Presented by Dr. Sameer Hasan Qari
Copy Rights @ Dr. Gamal. Haredy
Gene Regulation
high carb/low fat (sustained) °
insulin °
increased transcription
acetyl-CoA carboxylase
fatty acid synthase
Genes can be regulated at many levels
RNA PROTEIN
DNA
TRANSCRIPTION TRANSLATION
The “Central Dogma”
click here and then select “Control of Gene Expression in Eukaryotes (959.0K)” for an animation on gene expression
1 - همدقملا
2 - ةيلمع ميظنت خاسينتسا
ةاونلا ةيئادب يف mRNA
أ- لغشملا موهفم
ب - ماظن لغشم زوتكلاا
lac operon
ج - لغشمل بلاسلا ميظنتلا زوتكلاا
د - ماظن لغشمل بجوملا ميظنتلا زوتكلاا
ه - ماظن لغشم نافوتبرتلا
ينيجلا ريبعتلا ميظنت
1. Introduction
2. Regulate the transcription process of mRNA in the prokaryotes
• The concept of the operator
• operator of the Lac system
• Negative organization of Lac operon
• Positive regulation of the Lac system operon
• Operon of the tryptophan system
1. Organization of gene expression in the eukaryotes.
ميظنت يربعتلا
نييلجا وه
هسم ا
هيساس في
ظفح لماكتلا
يفيظولا هيلخلل
. ةيلمعو ميظنتلا
هذه ثدتح قرطب
هفلتمخ اهنم
ميظنت بجوم
رخاو ميظنت بلاس
. ءدب دنع ميظنتلا ثديحام ابلاغ ةاونلا ةيئادب في خاسنتسا
.mRNA اما
في ةيقيقح ةاونلا
خاسنتسا نوكيmRNA
رثكا هيلعواديقعت
دجوت رثكا
نم هيكيناكيم ةيلمعل
ميظنتلا
. تانيتورب طابترا للاخنم ثديحةاونلا ةيئادبوةيقيقح فيخاسنتسلاا ميظنتكلذنم مغرلابو عم
لسلست ينعم
ىلع طيرش جتنيDNA
اما هدايز وا
ناصقن في
لدعم خاسنتسلاا
. صصختلما خاسنتسلاا وهو ةاونلا ةيقيقح في هصاخ هيكيناكيم كلانهو عونب
ايلالخا اذهو
ققحتي نم
للاخ هلجاعلما
هيرايتخلاا وا
هليدبلا (
alternative (processing طيرشل
يلولااmRNA يرغ
جضانلا نيوكتو
هطرشا هفلتمخ
نم لماRNA لسار
يلاتلابو هتجمرت
لىا .هيللخاكلتةفيظوبهقلعتمهفلتمختانيتورب
ثدحت ةيلمع
ميظنت ريبعتلا
ينيجلا يف
ايرتكبلا نم
للاخ ميظنت
ةيلمع أدب
سلاا خاسنت لاثمو
ىلع
كلذ وه هرطيسلا هبجوملا
هبلاسلاو لغشمل
ماظن زوتكلاا lac operon
يف ايرتكب E. coli
موهفم لغشملا
( (operon concept
دجوي اذه
ماظنلا يف
يف ةيئادب ةاونلا
طقف
، وهو هعومجم نم
تانيجلا هيبيكرتلا
( structural . .
(genes ةفاضلإاب
ىلا ةقطنم همظنم
( regulator region ( مظنت
لمع كلت
تانيجلا .
تانيجلا
هيبيكرتلا رفشت
تانيتوربل وا
تاميزنا هصاخ
هفيظوب هيضيا
هنيعم .
نوكي قوم
ع هقطنملا
همظنملا يف
ىلعا كلت
تانيجلا (
5 )\
نوكتو يه
هرطيسملا ىلع
ةيلمع ريبعتلا
ينيجلا .
لغشم ماظن
زوتكلاا lac operon
فلأتي اذه
ماظنلا نم
ثلاث تانيج
هيبيكرت يهو
( (Z,Y,A هذه
تانيجلا رفشت
هعومجمل نم
تاميزنلاا هيرورضلا
يف ضيا زوتكلاا
يهو بسح
لسلستلا (
β-galactosidase, permease,
transacetylase) .
