zes aminozuren codeert. iv Gebruik als promotorsequentie op de coderende streng: TAATAT. De transcriptie start 10 nucleotiden na deze sequentie. v Gebruik als terminatorsequentie op de coderende streng: CTGGCGGC. De transcriptie stopt 2 nucleotiden na deze sequentie. vi Let op: vanaf de plek waar transcriptie start volgen eerst een aantal willekeurige nucleotiden voordat je het startcodon tegenkomt. Hetzelfde geldt voor aan het einde van het gen. Na het stopcodon volgen een aantal willekeurige nucleotiden, voordat de terminator het einde van transcriptie aangeeft. B. Schrijf onder de DNA sequentie de mRNA volgorde. C. Geef met pijltjes aan waar de translatie begint en eindigt. 56