Hst 6: gen regulatie en epigenetica Flashcards
CIs-acting regulatorische DNA element
- DNA sequentie
- functie is gen reguatie
- beperkt tot dna molecule waar het op gelegen is
- vb: gen promotor
- heeft effect op één allel (vb enkel vader)
boek p 151
promoters, cis-acting regulatory DNA sequences
that are important in establishing which segments of a DNA strand will
be transcribed. Each promoter is a collection of very short sequence elements
that are usually clustered within a few hundred nucleotides from
the transcription start site. For each DNA strand, transcription begins at
fixed points on the DNA where the chromatin has been induced to adopt
an ‘open’ structure (see below).
Nuclear genes are transcribed by
NCBI
In eukaryotes, we distinguish between two classes of cis-acting elements that can exert their effects at considerable distance from the promoter. Enhancers are cis-acting sequences that can greatly increase transcription rates from promoters on the same DNA molecule; thus, they act to activate, or positively regulate, transcription. Silencers have the opposite effect. Silencers are cis-acting sequences that are bound by repressors, thereby inhibiting activators and reducing transcription. Enhancers and silencers are similar to promoter-proximal regions in that they are organized as a series of cis-acting sequences that are bound by trans-acting regulatory proteins. However, they are distinguished from promoter-proximal elements by being able to act at a distance, sometimes 50 kb or more, and by being able to operate either upstream or downstream from the promoter that they control
CIs-acting regulatorische RNA element
- RNA sequentie
- functie is regulatie van een enkelvoudige RNA transcript waar het op gelegen is
- vaak gelegen in untraslated regio (3’ of 5’ UTR) van mRNA
- miRNA binden op 3’ UTR
intechopen:
Cis-acting regulatory sequence elements are subsequences contained in the 5′ untranslated region (UTR), 3′ UTR, introns, and coding regions of precursor RNA and mature mRNA that are selectively recognized by a complementary set of one or more trans-acting factors to regulate posttranscriptional gene expression.
Trans-acting factors include RNA-binding proteins (RNA-BPs) and microRNAs (miRNAs), which are able to influence the fate of mRNA by controlling processes such as translation and mRNA degradation (reviewed in Refs. [
Trans-acting gen regulator
- regulatorische eiwit OF RNA molecule
- migreert door diffuse , herkent en bindt korte NZ sequenties (op DNA of RNA)
- reguleert de expressie van beide allelen
Cis en trans regulatie
vaak is er een combinatie van cis en trans regulatie : vb: een transcriptie factor (trans regulator) bindt op een enhancer (cis regulator)
vb: miRNA (trans regulator) bint op miRNA bindende sequentie (cis regulator).
RNA polymerase II
* schrijft af > eiwit coderende genen >long ncRNA >miRNA * vormt zich op consensusequenties nabij de promotor
Enhancers
- bindingsite voor transcriptie factoren
- vaak niet nabij transcriptie site-> het dna waar het op effect heeft wordt uit gelooped zodat enhancers kunnen interagegeren met eiwitten (het rna polymerase complex) op de promotor van target gen
- versterken expressie
- kunnen
https: //www.youtube.com/watch?v=k26xwzJpVAc&ab_channel=MoofUniversity
Silencers
*silencers zijn cis-acting DNA elementen die verantwoordelijk zijn voor het onderdrukken van expressie, wanneer ze actief zijn.
Boundaries elements
*barriere elementen tussen euchromatine en heterochromatine
transcriptie factoren
- binden nabij of op cis-regulerende DNA
- meerdere TF kunnen tegelijk binden
- herkennen een korte sequentie dna, en binden met zinkvingers of leucine zippers
- kunnen enkel binden als DNA ontspannen genoeg is en werkt vaak enkel als een combinatie van TF binden
Geef het verschil tussen Insulators en barrier elements
Some boundary elements act as barriers between neighboring
euchromatin and heterochromatin regions. Another type is an insulator
that can block inappropriate interactions between enhancers and promoters
by binding regulatory proteins, notably the CTCF regulator
Barrier elements are DNA sequence elements that prevent inappropriate interactions between adjacent chromatin domains. One type of
A barrier
element protects genes in the euchromatin
region from being silenced by adjacent
heterochromatin (shown here in green). Largescale
rearrangements, such as the inversion
shown here, can relocate the protective barrier
element so that it no longer separates gene A
from a neighboring heterochromatic region. This
allows heterochromatinization of what had been a
euchromatic region, resulting in gene silencing
(a position effect).
TADs
Wiki
A topologically associating domain (TAD)
self-interacting genomic: DNA sequences within a TAD physically interact with each other more frequently than with sequences outside the TAD.
