Regulation of gene expression, lac and trp operon

1. Methee Sriprapun, PhD
Faculty of Medical Technology Huachiew Chalermprakiet University
1

2. Objectives
•เข้าใจความสาคัญของการควบคุมการแสดงออกของยีน
•อธิบายกระบวนการควบคุมการแสดงออกของยีนได้
•อธิบาย ยกตัวอย่าง เปรียบเทียบ วิเคราะห์ กลไกควบคุม การแสดงออกของยีนได้
- lac operon
- trp operon
2

3. Central dogma of molecular biology
DNA
RNA
Protein
Replication
Transcription
Translation
Reverse Transcription
3

4. Gene expression
•กระบวนการนาข้อมูลสารพันธุธรรมในยีนไปสร้างเป็นผลผลิต ของยีนได้แก่ mRNA หรือโปรตีน
•Transcription and translation processes
•Prokaryotes : transcription และ translation เกิดใน cytoplasm
•Eukaryotes : transcription เกิดใน nucleus
translation เกิดใน cytoplasm
4

5. Gene Expression
5
http://barleyworld.org/sites/default/files/figure-08-01_0.jpg

6. 3 types of gene expression
6
-Constitutive gene expression  essential genes for living cells  housekeeping genes
-Inducible gene expression  enzymes in catabolic pathways
-Repressible gene expression  enzymes in anabolic pathways

7. Gene expression
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010)
Inducible gene expression
-lactose: inducer
- -galactosidase
Repressible gene expression
-Tryptophan: co-repressor
- tryptophan synthesis
7

8. Regulation of gene expression
•เพื่อให้สิ่งมีชีวิตสามารถดารงชีวิตอยู่ได้ในสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนไป •เป็นการควบคุมการสร้างหรือยับยั้ง gene product เช่น RNA หรือโปรตีน ในสภาวะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตเพื่อตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม
-Positive regulation: ควบคุมให้มีการแสดงออกของยีน
* activator  RNA polymerase
-Negative regulation: ควบคุมไม่ให้มีการแสดงออกของยีน
* active repressor  transcription
* inducer + repressor   transcription
8

9. Gene regulation found in all steps of gene expression in prokaryotes
9
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010)

10. What is “Operon” ?
•Bacterial gene organization
•Cluster of genes under the control of the same promoter and operator
•Promoter, operator & structural gene(s)
•In E.coli  25 operons controlling 250 genes
•Inducible & Repressible operons
•Lac operon and Trp operon
10

11. http://www.nature.com/scitable/resource?action=showFullImageForTopic&imgSrc=/scitable/content/33138/pierce_16_3_FULL.jpg
11

12. Inducible & repressible operons
•Defined by the response of operon to metabolite
(small molecule)
Adapted from :http://www.bx.psu.edu/~ross/workmg/PosNegCntrlCh15.htm
12
Type of operon
Presence of metabolite
Effect on operon
Example
Inducible
Lactose
ON
Lac operon
Repressible
Tryptophan
OFF
Trp operon

13. Inducible operon
13
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010)

14. Repressible operon
14
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010)

15. Terminology
•Promoter: ตาแหน่ง sequence บน DNA ที่ให้ RNA
polymerase เข้ามาจับเพื่อการถอดรหัส
15
http://connorfowlerdotcom.wordpress.com/tag/biology/

16. Terminology (II)
•Operator: เป็นตาแหน่ง DNA sequence ที่ให้
regulatory protein เข้ามาจับ •Inducer : โมเลกุลของสารที่เหนี่ยวนาให้เกิดการ
แสดงออกของยีน •Repressor: โปรตีนที่เข้าจับกับส่วน operator แล้วยับยั้ง
กระบวนการ transcription
16

17. Lac operon
•F. Jacop and J. Monod (1961)
•Inducible operon (inducer: allolactose)
•Enzyme synthesis for lactose metabolism
(-galactosidase)
17
http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/micro229/terry/229sp00/lectures/regulation.html

18. Components of lac operon
•Regulatory gene (I or lac I gene)
•Promoter gene (P or lac P gene)
•Operator gene (O or lac O gene)
18

19. Components of lac operon (II)
•Structural genes
- lac Z gene: ควบคุมการสร้างเอนไซม์ -galactosidase
- lac Y gene: ควบคุมการสร้างเอนไซม์ permease เพื่อช่วย
ในการ pump lactose เข้าเซลล์
- lac A gene ควบคุมการสร้างเอนไซม์ transacetylase
19

20. Components of lac operon
20
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_02.jpg

21. Gene regulation in lac operon
•Negative regulation
- repressor protein
•Positive regulation
- presence or absence of glucose
- การทางานของโปรตีนควบคุม CAP (Catabolic
Activator Protein)
- Active form: CAP-cAMP
21

22. Negative regulation of lac operon
•Absence of lactose but presence of glucose
Lac I สร้าง repressor protein ไปจับบริเวณ operator
Inhibit transcription and translation of lac ZYA
-galactosidase
22

23. Negative regulation of lac operon
•Presence of lactose but absence of glucose
Inducer binds with repressor protein & inhibit repressor
binding with lac O
Transcription of lac ZYA -galactosidase
Lactose analog
เช่น IPTG
(isopropyl thiogalactoside)
Inducer
23

24. http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch18/lac_operon.html
24

