1

Ch. 18 Regulation of 

Gene Expression

2

Human genome has around 23,688 genes (Scientific American 2/2006)

Essential Questions: 

How is transcription regulated?

How are genes expressed?

3

Bacteria regulate transcription based on their environment

1. can adjust activity of enzymes already present

Ex. enz 1 inhibited by final product

2. Adjust level of certain enz.     ­regulate the genes that 

code for the enzyme

4

Operon model ­ the tryptophan example

The five genes that code for the subunits of the enzymes are clustered together.

5

Grouping genes that are related is advantageous ­ only need one "switch" to turn them on or off

"Switch" = the operator (segment of DNA)­located within the promoter­controls RNA polymerase's access to the genes

operon = the operator, the promoter, and the genes they control

­trp operon is an example in E.coli

6

operon can be switched off by a repressor protein

­binds to operator and blocks attachment of RNA polymerase  to the promoter

trp repressor is made from a regulatory gene calledtrpR

7

8

trpR has its own promoter

regulatory genes are expressed continuously:­binding of repressors to operators is reversible­the trp repressor is an allosteric protein ­ has 

active and inactive shapes­trp repressor is synthesized in inactive form

9

­if tryptophan binds to trp repressor at an allosteric site,  then becomes active and can attach to operator

­in this case tryptophan is a corepressor ­ a small molecule  that cooperates with a repressor protein to switch operon off.

10

Two types of negative gene regulation:

Repressible operons­ transcription is usually on, but is inhibited by the corepressor

Ex. Trp operon

Inducible operon ­ transcription is usually off, but can be stimulated by  when a corepressor interacts with a regulatory protein

Ex. lac operon

11

Example of an inducible operon: lac operonif lactose absent regulatory gene lacI, located outside operon codes for allosteric repressor protein that switches off lac operon

12

lac repressor is active by itself, binds to operator and switches lac operon off

to turn lac operon on, need an inducer (allolactose) the inactivates the repressor

the enzymes of the lac operon are inducible enzymes ­ synthesis is induced by a chemical signal

­usually function in catabolic pathways ­ break down nutrient

repressible enzymes (ex. trp operon) usually function in anabolic pathways ­ make products

13

Positive gene regulationE. coli prefers glucose over lactose if both present

­when glucose is scarce ­ cyclic AMP (cAMP)a small organic molcule accumulates

­CAP (catabolite activator protein)  is a regulatory protein ­ an activator ­ binds to DNA and stimulates transcription

­when cAMP binds to regulatory protein CAP  becomes active shape and attaches upstream of 

    lac promoter­helps RNA polymerase bind

14

15

How is eukayotic gene expression regulated?

All cells have the same genome (exception immune cells)

­only 20% of genes are expressed at any given time

­but get differentiated during development­expression of the genes on the chromosomes 

is different for each differentiated cell = differential gene expressionEx. in a muscle cell a certain gene may be 

turned on                in a skin cell, same gene may be turned 

off

16

Only 1.5% of DNA is coding DNA for proteins­a small amount is used to make RNA­rest is "noncoding" 

17

control of gene expression in eukaryotic cells

each stage represents a place where regulation can happen

18

Factors that affect transcription regulation:

Chromatin structure:1. if in heterochromatin ­ genes are not 

expressed

2. where promoter is in relation to nucleosomes and DNA

19

3. chemical modification to histones­histone acetylation­ acetyl group attached to  pos charged Lysine in histone tails­if histone tails are acetylated, become neutral ­  no binding with other nucleosomes­gives chromatin a looser structure­transcription proteins have access to genes­may be involved in transcription factors 

attaching to promoter site

­methylation to histone tails can lead to condensation of chromatin

20

4. DNA methylation

­to cytosine after DNA synthesis

­heavily methylated = genes not expressedEx. inactivated X chromosome in mammals

­important for embryonic development to form specialized tissues

21

5. epigenetic inheritance ­ inheritance traits transmitted by mechanisms not involved in nucleotide sequence

Ex. chromatin modifications that affect gene expression in future generations of cells

22

Regulation of transcription initiation:6. chromatin modifying enzymes­ make DNA more or less able to bind to transcription complex

7. interactions between enhancers (control elements far upstream from promoter) and activators (protein that binds to an enhancer and stimulates transcription)

23

Eukaryotic gene and its transcript

24

1. Activator proteins bind to distal control elements (enhancer)

2. DNA bending protein brings activators closer to promoter

3. activators bind mediator proteins and transcription factors to form initation complex

25

8. Some transcription factors function as repressors ­ inhibit expression of a genea. can block activatorsb. can bind to enhancer elements to turn off transcription even if activators are present

9. activators and repressors can influence chromatin structure­some activators get proteins that acetylate histones 

near promoters to promote transcription­some repressors get proteins to deacylate histones 

and reduce transcription = silencing

26

Eukaryotic organisms usually don't have operons like bacteria, however some genes are coexpressed