Boundaries at both side of the these domains are conserved between different mammalian cell types and even across species[2] and are highly enriched with CCCTC-binding factor (CTCF) and cohesin binding sites.
Most of the studies indicate TADs regulate gene expression by limiting the enhancer-promoter interaction to each TAD
Disruption of TAD boundaries is found to be associated with a wide range of diseases such as cancer,[7][8][9] variety of limb malformations such as synpolydactyly, Cooks syndrome, and F-syndrome,[10] and number of brain disorders like Hypoplastic corpus callosum and Adult-onset demyelinating leukodystrophy.[10]
DNA bindings motieven
- gebruikt door TF en andere dna-bindende eiwitten
- zinc-vinger motief -> zn2+ opn bindt op 4 geconserveerde AZ. Bevat alfa en beta helix/alfa helix samengehouden door zink ion
*binden op grote groeve
——
leucine zipper
*leucines aan een kant van helix
*vormt samen met een tweede helix een knijper structuur
The leucine zipper is another common motif found in many DNA-binding proteins, including transcription factors.
The leucine zipper is an amphipathic a helix containing heptad repeats of Leu residues on one face of the helix and serves as a dimerization module.
Geef de belangrijkste onderdelen voor RNA splicing
*3 rna sequenties fundamenteel aanwezig > splice donor en acceptor >branche site >domeinen die splicing stimuleren/inhibieren >spliceosoom
Splicosoom
- verantwoordelijk voor het verwijderen van intronen in pre-mRNA.
- bestaat uit small nucleair RNA (snRNA)
- snRNA zullen basenparen met met branch site sequenties, splice donor sequenties en splice acceptor sequenties
Splice donor en Splice acceptor
- Donor bevat invariante GU dinucleotiden aan de 5’ uiteinde van intron op RNA
- Acceptor bevat invariante AG dinucleotide op 3’ uiteinde van intron
Splice donor en Splice acceptor
- Donor bevat invariante GU dinucleotiden aan de 5’ uiteinde van intron op RNA
- Acceptor bevat invariante AG dinucleotide op 3’ uiteinde van intron
Process van splicing
volgorde:
5’’ uiteinde van intron bevat GU (splice donor), vervolgens intron met nabij de 3’ splice acceptor, de A van branch site .
aan de 3’ uiteinde de AG van de splice acceptor
tussen de branch site en de splice acceptor site is er een pyrimide rijke regio
proces:
https://www.youtube.com/watch?v=FVuAwBGw_pQ&ab_channel=ndsuvirtualcell
Alternative splicing
- alternatieve splice sites in intron gebruiken
- alternerende gebruik van exonen
- exon skipping
hoe ontstaan Isovormen van eiwitten
alternatieve producten van alternative splicing. deze variatie zorgt voor verhoogde functionele variatie
RNA interference (RNAi)
dubbelstrengig RNA (= virale infectie of onvoldoende gemmetyleerde transposon die getranscribed wordt)
werking:
In animal cells, unnatural long double-stranded
RNA (dsRNA) is cleaved asymmetrically by an endoribonuclease
called dicer that is specific for double-stranded RNA, generating
short (20–22-nucleotide) pieces of RNA with overhanging
3ʹ ends called short interfering RNA (siRNA). The siRNAs are
bound by protein complexes containing the Argonaute
endoribonuclease (Ago) such as RNA-induced silencing
complexes (RISC) shown here. The Ago ribouclease attacks the
bound siRNA, leading to the degradation of one RNA strand to
leave one strand, the guide strand. The guide strand is so named
because it can base pair to any other viral or transposon RNA
with a complementary sequence: it guides the RISC complex
to viral or transposon transcripts that can then be cleaved by
the Ago endoribonuclease. The cleaved transcripts, lacking a
protective cap or poly(A), are degraded by exonucleases.
Geef 6 epigenetische factoren
*Veranderingen in chromatine stuctuur door :
>modificatie van histonen en histon varianten
> positionering van nucleosomen
> DNA methylatie
> Non-coding RNA’s
- Genomische imprinting
- X-chromosoom inactivatie
Epigenetica
- noodzakelijk voor de differentiatie van cellen bij embryonale ontwikkeling
- informatie die kan doorgegeven worden bij celdeling
*zit niet in DNA sequentie vervat DNA methyltransferase1 (DNMT1) zit aan replicatievork en kopieert bestaande methylatieop de nieuwe streng
*zelden doorgegeven van ouder op kind
Epigenetica en chromatine structuur
Hoe harder chromatine gecondenseerd is, hoe moeilijker het af te lezen is
hoe condensren?
