Samenvatting voor biologie: Genregulatie en interactie met (a)biotische factoren

Wat is genregulatie?

Zoals je weet, zijn eiwitten ontzettend belangrijk voor het functioneren van cellen. Iedere cel bevat een kopie van het volledige erfelijk materiaal. Je kunt je voorstellen dat een huidcel heel andere eiwitten nodig heeft om te functioneren dan bijvoorbeeld een zenuwcel. Toch bevatten ze dus beide hetzelfde DNA met daarop de informatie die nodig is om eiwitten te maken. Er is dus een proces nodig wat ervoor zorgt dat sommige delen van het DNA wel, en andere delen van het DNA niet worden afgelezen. Zo wordt bepaald welke eiwitten worden geproduceerd. Dit proces heet genregulatie. Je zou dus kunnen zeggen dat genregulatie bepaalt welke genen tot uiting komen in het fenotype. Het tot uiting komen van genen in het fenotype wordt genexpressie genoemd. Genregulatie bepaalt dus de genexpressie.

Hoe gaat dat precies in zijn werk? We beginnen met genregulatie van prokaryoten: eencellige organismen zonder celkern.

Organisatie genregulatie prokaryoten

Zoals je weet, wordt het deel van DNA dat codeert voor een eiwit een gen genoemd. Langs genen vindt de transcriptie, het omschrijven van DNA naar mRNA, plaats. Officieel behoort ook het stukje code dat ervoor zorgt dat de transcriptie stopt, het stop-codon, tot een gen. Een belangrijk deel van de factoren die beïnvloeden welke genen worden afgelezen, bevindt zich rond het gen.

Genregulatie werkt verschillend voor eukaryoten (organismen met een celkern) en prokaryoten (eencellige organismen zonder celkern). Laten we kijken naar een stuk DNA met daarop een gen van een prokaryoot. Let op: dit deel van de uitleg kun je zien in de video hierboven.

Het ziet er misschien ingewikkeld uit maar we gaan er stap voor stap doorheen en dan zal je het zeker begrijpen.

Helemaal links zie je het regulatorgen. Zo’n gen wordt een regulatorgen genoemd omdat het de genexpressie van andere genen reguleert. Je ziet al dat een regulator gen codeert voor een eiwit. Dit wordt het regulator eiwit genoemd. In dit geval is het regulator eiwit waar het regulatorgen voor codeert een repressor. Wat die precies doet, komen we zo op terug. Verschillende invloeden hebben effect op welke regulatorgenen geactiveerd worden. Dat kunnen invloeden zijn uit de omgeving maar ook signaalstoffen uit andere cellen in de buurt.

Rechts naast het regulatorgen zie je de promotor. Zoals je ziet bindt RNA-polymerase aan de promotor. RNA-polymerase is het enzym dat zorgt voor de aanmaak van mRNA. Zo bepaalt de promotor waar het startpunt ligt voor de transcriptie.

Weer rechts daarvan zit de operator. De operator is de plaats waar regulatoreiwitten kunnen binden aan het DNA. Weet je de repressor nog? Waarvoor werd gecodeerd door het regulatorgen? Nou, die repressor bindt in dit geval bij de operator. Als een repressor aan de operator bindt, dan kan RNA-polymerase minder goed binden aan de promotor. Daardoor vindt er dus geen transcriptie plaats.

De operator is een voorbeeld van een cis-element. Een cis-element is een gedeelte van DNA wat genexpressie reguleert en op dezelfde chromosoom van het DNA ligt als het gen dat gereguleerd wordt. Het tegenovergestelde van een cis-element is een trans-element. Een trans element is een DNA sequentie die de regulatie van verschillende genen op beide chromosomen kan beïnvloeden. De regulatorgen is dus een trans-element.

Weer rechts daarvan zie je de structuurgenen. Hierlangs vindt dus de transcriptie plaats. In prokaryoten liggen genen die coderen voor ‘samenwerkende’ producten vaak naast elkaar in het genoom, achter een gezamenlijke promotor en andere regulatie-onderdelen. Daarom wordt er in prokaryoten gesproken van structuurgenen in plaats van gewoon een gen.

