Download as PDF, PPTX
Uploaded byMahidol University, Thailand
Regulation of gene expression
Regulation of gene expression, lac and trp operon
Regulation of gene expression
- 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 ofmolecular biology DNA RNA Protein Replication Transcription Translation Reverse Transcription 3
- 4. Gene expression •กระบวนการนาข้อมูลสารพันธุธรรมในยีนไปสร้างเป็นผลผลิตของยีนได้แก่ 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 ofgene 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 (SimmonsMJ and Snustad DP, 2010) Inducible gene expression -lactose: inducer - -galactosidase Repressible gene expression -Tryptophan: co-repressor - tryptophan synthesis 7
- 8. Regulation of geneexpression •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 foundin 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.
- 12. Inducible & repressibleoperons •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: ตาแหน่งsequence 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 lacoperon •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 lacoperon (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 lacoperon 20 http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_02.jpg
- 21. Gene regulation inlac 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 oflac 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 oflac 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.
- 25. Lactose & Allolactose 25 -1, 6-glycosidic linkage -1, 4-glycosidic linkage
- 26. Positive regulation oflac 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: cyclicAMP 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.
- 29. 29 (Alberts etal., 2007) = cAMP
- 30. Summary of lacoperon 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 •CharlesYanofsky 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 Trpoperon •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.
- 34. Regulation of trpoperon 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 trpoperon 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 •Mechanismfor 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 mRNAfolding 38 Leader peptide: 14 aa (2 tryptophan molecules)
- 39.
- 40.
- 41.
- 42. Summary of lacand 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 inEukaryotes •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 MT4021เทคโนโลยีชีวภาพ 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