يف نيح رفشت هقطنملا
همظنملا نيتوربل(i)
ىعدي حباكلاب
repressor
يذلا هرودب
طبتري عم
لسلست نيعم
نم دعاوقلا هينيجورتنلا
ىلع طيرش
يذلاو DNA
ىمسي operator
يذلاو نوكي
هعقوم رواجم
تانيجلل هيبيكرتلا
. اما ميزنا ةرملب
RNA
polymerase يذلا
عرشي يف
ةيلمع خاسنتسلاا
طبتري ملاب
زفح promoter
.
لغشمل بلاسلا ميظنتلا زوتكلاا
negative regulation of the lac
operon
نيتلاح نمضتي اذهو :
هلاحلا ركس بايغ ةلاح يف ،ىلولاا
زوتكلاا طبتري ، طسولا يف
نيتورب
لاب حباكلا operator
ةرملب ميزنا طابترا عنميو ملابRNA
زفح promoter لمعل
طيرش يلوسرلاRNA
. اما هلاحلا هيناثلا
ركس دوجو يه ، زوتكلاا
لوحتي هيفو زوتكلاا
ىلا 1,6
allolactose لاب هطابترا عنميو حباكلاب طبتري يذلا
operator .
تانيجلا خاسنتسا متي اهنيح
هيبيكرتلا ةرملب ميزنا ةطساوب
.RNA
امدنع نوكي
كلانه زيكرت
يفاك نم
يركس زوتكلاا
لاوا ج زوكول يف
طسولا لا
نوكت كلانه
هجاح ليغشتل
ماظنلا اما
يف ةلاح دوجو
زيكرت ليلق
نم ركس لا
ج كول زو
متي طيشنت operator
نم للاخ هيكيناكيملا
هيلاتلا :
1 طبتري- عمcAMP
نيتتورب ىعدي
نيوكتل CAP دقعم
2 - طبتري دقعملا
هلاعا عم
ريثملا promoter
يذلا زفحي
ميزنا ةرملب
ىلعRNA ا
طابترلا ريثملاب
3 - خاسنتسا تانيجلا
هيبيكرتلا ةطساوب
ميزنا لب
ةرم .
ماظن لغشمل بجوملا ميظنتلا زوتكلاا
positive regulation of the lac operon
لغشم ماظن
نافوتبرتلا Tryptophan operon
يوتحي نوربوا
نافوتبرتلا ىلع
سمخ تانيج
هيبيكرت (
(Trp A, Trp B, Trp C, Trp D,
كرتشت TrpE هذه
تانيجلا سمخلا
يف جاتنا ثلاث
تاميزنا لوحت
بكرم لا
chorismate ىلا
نافوتبرت .
عقي ملا زفح يف
promoter ىلعا
هيبيكرتلا
،تانيجلا عقي
نيجلا يميظنتلا
Trp R
رفشملا نيتوربل
حباكلا repressor
ىلع هفاسم
هديعب نع
لا operator .
متيو ميظنت
ريبعتلا
ينيجلا يف
اذه لغشملا نم
للاخ هيكيناكيملا
هيلاتلا :
لاوا يف ةلاح بايغ نافوتبرتلا
، نوكي حباكلا
ريغ لاعف
كلذبو طبتري
ميزنا ةرملب
عقومبRNA ملا
زفح اخسنتسم
تانيجلا هبيكرتلا
يتلاو ي
مت
اهتمجرت ىلا
تاميزنا لوحت
لا chorismate
ىلا نافوتبرت .
هلاحلا هيناثلا
يهو دوجو
نافوتبرتلا يف
طسولا
، اهدنع طبتري
نافوتبرتلا حباكلاب
هطشنيو كلذبو
بتري ط اب ل operator
كلذبو فقوتي
خاسنتسلاا
PROKARYOTIC
REGULATION
The lac operon contains genes for the use of lactose as an energy source.Regulatory regions of the operon include the CAP
binding site, promoter, and the operator.
