Nov

  • October 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Nov as PDF for free.

More details

  • Words: 1,956
  • Pages: 36
Why regulation of gene expression is important? •Cellular function is largely dictated by the set of macromolecules inside the cell. •Different macromolecules accumulate to different levels under different growth  conditions and in different cell types. •Diseases can be caused by aberrant control of gene expression: too much or too little  of a protein; wrong time and wrong place for a protein.    

Transcription of DNA into RNA by  RNA polymerase­­­an overview 1.  Requires DNA template, four ribonucleotide  5’ triphosphates, Mg+2.  

 Template (non ­coding) strand

2.  De novo synthesis: does not require a primer. Low fidelity compared to DNA polymerase:  errors 1/104­105 (105 higher than DNA  polymerase).   3.  Activity highly regulated in vivo: at initiation,  elongation and termination. 4.  The nucleotide at the 5’ end of an RNA strand  retains all three of its phosphate groups; all  subsequent nucleotides release pyrophosphate  (PPi) when added to the chain and retain only  their α phosphate (red).  5.  The released PPi is subsequently hydrolyzed  by pyrophosphatase to Pi, driving the  equilibrium of the overall reaction toward chain  elongation.  6. Growth of the transcript always occurs in the      5’­to­3’ direction.

Non­template  (coding) strand

E. coli RNA polymerase holoenzyme bound to DNA

ω Subunit      Stoichiometry  Role      in holoenzyme α 2 Binds regulatory sequences/proteins β 1 Forms phosphodiester bonds β’1    σ 1  Promoter recognition ω1  RNAP assembly A single RNA polymerase makes multiple types of RNAs (rRNA, tRNA and      mRNA) in prokaryotes.

Typical E.coli promoters recognized by an RNA polymerase  holoenzyme containing σ70

Strong promoters: close to consensus sequences and spacing     Weak promoters: contain multiple substitutions at the ­35 and ­10 regions

Dissociation of RNAP and purification of σ  by ion­exchange chromatography α β σ α β’

[NaCl]

ω

[protein]

Carboxymethyl­ (­CO2­2) or  phospho­ (­PO3­2) cellulose

Fraction number α α

σ  

 

β ω

β’

The dissociable sigma subunit gives promoter specificity to  prokaryotic RNA polymerase (RNAP)

α α

β ω

β’

+

α σ β α β’

σ

ω

Core enzyme

Holoenzyme

No specific promoter binding;  tight non­specific DNA binding  (Kd ~5 x 10­12 M)

 

Specific promoter binding;  weak  non­specific DNA binding (Kd  ~10­7 M); finds promoter 10,000  times faster.  

Transcription initiation by prokaryotic RNA polymerase Holoenzyme α σ α

“sliding and scanning” Promoter ­35 ­10 β β’

Closed complex

α σ β α β’ rNTPs PPi Core enzyme

Open complex; initiation  

5’pppA

mRNA

α α  

Sigma separates  from the core  once a few  phosphodiester  bonds are formed

β β’

σ

Interactions of various sigma factors of E. coli with the same  core polymerase to form holoenzymes with different promoter­ binding specificity Sigma Factor

Promoters Recognized

Promoter Consensus

σ70 σ32 σ28 σ38

Most genes Genes induced by heat shock Genes for motility and chemotaxis Genes for stationary phase and stress response

­35 Region ­10 Region TTGACAT TATAAT TCTCNCCCTTGAA CCCCATNTA CTAAA CCGATAT ? ?

σ54

­24 Region ­12 Region Genes for nitrogen metabolism & other functions  CTGGNA

TTGCA

Heat­shock response:

High temperature induces the production of σ32, which binds to the core  polymerase to form a unique holoenzyme for recognition of the promoters of heat­ shock induced genes.   

 

Rho­independent prokaryotic transcription termination

 

 

The core polymerase pauses after  synthesizing a hairpin. If the hairpin is  really a terminator, RNA will dissociate  from the DNA strand as the A­U pairing  is unstable. Once the RNA is gone, DNA  duplex reforms and the core is driven off,  as it has low affinity for dsDNA.

Rho­dependent transcription termination

Rho­binding Site  (non­contiguous structural features in RNA): Stop  signals not  recognized by  RNAP alone.

Rho: forms RNA­dependent hexameric ATPase,  translocates along RNA 5’­to­3’, pulling RNA  away when it reaches the transcription bubble.  

