GENER, genregulering, og genfamilier 1-A, H-11 Forelesning 21.11.11 Frank Skorpen, Institutt for Laboratoriemedisin, Barne- og Kvinnesykdommer, DMF, NTNU Gener Kromosom, kromatin og DNA Hva er et gen? Hvor mange gener har vi? Struktur og funksjon Genregulering Transkripsjon Signalaktivering Geners regulatoriske områder Transkripsjonsfaktorer Genfamilier Hovedmekanismer for utvikling Eksempler I hver celle i kroppen finnes over 2 m med DNA. DNA finnes i cellekjernen, og noe i mitokondrier. For å få plass er DNA tett pakket i høyere-ordens strukturer Hollow tube: 300 nm i diameter Solenoid: 30 nm i diameter 1
Kromosomer består av DNA og protein Chromatin fiber: 10 nm i diameter Nukleosom DNA dobbel-helix ca 2 nm i diameter I hver celle i kroppen finnes 2,16m med DNA! Dette skal få plass i cellekjernen, med diameter ~5µm. Hvor mye DNA er det i en stud.med.? 1 AU = 149597871 km (~150 mill km) 2
144 x 150 mill km 21.600 mill km!. DNA dobbel-tråden holdes sammen av bindinger mellom basepar (A:T og G:C) Met -Leu -Gly Gener er organisert som perler på en snor langs kromosomene. Den gamle definisjonen: Segment av genomisk DNA som koder for en polypeptidkjede eller spesifiserer et funksjonelt RNA molekyl. En nyere (mer upresis) definisjon: Segment av genomisk DNA eller RNA som utfører en bestemt funksjon. Trenger ikke være transkribert eller translatert. 3
Press Releases: 14th April 2003 Humane genom Nukleære genom 3.3 milliarder baser Mitokondrielle genom 16.600 baser 37 gener ~25% ~75% Gener og genrelaterte sekvenser DNA utenfor gener ~ 10% ~ 90% Kodende DNA (~2.5% av tot.) Ikke-kodende DNA Mennesket har ca. 25.000 gener Drosophila melanogaster 13.601 Caenorhabditis elegans 19.099 Human ~25.000 ~100.000 forskj. proteiner 4
Gener består av exons og introns 5 Promoter Exon Intron Exon Intron Exon 3 EXON : kodende DNA INTRON : ikke-kodende DNA PROMOTER: område for binding av transkripsjonsfaktorer og RNA polymerase Promoter Intron 5 Exon Exon Exon 3 Pre-mRNA 5 3 5 cap AAAAAA-3 Fjerning av introns, Spleising av exons mrna 5 cap AAAAAA-3 CYTOPLASMA Alternativ spleising av exons åpner for produksjon av flere ulike proteiner fra samme gen. 5 Exon 3 mrna Protein 5 -cap AAA-3 A A 5 -cap AAA-3 B B 5 -cap AAA-3 C C 5
Ikke alle gener koder for protein mrna : messenger RNA; koder for aminosyrene i et polypeptid trna : transfer RNA; bringer aminosyrene til ribosomer under translasjon rrna ; ribosomal RNA; del av ribosom (som oversetter mrna til polypeptid) snrna : small nuclear RNA; danner komplekser med proteiner (eks. i spleiseproteiner ) Alle celler i kroppen inneholder de samme genene. Likevel inneholder ulike celletyper ulike sett av proteiner. Celletype 1 Celletype 2 Gener Alle celler i kroppen inneholder de samme genene. Likevel inneholder ulike celletyper ulike sett av proteiner. Celletype 1 Celletype 2 Gener Proteiner 6
Alle celler i kroppen inneholder de samme genene. Likevel inneholder ulike celletyper ulike sett av proteiner. Celletype 1 Celletype 2 Gener Proteiner Ulike celletyper uttrykker ulike sett av gener. Typisk, til enhver tid er bare 3-5% av alle genene i bruk. Gener er ikke aktive hele tiden, men kan slås på av en rekke ulike signaler CELLULÆRE FORHOLD Regulering av gen-uttrykk YTRE FAKTORER G1 M S G2 TRANSKRIPSJON Hormoner/vekstfaktorer Sol-lys Berøring Smerte Næringsstoffer/ vitaminer Betennelse Virus Organiske/uorganiske signalmolekyler Eksempel på overføring av ytre signaler til cellekjernen Lipofile molekyler 7