­found in clusters that have their own promoter and individually transcribed

­some are found on different chromosomes­expression depends on a combination of  elements that recognize control elements 

      and bind to them, so all genes are       transcribed at the same time

27

­can be initiated by chemicals such as steroids (binds to an  intracellular receptor protein) which then serves as a transcription activator

­nonsteroid signal molecules that don't enter cell but bind to surface, use signal transduction pathways

28

Mechanisms of post transcriptional regulation­gene expression can be regulated at any post transcriptional step

1. RNA processing ­ Alternative RNA splicing ­ can produce different mRNA 

29

2. mRNA degradation ­ ­prokaryotic mRNA degrades by enzymes in  a few minutes

­eukaryotic mRNA survives, hours, days or weeks

­gets degraded by shortening poly­A tail and removal of 5' cap

­when cap removed nuclease enzymes can attack

30

3. Initiation of Translation can regulate genes

­during initiation stage

­regulatory proteins bind to specific sequences within the untranslated region of the 5' end (5' UTR)

­prevent ribosome attachment

31

4. Protein processing and degradation to control gene expression

­chemical modifications that make them functional

­need to be transported to particular places to function

­protein degradation ­ ubiquitin attaches to protein, proteasomes recognize the ubiquitin and degrade them 

32

33

Noncoding RNAs can control gene expression

ex. small RNAs

occurs at two points:1. mRNA translation

2. Chromatin configuration

34

 MicroRNAs (miRNAs)= single stranded RNA­formed from longer RNA precursors that fold back on themselves, forming short double­stranded hairpin structures ­  held with hydrogen bonds

­dicer = enzyme that cuts RNA hairpin out­one strand is degraded, other (miRNA)forms  a complex with proteins­can bind to mRNA with complementary 

       sequence­causes degration of mRNA or blocks 

       translation

35

36

Remodeling Chromatin structure

siRNAs = small interfering RNAs used in heterochromatin condensing

37

Regulation of gene expression during cell Differentiation

determination = the events that lead to the observable differentiation of a cell

­once initiated ­ embryonic cell is "committed  to its fate"

­happens in "tissue specifc proteins" ­ found  only in a cell type and give the cell is  structure and function

38

39

pattern formation­ spatial organization of tissues and organs

­in animals ­ begins in early       embryo

­due to positional information provided by cytoplasmic determinants and inductive 

     signals

40

Cancer

Types of genes associated with cancer1. tumor viruses­ transform cells through     integration of viral nucleic acid into host cell 

Ex. Epstein Barr virus that causes mono has             been linked to Burkett's lymphoma

Papilloma virus linked to cervical cancer

HTLV­1 (retrovirus) ­ causes adult     leukemia

41

2. Oncogenes­cancer causing genesnormal cellular genes = proto­oncogenes (code for proteins that stimulate cell growth and 

     division)­can become oncogenes via:

a. movement of DNA within genomeb. amplification of a proto­oncogene 

(more copies of a gene than normal)c. point mutations

1. within control element2. within the gene

42

change of proto­onogenes into oncogenes

43

3. Tumor­suppressor genes­ ­code for proteins that normally inhibit cell division

­any mutation that decreases the activity of these genes can cause cancer

44

other functions of proteins made from these genes:1. repair damaged DNA

2. control adhesion to cells to each other or to    extracellular matrix­ anchorage to cells is    important

45

3. regulate cell­signaling pathways that inhibit cell cycle

a. ras gene = G protein that relays a signal    from growth factor on membrane to protein    kinases

­at end of pathway ­stimulates cell cycle­will not operate unless correct amt. of 

    growth factor­mutation leads to hyperactive ras gene =   increased cell division­mutated in 30% of human cancers

46

Cell cycle ­ stimulating pathway

47

Cell cycle ­ inhibiting pathway

48

if cell cycle overstimulated or not inhibited

49

b. p53 gene­ codes for tumor­suppressor protein that synthesize growth inhibiting proteins

­in about 50% of human cancers

1. activates p which halts cell cycle

2. turns on genes involved in DNA repair

3.if cell is too damaged, signals "cell suicide" genes via apoptosis

50

So how does cancer develop?

­more than 1 somatic cell mutation is needed­longer we live the more chance for mutations­have done studies on colorectal cancer ­ gradual development­most cancers must have at least: 

one active oncogene mutation or loss of tumor­suppressor genes (need to block  both alleles ­ 

recessive)gene for telomerase is activated­ lengthens the DNA

51

development of colorectal cancer

52

Can cancer be inherited?

­if an oncogene is inherited or mutants allele of a tumor­suppressor gene­15% of colorectal cancers ­ inherited mutations­5­10% of breast cancers ­ mutations in BRCA1 or BRCA2  gene

found in 1/2 of inherited cancer­if inherits 1 mutant BRCA1 allele = 60% chance of getting breast cancer by age of 50

­normal = 2% chance­mutant alleles are recessive­wild type protects against breast cancer

53