Platt, Ann. Rev. Biochem. 55: 339 (1986)

 

termination

Three types of RNA polymerase in eukaryotic nuclei Type

Location

RNA synthesized

Effect of α­amanitin

I II III

Nucleolus Nucleoplasm Nucleoplasm 

Pre­rRNA for 18, 5.8 and 28S rRNAs Insensitive Pre­mRNA, some snRNAs Sensitive to 1 µg/ml Pre­tRNAs, 5S rRNA, some snRNAs Sensitive to 10 µg/ml

•  α­amanitin from Amanita Phalloides binds tightly to RNA Pol II and blocks  transcriptional elongation. •  RNA Pol I transcribe 1 gene at ~200 copies. The gene for the 45S pre­rRNA is  present in tandem array. •  RNA Pol II transcribe ~25,000 genes; •  RNA Pol III transcribe 30­50 genes at variable copy numbers.

(Also­ Organelle RNAPs in Mitochondria and Chloroplasts.  Encoded by organelle  genomes.  Similar to bacterial RNAPs.)  

 

Comparison of 3­D structures of bacterial and eukaryotic RNA polymerases

 

 

 

 

Transcription start sites can be mapped by S1 protection  and primer extension Obtained in vitro or in vivo

Red dot: 32P end label

 

 

•Mapping the start site for  synthesis of a particular  mRNA often helps identify  the DNA regulatory  sequences that control its  transcription, because  some of the regulatory  elements are located near  the start site. •The position of the start  site can be mapped from  the length of the labeled  probe segment protected  from S1 digestion (S1  protection) or the  resulting extension  product (primer  extension) on  polyacrylamide­urea gel  (same as DNA sequencing  gel). 

Core Promoter Elements

 

 

In vitro stepwise assembly of the  RNA Pol II pre­initiation complex  (PIC) at core promoter for basal  transcription

 

 

Basal (‘General’) Transcription Factors for RNA Polymerase II

 

 

Total: 43­44 polypeptides and over 2 million daltons.

“Gel shift”:  electrophoretic mobility shift assay  (EMSA) for studying DNA­protein interactions

* Protein­DNA complex

* Free DNA probe 1. 2. 3.

Prepare labeled DNA probe Bind protein Native gel electrophoresis

Advantage: sensitive  

ON: protein mixture loaded onto an ion­exchange  column. Fraction 1­22: fractions eluted from the column with  increasing salt concentrations.

Disadvantage: requires stable complex;  little information about where protein is    binding on DNA

Stepwise assembly of pre­initiation complex (PIC)  as revealed by gel shift assay

 

 

Eukaryotic transcription cycle Only the  unphosphorylated  RNA Pol II enters  PIC.

The TFIIH complex  has both helicase  and kinase activities  that can unwind  DNA and  phosphorylate the  CTD tail of RNA  Pol II.

 

 

Release of  TFIIE and then  IIH during the  synthesis of the  initial 60­70nt.

CTD

FCP1

Recycling

Pol II

Pol II

CTD

P­TEFb

TFIIH

CTD

5

CDK9

5 5 5

+1

PIC  assembly

CycT1

CTD

Pol II

Pol II

 

2 5 2 5 2 2 5 5

Pol II 5’ cap

Promoter  clearance & pausing  for capping

2 5 2 5 2 2 5 5

Pol II

2 5 2 5 2 2 5 5

RNA

Release  from  pausing

Productive  elongation

  2 CTD heptapeptide repeats: 27­52 x (YS PTS5PS)

Cis­acting control elements

(a) Genes of multicellular organisms contain both promoter­proximal elements and  enhancers (collectively referred to as cic­acting control elements) as well as a TATA  box or other core promoter element(s). (b) Enhancers function in a distance, position and orientation­independent manner. Long  distance interactions are achieved by forming looped DNA. (c)    Most yeast genes contain only one regulatory region, called an upstream activating  sequence (UAS), and a TATA box, which is ≈90 base pairs upstream from the start  site. (Also note: many yeast genes do not contain introns). (d)  In multicellular organisms, one standard promoter­proximal element is a GC­box  (GGGCGGGC) recognized by the “constitutive” transcriptional activator Sp1.  

 

DNA affinity chromatography for purification of Sp1

 

 

DNase I footprinting: a common technique  for identifying protein­binding sites in DNA.  1.  A DNA fragment is labeled at one end with  32 P (red dot). 2.   Portions of the sample then are digested  with DNase I in the presence and absence of a  protein that binds to a specific sequence in the  fragment.  3.  A low concentration of DNase I is used so  that on average each DNA molecule is cleaved  just once (vertical arrows). 

 

4.  The two samples of DNA then are separated  from protein, denatured to separate the  strands, and electrophoresed. The resulting gel  is analyzed by autoradiography, which detects  only labeled strands and reveals fragments  extending from the labeled end to the site of  cleavage by DNase I.  