25. Lactose & Allolactose
25
-1, 6-glycosidic linkage
-1, 4-glycosidic linkage

26. Positive regulation of lac operon
•Presence of both glucose and lactose
  -galactosidase จนกว่า glucose จะถูกใช้ไป
หมดก่อน  “catabolite repression” •การทางานของ RNA polymerase อาศัย CAP-cAMP complex  positive regulator ของ lac operon
26
 Glucose =  cAMP =  -galactosidase
 Glucose =  cAMP =  -galactosidase

27. CAP-cAMP
•CAP: cyclic AMP receptor protein or catabolite
activator protein : promoter
•cAMP: effector molecule  adenosine-3’, 5’– phosphate
•CAP only  cannot bind with lac operon
•Active form: CAP-cAMP  enhance RNA polymerase activity
27
http://www.ufrgs.br/depbiot/blaber/section3/section3.htm

28. 28
http://cnx.org/content/m44535/latest/

29. 29
(Alberts et al., 2007)
= cAMP

30. Summary of lac operon
Glucose
cAMP
Lactose
Expression of lac operon
+

-
No mRNA
+

+
Slow mRNA synthesis
-

-
No mRNA
-

+
Rapid mRNA synthesis
30
Adapted from : http://biocadmin.otago.ac.nz/fmi/xsl/bioc2/learnbitsdetail.xsl?-db=BIOC2web.fp7&-lay=AllFieldsLayout&- max=100&RecID=158&-find
•Negative regulation: lac repressor
•Positive regulation: CAP-cAMP
• glucose   cAMP

31. Trp operon
•Charles Yanofsky and his colleaque(1981)
•Repressible operon
•Enzyme for tryptophan synthesis (anabolic pathway)
•Chorismic acid  tryptophan
•Controlled by operator and attenuation mechanism
•Repressor protein & corepressor (tryptophan)
31

32. Components of Trp operon
•Promoter, operator, attenuator (leader region)
•Structural genes
- trp E  antranilate synthetase component I
- trp D  antranilate synthetase component II
- trp C  N-(5’phosphoribosyl)-anthranilate isomerase
Indole-3-glycerol phosphate synthase
- trp B  tryptophan synthase (-subunit)
- trp A  tryptophan synthase (-subunit)
32

33. (Russell PJ, 2010)
33

34. Regulation of trp operon
Presence of tryptophan
34
Tryptophan binds with inactivate (aporepressor) repressor protein
Active repressor protein binds with operator
Inhibit function of RNA polymerase
No tryptophan synthesis in bacterial cell

35. Regulation of trp operon
Absence of tryptophan
35
No tryptophan binds with inactivate repressor protein
No active repressor protein binds with operator
No inhibition of RNA polymerase
Tryptophan synthesis in bacterial cell

36. (Alberts et al., 2007)
36

37. Attenuation mechanism
•Mechanism for controlling tryptophan synthesis
•Attenuator sequence: leader region near trpL sequences ,
162 bp (5’UTR) 4 domains
•Leader peptide: 2 trp molecules pos. 10&11  control attenuator
•Other amino acids: histidine, phenylalanine and threonine.
37

38. Possibility of mRNA folding
38
Leader peptide: 14 aa
(2 tryptophan molecules)

39. http://www.nature.com/scitable/resource?action=showFullImageForTopic&imgSrc=/scitable/content/19425/pierce_16_16_FULL.gif
39

40. 40

41. http://www.csun.edu/~hcbio027/biotechnology/lec4a/trp.html
Summary of trp operon
41

42. Summary of lac and trp operons
Lac operon
Trp operon
Type of operon
Inducible
Repressible
Metabolism
Catabolism
Anabolism
Purpose of synthesis
-galactosidase
Tryptophan
Regulation mechanism
Lac repressor & CAP-cAMP
Tryptophan & attenuation
Metabolites
Allolactose (inducer)
Tryptophan
(co-repressor)
42

43. Gene regulation in Eukaryotes
•Absence of operon
•Regulation in each level of expression
43
(Alberts et al., 2008)

44. 44
http://www.mun.ca/biology/
desmid/brian/BIOL2060/
BIOL2060-23/23_10.jpg

45. References
•เอกสารประกอบการสอน MT4021 เทคโนโลยีชีวภาพ เรื่อง การควบคุมการแสดงออก ของยีน คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยหัวเฉียวเฉลิมพระเกียรติ 2556. •สิทธิศักดิ์ หรรษาเวก. การควบคุมการแสดงออกของยีน. ใน: เซลล์ชีววิทยาทางการแพทย์ 1. กรุงเทพฯ: ภาควิชาชีวเคมี คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
•Snustad DP, Simmons MJ. Regulation of gene expression in prokaryotes and their viruses. In: Principles of genetics. 5th ed. Asia: John Wiley & Sons; 2010.
•Fitzgerald-Hayes M, Reichsman F. DNA and Biotechnology. 3rd ed. China: Academic Press (Elsevier); 2010. •ตรีทิพย์ รัตนวรชัย. การควบคุมการแสดงออกของยีน. ใน: อณูพันธุศาสตร์เบื้องต้น มหัศจรรย์ของดีเอ็นเอ. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย; 2552.
•Russell PJ. Regulation of gene expression in bacteria and bacteriophage. In: iGenetics a molecular approach. 3rd ed. San Francisco, CA: Pearson Education; 2010.
45