Gen-uttrykket kan kontrolleres på minst 5 nivåer 1 2 3 4 5 Dominerende nivå Geners regulatoriske områder 5 Promoter Intron GEN Exon 3 AKTIVATORER (~6-12 bp) -200-50 Distale Proximale ENHANCER ELEMENTER TATA -25 CORE PROMOTER Start +1 Transkripsjonsfaktorer (aktivatorer) har minst tre funksjonelle domener Aktiveringsdomene P P Transkripsjonsfaktorer foreligger som oftest i en inaktiv form, og blir aktivert av signaler. Transkripsjonsmaskineri Dimeriseringsdomene eks.: - fosforylering - binding av ligand L L L T G C C G G C A DNA-bindingsdomene Når signalet opphører inaktiveres transkripsjonsfaktoren. 8
Transkripsjonsfaktorer (aktivatorer) har minst tre funksjonelle domener Aktiveringsdomene Transkripsjonsfaktorer foreligger som oftest i en inaktiv form, og blir aktivert av signaler. Dimeriseringsdomene eks.: - fosforylering - binding av ligand L L L T G C C G G C A DNA-bindingsdomene Når signalet opphører inaktiveres transkripsjonsfaktoren. Eksempel på klasser av transkripsjonsfaktorer Merk: de fleste aktive transkripsjonsfaktorer binder som dimerer. De kan være satt sammen av to identiske (homo-) eller to ulike (hetero-) subenheter. Eksempel på reseptor-mediert gen-aktivering Steroid hormon reseptor (inaktiv) Steroid hormon TRANSKRIPSJON P P P P Signalkaskade Insulin Insulin reseptor 9
Ulik oppbygging av regulatoriske områder danner grunnlag for individuell regulering av gener Ingen gener er eksakt lik i måten de regulatoriske områder er bygd opp på (dvs. i DNA sekvens). De vil derfor kunne binde ulike sett av transkripsjonsaktivatorer. Noen elementer kan være felles mellom ulike gener A B C Gen 1 -----tttaaagtcccggggttataatccaattagatatag------------------ AF AA DD EE Gen 2 ---ccgcggtatttaaagttacacgtccaattagatatggac------------------ Ulike celletyper uttrykker forskjellige sett av gener, blant annet fordi de inneholder ulike sett av transkripsjonsfaktorer Celletype A Celletype B Uttrykte genprodukter Aktivatorer rekrutterer RNA pol II og et sett av 5 generelle transkripsjonsfaktorer. Disse er med i transkripsjon av alle gener. AKTIVATORER IID IIH IIE Transkripsjonsfaktorer Transkripsjonsmaskineri pol IIF RNA II IIB TATA -50 +1 Inr 10
Regulering av gen-ekspresjon: oppsummering Gen-ekspresjon initieres av signaler Signalene overføres vanligvis via membranbundne reseptorer, eller reseptorer i cytoplasma. Signalet når cellekjernen, og påvirker genuttrykk. Spesielle transkripsjonsfaktorer (aktivatorer) Ansvarlig for spesifikk regulering av transkripsjon. Binder til DNA i genets promoter. Rekrutterer transkripsjonsmaskineriet. Generelle transkripsjonsfaktorer: Ansvarlig for all transkripsjon. Er assosiert med RNA polymerase II, og bidrar til at denne binder korrekt til genets promoter. Utgjør sammen med RNA pol II transkripsjonsmaskineriet. Forskjellige gener aktiveres av ulike sett av transkripsjonsfaktorer (aktivatorer) Ingen gener er eksakt lik i måten promoteren er bygd opp. Hvert gen kan derfor reguleres spesifikt og individuelt. Ulike celler uttrykker ulike sett av gener, bl.a. fordi de inneholder ulike sett av transkripsjonsfaktorer Genfamilier Både mus, mennesker, bakterier som E.coli og andre former for liv har utviklet seg fra den samme stamfar for noen milliarder år siden. E.coli Gjær Humant 4.2 x 10 6 bp 1.2 x 10 7 bp 3.3 x 10 9 bp Hvor kommer så det ekstra DNAet som mennesker har fra? Svar: Vårt genom har vokst i størrelse gjennom en gjentagende prosess av duplisering og divergens. 11