Analyses of affinity­purified Sp1 protein DNase I footprint  on SV40 promoter

SDS­PAGE/   silverstain

Sp1

Lane 2 contains  total cell proteins  prior to affinity  purification; Lanes 3&4 contain  purified Sp1  protein washed off  the affinity column.  

 

NaCl

In vitro transcription assay to measure Sp1 activity •The adenovirus DNA  template used here does not  contain any Sp1­binding sites  (GC­box) and is therefore  used as a negative control. •In vitro transcription  reactions contain template  DNA, labeled ribonucleoside  triphosphates, and purified  general transcription factors  and RNA Pol II. Purified Sp1  is added to the reactions  indicated with “+”.

 

 

In vivo assay for transcription factor activity • Host cells should lack the 

gene encoding protein X  and the reporter protein.

• The production of  reporter­gene RNA  transcripts or the activity  of the encoded protein can  be assayed.

co­transfection

Reporter­gene     products  

 

• If reporter­gene  transcription is greater in  the presence of the X­ encoding plasmid, then X  is an activator; if  transcription is less, then  X is a repressor.

The Production of DNA Microarrays and Their Use in  Monitoring Global Gene Transcription 

 

 

Regulation of prokaryotic transcription 1.

Single­celled organisms with short doubling times must respond extremely  rapidly to their environment. 

2.

Half­life of most mRNAs is short (on the order of a few minutes).

5.

Coupled transcription and translation occur in a single cellular compartment.

  Therefore, transcription initiation is usually the major control point. Most prokaryotic genes are regulated in units called operons (Jacob and  Monod, 1960) Operon: a coordinated unit of gene expression consisting of one or more related  genes and the operator and promoter sequences that regulate their transcription.  The mRNAs thus produced are “polycistronic’—multiple genes on a single  transcript.

 

 

The trp operon: two kinds of negative regulation

(low trp levels)

(high trp levels)

Tryptophan + trp repressor dimer  Trp­repressor complex  activated for DNA  binding Binds Operator; blocks  RNAP binding &  represses transcription; Tryptophan a co­repressor  

 

 

 

Translation of part of the leader mRNA to produce the leader peptide  

The attenuator is a Rho­independent transcription terminator!  What is the attenuator?

 

Presence of Trp codons within the leader peptide is highly significant!   

Attenuation is mediated by the tight coupling of  transcription and translation •The ribosome translating the trp leader mRNA follows closely behind the RNA  polymerase that is transcribing the DNA template. •Alternative conformation adopted by the leader mRNA.

  completed

UUU 3’ and blocking sequence 2 Incomplete      leader      peptide

 

 

•The stalled  ribosome is  waiting for  tryptophanyl­ tRNA. •The 2:3 pair is  not an attenuator  and is more  stable than the  3:4 pair.

Two­step decoding process for translating nucleic acid sequences in  mRNA into amino acid sequences in proteins

 

 

The PhoR/PhoB two­component regulatory system in E. coli

 

 

In response to low phosphate  concentrations in the  environment and periplasmic  space, a phosphate ion  dissociates from the periplasmic  domain of the sensor protein  PhoR. This causes a  conformational change that  activates a protein kinase  transmitter domain in the  cytosolic region of PhoR. The  activated transmitter domain  transfers an ATP γ­phosphate to  a histidine in the transmitter  domain. This phosphate is then  transferred to an aspartic acid in  the response regulator PhoB.  Phosphorylated PhoB then  activate transcription from genes  encoding proteins that help the  cell to respond to low phosphate,  including phoA, phoS, phoE,  and ugpB.

Activation of σ 54­containing RNA polymerase at glnA promoter by NtrC

(kinase)

 

 

•The glnA gene encodes glutamine  synthetase, which synthesizes glutamine  from glutamic acid and ammonia.   • The σ54­containing RNA polymerase  binds to the glnA promoter, forming a  closed complex, before being activated. • In response to low levels of glutamine, a  protein kinase called NtrB phosphorylates  dimeric NtrC, which then binds to two  sequence elements (called enhancer)  located at –108 and ­140. • The bound phosphorylated NtrC dimers  interact with the bound σ54­polymerase,  causing the intervening DNA to form a  loop.  • The ATPase activity of NtrC then  stimulates the polymerase to unwind the  template strands at the start site, forming  an open complex. Transcription of the  glnA gene can then begin.

Related Documents

Nov
October 2019 20
Nov
December 2019 15
Nov
October 2019 20
Nov
June 2020 2
Nov
October 2019 19
Nov
July 2020 7