In het kort: in prokaryoten vindt genregulatie plaats via elementen die voor het gen zitten. Er zijn regulatorgenen die coderen voor activerende of remmende regulator eiwitten. Die eiwitten binden bij de operator aan het DNA en dat heeft invloed op hoe goed RNA-polymerase aan de promotor kan binden. Zo beïnvloeden de regulator eiwitten de transcriptie van structuurgenen.

Organisatie genregulatie in eukaryoten

In eukaryoten werkt het net een beetje anders. Het gedeelte van DNA rondom een gen heeft bij eukaryoten namelijk geen operator. En de regulatoreiwitten die worden gecodeerd door regulatorgenen, worden hier transcriptiefactoren genoemd. Transcriptiefactoren kunnen dus werken als een activator of een als een repressor. De transcriptiefactoren binden aan enhancer regio’s. Dat zijn specifieke sequenties in het DNA. Bij eukaryoten is er ook sprake van een promotor. Dat is het gedeelte van het DNA waar RNA polymerase aan bindt. Als andere transcriptiefactoren binden aan de promotor, kan de transcriptie beginnen.

Rol van transcriptiefactoren in genregulatie

De regulatoreiwitten in prokaryoten zorgen voor een betere of minder goede binding van RNA polymerase met de promotor. In eukaryoten zijn er meer manieren waarop transcriptiefactoren een rol kunnen spelen in de genregulatie. Zo kunnen ze effect hebben op de binding van Histon eiwitten op het DNA. Deze eiwitten kapselen het DNA in, waardoor het DNA niet meer toegankelijk is voor transcriptie.

Nucleosomen

Deze inkapseling is georganiseerd in nucleosomen. Als DNA zich om acht histon eiwitten heen gewikkeld heeft, ontstaat er zo’n nucleosoom. Een nucleosoom is dus de combinatie van een stuk DNA en 8 histon eiwitten. Het DNA in een nucleosoom kan niet worden afgelezen. Verschillende enzymen kunnen het nucleosoom verplaatsen, waardoor de genen die ingekapseld zaten vrijkomen voor transcriptie en andere genen juist ‘uitgeschakeld’ zijn. Behalve reguleren welke genen afgelezen kunnen worden, zorgen nucleosomen er ook voor dat het DNA, dat wel 2 meter lang is, zo is opgevouwen dat het in een celkern past.

DNA-methylering

De inkapseling van genen door histon eiwitten is een voorbeeld van een epigenetische factor. Epigenetisch komt van epigenetica, daarmee worden de duurzame en daardoor erfelijke veranderingen in de schakelaars die de genen aan of uitzetten bedoeld. Een voorbeeld is dus de inkapseling van genen door histonen. Verder valt onder de epigenetische factoren de DNA-methylering. DNA-methylering is een van de manieren waarop genen “uitgeschakeld” kunnen worden, doordat de transcriptie kan worden geblokkeerd.

Zoals net al benoemd, zijn epigenetische factoren erfelijk. Via epigenetische factoren heeft de omgeving dus invloed op het erfelijke materiaal. Wat er in het leven van een ouder gebeurt, heeft daarom effect op de genregulatie van een nakomeling.

RNA interferentie

Een andere manier waarop in eukaryoten de genregulatie plaatsvindt, is via RNA interferentie. Zoals je weet wordt DNA omgeschreven naar enkelstrengs mRNA, wat dan weer aan de basis ligt van de translatie naar het eiwit. Wanneer er in een cel minder van een bepaald eiwit nodig is, kan het mRNA van dat eiwit worden geblokkeerd. Dan wordt er een complex gemaakt van een eiwit met daaraan een enkelstrengse RNA sequentie, die complementair is aan de sequentie van het RNA dat geblokkeerd moet worden. Wanneer dit complex bindt aan het mRNA, kan er geen translatie meer plaatsvinden. Het eiwit wordt dan dus niet meer gemaakt.