Genomisk kompleksitet øker ved genduplisering og seleksjon for nye funksjoner 1. Duplisering ved ulik overkryssing gir opphav til gen- clusters (ansamlinger av like/beslektede gener) 2. Duplisering ved transponering gir spredning av like/beslektede gener Meiose Søsterkromatider 2 n Replikasjon Overkryssing (rekombinasjon) Meiose I Meiose II n Slik homolog rekombinasjon krever sekvenslikhet (homologi) mellom områder på kromosomene Duplisering ved ulik overkryssing Initiell duplisering av singel-kopi region C C C B A B A C A B Duplisert gen B A Seter for rekombinasjon 12
Videre ekspansjon fra en duplisert region Sete for overkryssing A B B C A B B C Overkryssing A B B/B B C Divergens (mutasjoner) A B1 B2 B3 C Genfamilie med 3 medl. β-globin heme HEMOGLOBIN α-globin Stamfar globin gen Duplikasjon Evolusjon Mutasjon Transponering α α β β Duplikasjon/ mutasjon ζ α ε γ β ζ 2 Ψ ζ1 Ψ α2 Ψ α1 α2 α1 θ ε Gγ Aγ Ψβ δ β α-globin gen familien (kromosom 16) β-globin gen familien (kromosom 11) 13
Uttrykket av de ulike globin-genene er regulert gjennom ulike trinn av utviklingene β-globin cluster Embryonalt DNA LCR ε Gγ Aγ Ψβ δ β Føtalt DNA LCR ε Gγ Aγ Ψβ δ β Voksent DNA LCR ε Gγ Aγ Ψβ δ β LCR: Locus control region Noen eksempler på clustered multigen familier Familie Kopier Komplement C4 gener 2 Vekst hormon gener 5 α-globin gener 7 Klasse HLA heavy chain ~20 HOX gener 38 Histon gener ~100 Duplisering ved transponering ( hoppende gener ) Humane genom Nukleære genom 3.3 milliarder baser 20-25.000 gener Mitokondrielle genom 16.600 baser 37 gener ~25% ~75% Gener og genrelaterte sekvenser DNA utenfor gener ~60% ~40% ~ 10% ~ 90% Kodende DNA (~2.5%) Ikke-kodende DNA Unikt- eller lavkopi DNA Repetetivt DNA 14
Repetetivt DNA finnes spredt rundt i genomet i stort antall Transposable elementer eks. Alu Slike elementer/sekvenser danner grunnlag for baseparing mellom ikke-homologe regioner, og kan resultere i ureglementert overkryssing mellom kromosomer, samt transponering av gener til andre kromosomale posisjoner. Eksempler på slike elementer er Alu, LINE, Mer, Mir. eks. kromosom 4 kromosom 11 Transposable elementer ble først beskrevet av Barbara McClintock sent på 1940 tallet. Ble først ignorert, men fikk senere Nobel prisen (1983). Inverted repeat Inverted repeat 5 3 ATCCGGT TAGGCCA ACCGGAT TGGCCTA 3 5 Transposabelt element (TE) TE GEN TE Transposabelt område 3 3 6 6 11 11 Meiose (dannelse av kjønnsceller) Singel kopi 15
3 3 6 6 11 11 3 3 6 6 11 11 Økt mengde DNA β-globin 16
Mobile elementer (transposoner) kan forårsake sykdom Transposoner er mutagene. De kan skade genomet på ulike måter: Et transposon som setter seg selv inn i et gen vil mest sannsynlig inaktivere genet. Når et transposon forlater et gen, så vil hullet etter transposonet ikke alltid repareres korrekt. Mange kopier av et transposon, eks. Alu-sekvens, kan forstyrre korrekt paring av homologe kromosomer i mitose og meiose. Resultatet kan være ulik overkryssing, en av hovedårsakene for gen-duplikasjon. Genfamilier - oppsummering Det humane genom har ekspandert gjennom en gjentagende prosess av genduplisering og divergens Genomisk kompleksitet øker ved genduplisering og seleksjon for nye funksjoner To hovedmekanismer for genduplisering: ulik overkryssing mellom homologe kromosom transponering mellom kromosomer De fleste genduplikasjoner gir opphav til pseudogener, dvs. inaktive gener. 17