The coding region contains genes for 3 enzymes:
b-galactosidase, permease, and transacetylase
PROKARYOTIC REGULATION
The lac operon is negatively
regulated by a repressor protein:
lac repressor binds to the
operator to block transcription
in the presence of lactose, an inducer molecule binds to the repressor protein
repressor can no longer bind to operator
transcription proceeds
11
PROKARYOTIC
REGULATION
In the presence of both glucose and lactose,bacterial cells prefer to use glucose.
Glucose prevents induction of the lac operon.
binding of CAP – cAMP complex to the CAP
binding site is required for induction of the lac operon
high glucose levels cause low cAMP levels
high glucose low cAMP
no induction
PROKARYOTIC REGULATION
The trp operon encodes genes for the biosynthesis of tryptophan.
The operon is not expressed when the cell contains sufficient amounts of tryptophan.
The operon is expressed when levels of tryptophan are low.
13
PROKARYOTIC REGULATION
The trp operon is negatively regulated by the trp repressor protein
trp repressor binds to the operator to block transcription
binding of repressor to the operator requires a corepressor which is tryptophan
low levels of tryptophan prevent the repressor from binding to the operator
نوكت ةيلمع
ميظنت ريبعتلا
ينيجلا يف
ةيقيقح ةاونلا
رثكا اديقعت امم
هيلع يف ب ةيئاد ةاونلا لمشتو
ميظنت .1 ةيلمع
أدب خاسنتسلاا
هجلاعملا .2 هيرايتخلاا
وا هليدبلا
ميظنت .3 ةيلمع
أدب همجرتلا
ميظنت ةيلمع
أدب خسنلا
Regulation of the initiation of transcription
يف ةيقيقح ةاونلا
كلانه لماوع
خاسنتسا (
(transcription factors مهاست
يف نيوكت دقعم
أدبلا
نم للاخ اهطابترا
ملاب زفح يذلاو حمسي
طابتراب ميزنا
ةرملب RNARNA polymerase II
،
نكلو كانه
لماوع خاسنتسا
هصصختم (
(Specific transcription factors اهل
هردقلا ىلع
طابترلاا تلاسلستب
همظنم ىلع
طيرش ىعدت DNA
Enhancer وا
Silencer يتلاو
لمعت
ىلع ريوحت يف
نيوكت دقعم
أدبلا اذكهو مظنت
لدعم خاسنتسلاا
.
لماوع خسنلا
( (Transcription factors
يهو تانيتورب
طبترت تلاسلستب
همظنم ىلع
طيرش ( DNA
(regulatory sequence
،
هفاضلااب ىلا
ةيناكما اهطابترا
ميزناب ةرملب
لماوعبوRNA خاسنتسا
ىرخا .
كلمت ىلع
لقلاا
نيلقح طابترلال
binding domains امهدحا
ىعدي
"
لقح طابترلاا
ب DNA DNA –
binding domain
"
رخلااو ىعدي
"
لقح طيشنتلا Activator domain
"
تلاسلست Enhancer and Silencer
يهو تلاسلست
هنيعم نم
دعاوقلا هينيجورتنلا
ىلع طيرش
طبترت DNA اهب
لماوع خاسنتسلاا
هصاخلا يتلاو
نم اهللاخ متي
ميظنت ةيلمع
خاسنتسلاا .
Enhancer لمعت
ىلع ةدايز
لدعم
خاسنتسلاا نوكيو
اما يف ىلعا 5
وا \
لفسا 3
ريثملا\
. اما لسلست Silencer
لمعي ىلع
طيبثت
خاسنتسلاا
هجلاعملا طيرشل
mRNA
نا ةخسن يلوسرلاRNA
يلولاا mRNA primary
يف ةيقيقح ةاونلا
يناعي ددع
نم تاريوحتلا
ضرغل نيوكت
طيرش يلوسر RNA
جضان .
دحا هذه تاريوحتلا دوجو
هعبقلا ىلعcap
هياهنلا 5
\
كلذكو دوجو
لسلست AAUAAA
رشؤمك ىلع
ةيلمع فذحلا
هلصاحلا ىلع
هياهنلا 3
ةفاضاو \
هدعاقلا هينيجورتنلا
نيندلاا نيوكتل
poly adenosine tail .