*door de nucleosomen te dicht op elkaar te stacken
*methylatie van histonen zorgt voor condensatie
(argenine (R) op aminoterminale histon staart )
*acetylatie van histonen
zorgt voor decondenstaite
(lysine (K) op aminoterminale histon staart )
Nucleosoom
8 histon eiwitten vormen een kern, waarrond het dna streng 2x wikkelt
Histon modificatie
histon staart:
*acetylatie door histon acyltransferase of deacetylatie door deacetylase . Acetylatie leidt tot verlies van positieve lading zodat histonen slechter interageren met elkaar(lysine)
- methylatie (argenine én lysine)
- fosforylatie (serine)
- ubiquitinatie
- histon varianten incorporatie die andere codes bevatten in staarten
Beschrijf het proces van splicing
- splicosoom herkent donorsite regio en bindt op het dna
- dit veroorzaakt looping van het DNA, waardoor exonen beter kunnen interageren met elkaar
- RNA wordt geknipt thv donorsite, en deze wordt covalent gebonden op de branch site
- de acceptor site wordt ook geknipt , en de twee exonen worden aaneen geligeerd
Bespreek de regulatorische werking van lncRNA
-epigenetica
(*boek rekent miRNA tot genetica)
-trans-acting RNA elementen (zal dus op cis-acting DNA/RNA elementen)
Mechanisme 1
-hybridiseert op DNA
*dubbelstreng moet eerst openen. De lnRNA wordt herkend door :
>RNA herkennende eiwitten
>adaptor eiwit
>chromatine modifierende eiwit complex (kan chromatine condenceren)
>epigenetische signalen (worden aangebracht op histonen :methylgroep, acetylgroep,..)
Mechanisme 2:
lcnRNA zal hybridiseren zonder eerst de dubbele streng te openen -> DNA tripple helix
Vervolgens: terug hetzelfde zoals mechanisme 1
Mechanisme 3:
RNA-RNA hybridisatie tijdens de transcriptie van het ‘te reguleren gen’.
Mechanisme 4:
lncRNA herkent DNA het DNA oppervlakete, bindt erop en recruteert delfde eiwitten
Mechanisme 5:
local action (co-transcriptioneel)
Bij de trancriptie van het lnRNA, zullen de eiwitten binden en effect uitvoeren.
= cis-effect want lnRNA diffundeert niet.
Genomische imprinting
- Afhankelijk van welke ouder (vader/moeder) het bepaalde allel doorgeeft, zal deze allel uitgeschakeld worden in de nakomeling.
(vb: allel van vrouw worden stilgelegd -> In zoon van deze vrouw zal dit allel geïnactiveerd zijn, maar in nakomelingen van zoon zal het allel actief zijn omdat het door een man is doorgegeven)
Hoe kan dat het allel weer actief wordt?
In de kiemcellen van de man werden de imprintings afgehaald, en opnieuw aangebracht.
= epigenetica! (methylatie, lncRNA, ..)
- geimprinte genen komen vaak voor in clusters
- De clusters staan onder controle van differentieel gemethyleerde regio’s: de imprinting controle regions
X-inactivatie, hoe ontstaat Barr-lichaampe
-Barr lichaampjes
x-inactivatie centrum,gegelegen in het X-chromosoom dat geinactiveerd zal worden, bevat het lncRNA gen, genaamd XIST RNA (x-inactive specific transcript)
-komt specifiek tot expressie in het barr-lichaampje
-cis-mechanisme: begint op XIST plek, en dit zorgt voor een condensatie die over heel het x-chromosoom propageert.
Het lncRNA zal heel het chromosoom coaten, er is methylatie en histon deacetylatie.
-Barlichaampje is terug actief in kiemlijn van vrouw
Bespreek primaire en secundaire epimutaties
Primaire epimutatie
een verandering in de chromatine staart, oiv (omgevings)factoren, waardoor het epigenetica verkeerd zit (= epimutatie)
Secundaire epimutatie
gepaard met DNA mutatie
probleem in trans-factor:
mutatie in lncRNA (vb door puntmutatie, of deletie), waardoor het nietmeer werkt ->geen activatie van epigenetische mechanisme
probleem in cis-factor:
(vb fout in het codon van cisacting regulator, waardoor het lncRNA, niet meer kan binden, en epigenetische mechanisme activeren)
bespreek ongewenste gen silencing
barriere elementen nodig, zodat chromatine remodelers zich niet uitbreiden op euchromatine.
-inversie kan ervoor zorgen dat het gen naast de heterochromatine terechtkomt, omdat het barriere element niet meer tussen de heterochromatine en euchromatine zit.
