Class Notes (838,786)
Canada (511,086)

6 Jan 20, 21, 27 - Gene Regulation- LIFESCI 3B03.docx

11 Pages
Unlock Document

Life Sciences
Margaret Fahnestock

LECTURE 6 LIFESCI 3B03 Gene Regulation January 20, 21, 27 2014 − Brain has to make different amounts of neurotrophic factors, which govern synaptic plasticity o Cannot have too much – an cause seizures o Cannot have too little – no synaptic plasticity − Very intricate regulation of neurotrophic factor expression and secretion – regulated at many steps Chromatin Configuration ▯ Transcription Initiation ▯ Elongation ▯ mRNA Splicing and Polyadenylation ▯ Translation and Processing ▯ Protein Sorting Epigenetics: DNA Methylation, Histone Modification Transcription Factors Premature Termination Alternative Splicing; Stability miRNA; Post­Translational Modifications − Chromosomes are packed tightly with DNA; when packing is disturbed, disease occurs − Fragile X syndrome – visible defects in chromosome; thin neck where a repeat expansion is present − Huntingtons  Chromatin Organization − Wound tightly around histone proteins  ▯nucleosomes  − Spacer between nucleosomes; creates beads on a string which wrap around themselves further Nucleosomes − DNA wrapped around histone proteins − Beads on a string – thick cables (fibers; histones and nucleotides) 1 LECTURE 6 LIFESCI 3B03 − Chromatin is formed by wrapping the DNA around complexes of the 4 histone proteins (2 molecules each of histones H2A, H2B, H3, H4) to form  “beads on a string” attachment – the beads are nucleosomes − DNA wrapped around histones – keeps DNA away from transcription initiation machinery − Chromatin is euchromatin (where most of the active genes are) and heterochromatin (no active genes) o Heterochromatin – inner leaflet of nuclear membrane; tightly wound DNA; does not express proteins being coded for o Euchromatin – less dense, most active genes  Chromatin Configuration – Epigenetics: DNA Methylation, Histone Modification  − Epigenetics – modification of nucleosome structure by methylation of DNA or histone modification − Epigenetic mechanisms regulate the structure and activity of genes in response to intracellular and environmental cues = synaptic plasticity  o DNA Methylation o Histone Modification  − Epigenetics is involved in neurological disease pathogenesis and in memory and cognitive decline  2 LECTURE 6 LIFESCI 3B03 − Modification unwraps nucleosome − DNA Methylation: CpG Islands  o CpG Islands – areas of the genome where C’s and G’s are adjacent  o Mouse gene  Most of the genome is red – methylated; tightens and closes the DNA so  that it is not open to transcriptional machinery  Green – unmethylated; patches where transcriptional machinery can get  in due to lack of methylation, which loosened the DNA  Boxes = exons (part of the gene that is transcribed into RNA)  Lines connecting boxes = introns (spliced out)  Green part – near first exon, where transcription starts; demethylation in this region allows transcription machinery to start here − 5­Hydroxymethylcytosine  o Can switch genes on and off o Highest levels in brain o Increased during neurogenesis o Tet family of enzymes converts 5­MeC (methyl C) to 5­OHMeC (hydroxymethyl C) o Increased in the birth of new neurons (neurogenesis) o 5­MeC – turns them off o 5­OHMeC – can switch genes on or off, depending on where it happens  o Involved in DNA demethylation? o Not distinguishable by bisulfite sequencing  Can tell whether area is methylated; cannot distinguish between 5­MeC or 5­OHMeC o Implicated in neurodegenerative disease and cancer   5­OHMeC – implicated in neurodegenerative diseases − Histone Modification (rather than DNA methylation) o Methylation  Trimethylation of histone H3 at lysine 4 (H3K4) is associated with active transcription  Dimethylation of histone H3 at lysine 9 (H3K9) is associated with transcriptional silencing   Difficult to tell just based on methylation status, whether it will activate or repress transcription o Acetylation, Phosphorylation  Unravels DNA around histone core promoting transcriptional protein recruitment   Can regulate histone methylation  o Ubiquitination  Transcription Initiation – Transcription Factors  − General Pattern of control elements that regulate gene expression o Arrow – represents transcription start site o Upstream of start site – yellow TATA box (helps direct transcription machinery to start site), promoter elements (brown)  Not all genes have TATA o Downstream of start site – introns (peach; will be spliced out), exons (blue) o Proximal promoter elements – nearby start site; has a hand in how often transcription is initiated  − Genes of multicellular organisms contain both promoter­proximal elements and