Oké, we hebben gezien dat het lichaam verschillende manieren heeft om de mate waarin een gen tot expressie komt te controleren. Maar er zijn ook factoren die dit dynamische proces kunnen verstoren. Laten we kijken naar een voorbeeld van hoe mutagene factoren, dingen die mutaties veroorzaken, de genregulatie kunnen verstoren.

Effecten van mutagene factoren

We bespreken het effect van mutaties op genregulatie aan de hand van een voorbeeld met een groot effect. In dit geval kan het namelijk kanker veroorzaken. Proto-oncogenen zijn genen die een regulerende rol hebben bij celgroei, cel differentiatie, celdeling en celdood. Door mutatie kan een proto-oncogen in een oncogen veranderen: een gen dat kanker kan veroorzaken. Zelfs relatief kleine mutaties kunnen een verhoogde genexpressie van proto-oncogenen als gevolg hebben, wat aanleiding kan geven tot het ontstaan van kankers: onbeperkte celdeling.

Het ontstaan van tumoren door onbeperkte celdeling wordt tegengegaan door een tumorsuppressorgen. Het eiwit dat door dit gen gecodeerd wordt, heeft namelijk een remmende invloed op de celdeling.

Genetische technieken om genregulatie te beïnvloeden

We hebben besproken dat mutaties het proces van genregulatie kunnen verstoren. Als de genregulatie wordt beïnvloed, worden de eiwitten van bepaalde genen meer of minder gemaakt. Verschillende wetenschappelijke technieken maken gebruik van dit mechanisme. We bespreken er twee.

cDNA

cDNA staat voor complementair DNA. Het is complementair aan een stuk mRNA dat codeert voor een gen. Dit is verkregen via reverse transcriptie. Waar bij transcriptie DNA omgezet wordt in RNA, gebeurt bij reverse transcriptie het omgekeerde. RNA wordt door het enzym reverse transcriptase omgezet in cDNA.

Omdat na splicing het RNA geen niet-coderende stukken meer bevat, bestaat cDNA ook alleen uit coderend DNA. Daardoor kan cDNA gebruikt worden om genen in te brengen bij prokaryoten. Prokaryoten kunnen namelijk niet splicen: de niet coderende stukken uit mRNA halen. Via cDNA kunnen prokaryoten genen krijgen van eukaryoten, en daarmee de eigenschappen die bij die genen horen.

Gene-knockout

De tweede techniek die invloed heeft op de genregulatie is de gene-knockout. Zoals de naam al doet vermoeden, wordt bij deze techniek een gen onbruikbaar gemaakt. Het wordt gebruikt om onderzoek te doen naar het effect van een gen.

Door de jaren heen zijn er verschillende methoden ontwikkeld om genen knock out te krijgen. Gene knockout is dus eigenlijk een verzamelnaam voor al die methoden. De nieuwste methode hiervoor maakt gebruik van gids RNA, wat complementair is aan precies dat gen dat knock-out gemaakt moet worden. Het gids RNA zit vast aan een eiwit (genaamd Cas9), wat vervolgens een knip maakt in het gen. Door die knip wordt het gen onbruikbaar. Zo kan heel specifiek het effect van het uitschakelen van één gen worden onderzocht.

Samenvattend

Hiermee zijn we aan het einde gekomen van deze video over genregulatie. We hebben besproken dat genregulatie het proces is dat de aanmaak van eiwitten regelt door de transcriptie of translatie van genen te beïnvloeden. In prokaryoten bepalen regulator eiwitten hoe goed RNA-polymerase aan DNA kan binden. In eukaryoten zijn er ook activerende of de activerende eiwitten, namelijk transcriptiefactoren. Andere mechanismen in eukaryoten zijn epigenetische factoren en RNA interferentie. Invloeden van buitenaf hebben effect op het dynamische proces van genregulatie. Zo kunnen signaalstoffen de activering van regulatorgenen bepalen en mutaties verstoren het proces. Als laatste hebben we gezien hoe wetenschappers met moderne technieken genregulatie heel specifiek wetenschappers beïnvloeden.

1. Voedselrelaties en symbiose