Bespreek FSHD
Fascioscapulohumerale dystrofie :
2 soorten voor de ziekte:
FSHD1
- autosomaal dominant
- tast gezicht, shouderbladen en heupen aan
- variabele fenotype
oorzaak:
Dux4 gen : bevat repeats (tussen 11 en 100) . Regio is gewoonlijk geinactiveerd.
Probleem ontstaat wanneer het onder de 11 zakt, waardoor de inactivatie niet meer doorgaat (dit gewoon onthouden)
-> wordt euchomatine.
Polyadenylatie site is polymorf aanwezig op het gen (sommige hebben het, andere niet) . Poly A staart zorgt voor stabile mRNA
De afwezigheid van poly A coderende regio -> geen stabiele mRNA -> compenseert voor deze fout,
ziekte expressie wanneer poly A staart codon aanwezig is samen met een te korte repeat voor DUX4 gen
FSHD2:
een defect in de methylatie (SMCHD-1 gen, een methylatie regulator) . Repeats worden niet geinactiveerd
*deze afwijking + poly-A codon = stabiele mRNA -> ziekte verschijnsels
. There is a consensus that FSHD is caused by the aberrant production of the double homeobox protein 4 (DUX4) transcription factor in skeletal muscle. DUX4 is normally expressed during early embryonic development, and is then effectively silenced in all tissues except the testis and thymus. Its reactivation in skeletal muscle disrupts numerous signalling pathways that mostly converge on cell death.
Bespreek Angelman syndroom
Bespreek Prader-Willie syndroom
https://www.youtube.com/watch?v=R_N3-PkpY7U&ab_channel=DaVinciAcademy
De ziekte illustreert het belang van imprinting in pathogenese.
Angelman syndroom:
- intellectuele handicap (ernstig)
- motorische handicap
oorzaak:
- onthoud eerst: In mannen ,is het gen op chromosoom 15 epigenetisch geinactiveerd.
- Deletie van UBE3A gen op chromosoom 15, in de moeder
- of een disomie met enkel paternale chromosomen, door non-disjunctie tijdens meiose 1. (beinde allelen zijn epigenetisch geinactiveerd)
- > beide gevallen zorgen voor de inactivatie van het gen UBE3A gen op chromosoom 15.
Prader Willie syndroom:
milde vorm van angel man syndroom
*onthoud hier, de maternale genen gelegen op chromosoom 15 (zelfde regio als angle man), is in normale situatie geinactiveerd is.
Oorzaken:
-deletie van genen in chromosoom 15 van paternale allel
-uniparentaledisomie van chromosoom 15 van de moeder door nondisjunctie
beide situaties zorgen voor de inactivatie van meerdere genen op chromosoom 15
Bespreek het Paternaal-maternaal conflict.
Bespreek het Beckwith-Wiedemann syndroom en Russell-Silver syndroom
-mannen stellen get belang bij grote babies, vrouwen willen een balans tussen groei, en eigen gezondheid (methyleren hierom groeibevorderende genen, zoals IGF-2gen)
Beckwith-Wiedemann syndroom:
- grote babies
- vatbaarheid voor kanker
- inexpressie van CDKN1C gen (groei inhibitor), op de korte arm van chromosoom 11
-kan door uniparentale disomie van vader
Russell-Silver syndroom:
- groei retardatie
- chromosoom 11, zelfde regio, door maternale uniparentale disomie -> sterke silencing van het IGF-2 gen
Bespreek ICR-1
Zie slide 87!
ICR-1 is een insulator (vb, verantwoordelijk voor het scheiden van TAD’s)
vb:Bij mannen is deze gen inactief door methylatie
-> in beckwith-Wiedemann syndroom:
deze insulator is inactief door methylatie (condensatie )
enhancer elementen komen zo voorbij de insulator, en kunnen hun werk doen op het IGF-2 gen.
H19 (een groei inhibitor), komt hierdoor ook niet tot expressie (niet volgens de normale regels)
Bespreek ICR-2
- een promotor
- wanneer ongemethyleerd, komt het KC1Q1 gen tot expressie ( een lncRNA gen , die nabij gelegen elementen (cis-acting) CDKN1C gen uitschakelen.
- in maternale chromosomen in het gen gemethyleerd
- > groei inhibieren
in beckwith-wiedemann syndroom: Activatie van het KC1Q1 gen, waardoor het CDK1C gen geinhibieerd wordt -> geen groei inhibitie
Bespreek ICR genen
- Imprinting control region
- leggen andere genen stil
- ICR-1 gen inactivatie zorgt voor de activatie van het IGF-2 gen (groei stimulator) , en de inactivatie van het H19 gen (groie inhibitor)
- ICR-2 gen inactivatie zorgt voor de inactivatie van het CDK1C gen (groei inhibitor)