enhancers as well as a TATA box or other promoter element − The latter positions RNA polymerase II to initiate transcription at the start site and influences the rate of transcription − Enhancers may be either upstream or downstream and as far away as 50 kb from the transcription start site (distal or proximal; condensing and  bending of DNA can allow for enhancer elements to be closer) − In some cases, promoter­proximal elements occur downstream from the start site as well 3 LECTURE 6 LIFESCI 3B03 − TBP bends DNA and forces open the minor groove − TATA – good at binding TATA Binding Protein; TATABP binding to TATA box causes the bending of DNA, forcing open the minor groove, allowing  transcription machinery to access start site − Amount of RNA made from a gene depends on initiation at start site; how often is initiation machinery directed to this site? − Transcription factors are modified by enhancers and silencers  − Sequential Binding Model for Assembly of Pre­initiation Complex  − TATA binding protein binds; complex of other proteins – other transcription factors bind; recruits RNA polymerase − General Transcription Factors for RNA Polymerase II o Many GTFs are possible targets for activators of transcription  − Figure – basic mechanisms by which promoters bind to activators or repressors in  order to cause or inhibit the gene to transcribe RNA  o Proximal promoter elements (red) o Start site right at junction between red and blue o Negative Gene Regulation – prevent initiation of transcript  Repressor protein binds promoter; inhibits transcription  initiation  May or may not be a stearic hindrance; can also be a hindrance  at a distant – may or may not be in contact with TATA box  Activator (activation of a kinase which phosphorylates; presence  of CA+) bound to small molecule, which changes conformation  of repressor and causes it to dissociate from promoter  4 LECTURE 6 LIFESCI 3B03  Dissociation allows RNA polymerase to come in and bind to promoter  o Positive Gene Regulation – enhancement of transcription initiation  Eg/ Kreb normally inactivated – when phosphorylated, binds to promoter and enhances binding and initiation of RNA  polymerase   Transcription factors that bind at promoters   Does not have to be phosphorylated to bind to promoter region − Transcription Facotrs o Basic Helix­Loop­Helix Transcription Factors  Contain 2 different a­helical regions, connected by a loop  bHLH o Zinc Finger Transcription Factor   Contains cysteine and Histidine amino acids – can bind zinc (co­factor); coordinate zing in a quaternary manner  Zinc finger transcription factors contain at least 2 loops ­ 4 residues at the base of loops; gives stability  • Allows for binding at either side of DNA o Estrogen Receptor Binds DNA as a Dimer  Steroid receptors – soluble; go to the nucleus when bound to ligand  Also require zinc  Estrogen receptors bind to DNA as dimers  o Leucine Zipper Transcription Factors  a = leucine  Made of 2 helices, which form a binding domain that loosen or tighten, depending on binding of DNA  Leucine residues all the way up and down one face of the a­helix (a and a’) – bind to each other allowing both helices to interact 5 LECTURE 6 LIFESCI 3B03 − Multiple Promoter Elements and Transcription Factors Control Gene Expression o Transcription factors bind to proximal promoter elements o Bind to proximal promoters that are close to the TAT box – determines the basic level of transcription in the neuron o Enhancers – regions of the DNA to which proteins (not TFs) can bind   Distal enhancers are close to proximal promoters elements due to bending of DNA    Proteins bound to enhancers can interact with TFs that are bound to proximal promoter elements to enhance or inhibit  transcription  − Enhancers and Silencers o Enhancers stimulate transcription, silencers inhibit o Both are orientation independent  Flip 180 degrees, no effect  Can cut out enhancer element, flip 180˚, and it wills till operate – operation is not sequence dependent; proteins send a signal to  TF’s, doesn’t matter which orientation o Both are position independent  Can work at a distance from promoter – downstream, upstream, middle of a gene, distal due to DNA bends  Enhancers have been found all over o Bind regulated transcription factors  − “Elements” = region of DNA  − Figure – alternative models of enhancer action; why enhancers and silencers can affect transcription at a distance  o A) Enhancesome – complex of carefully positioned, cooperatively bound transcriptional regulators provides a single output to the basal  promoter  Because of the twist of DNA, prote
More Less

Related notes for LIFESCI 3B03

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.