نا هجلاعملا هريغتملا
كلتل تارشؤملا يف
نيوكت ةطرشا
هجضانmRNA حمسي
نيوكتب ةطرشا
هفلتخم mRNA نم
سفن نيجلا خوسنملا
نمو مث
ةمجرت كلت
خسنلا خسنلا
ىلا نيتورب تا
هفلتخم
،
لاثم ىلع كلذ ايلاخلا هينيبلا
cell stromal هعقاولا
نيب تابيرج هدغلا
هيقردلا يوتحت
ىلع RNA
يلوسر لمحي
تامولعم هيثارو
رفشت نومرهل
لا calcitonin مظنملا
زيكرتل مويسلاكلا
يف مدلا
اضياو لمحي
تامولعم هيثارو
هرفشم لل
نيتوربCGRP مظني
نيوكت تلابقتسملا
هيسحلا .
يف
ايلاخلا هينيبلا
لازت تامولعملا
هيثارولا هرفشملا
كلتل تلابقتسملا هتمجرتو
ىلا ره نوم نينوتسلاكلا
، يف نيح يف نيح يف ايلاخلا هيبصعلا
متي ةلازا لا
م تامولع هيثارولا
هرفشملا نومرهل
نينوتيسلاكلا
ةتمجرتو ىلا
ميظنت ةيلمع
أدب همجرتلا
Regulation of the initiation of translation
ةيلا ةمجرت تامولعملا
هيثارولا ىلا
نيتورب مظنت
نم نم للاخ هرطيسلا
ىلع ةيلمع
ءدب ا همجرتل
لوؤسملاو اهنع
تانيتورب همظنم
اهل هردقلا ىلع
طابترلاا تلاسلستب
هنيعم ىلع
طيرش mRNA
لاثم ىلع كلذ نيتورب ىعدي
IR- binding protein يتلا
طبترت تلاسلستب
( IR 5\
) هدوجوملا
ىلع Ferretin mRNA
عنمتو نم
نيوكت نيتورب
ferretin
، اما يف ةلاح عافترا زيكرت
ديدحلا
طبتري ديدحلا
عم IR- binding protein ريغيو
نم هتئيه حبصيو
ريغ رداق ىلع
طابترلاا
لسلستب كلذبو IR
متي ةمجرت يلوسرلاRNA
ىلا نيتورب Ferretin
.
ثدحيو ميظنتلا
اضيا نم
للاخ هرطيسلا
ىلع ةيتوبث
طيرش مدعو mRNA
هللحت امم
يدؤي ىلا
ةدايز لدعم
عينصت نيتوربلا
، كانهف تلاسلست
هدوجوم برقلاب
نم هياهنلا 3
للقت \
نم
،هتيتوبث
لباقملابو دجوت
تانيتورب لمعت
دض كلت تلاسلستلا يلاتلابو
دادزي لدعم
عنص لا
نيتورب
TRANSCRIPTIONAL REGULATION
GENE
ACAGTG A
TRANSCRIPTION FACTOR
PROTEIN
GENE
ACAGTG A
TRANSCRIPTION FACTOR
PROTEIN
TRANSCRIPTIONAL REGULATION
Source: Lecture Notes by Prof. Saurabh Sinha, UIUC
EUKARYOTIC
REGULATION
Controlling the expression of eukaryotic genes requires transcription factors. general transcription factors are required for transcription initiation
required for proper binding of RNA
polymerase to the DNA
specific transcription factors increase transcription in
certain cells or in response to signals
EUKARYOTIC
TRANSCRIPTION
General transcription factors bind to the promoter region of the gene.RNA polymerase II then binds to the promoter to begin
transcription at the start site (+1).
Enhancers are DNA
sequences to which specific transcription factors
(activators) bind to increase the rate of transcription.
23
EUKARYOTIC TRANSCRIPTION
Coactivators and mediators are also required for the function of transcription factors.
coactivators and mediators bind to transcription factors and bind to other parts of the transcription apparatus
EUKARYOTIC CHROMOSOME STRUCTURE
Eukaryotic DNA is packaged into chromatin.
Chromatin structure is directly related to the control of gene expression.
Chromatin structure begins with the organization of the DNA into nucleosomes.
Nucleosomes may block RNA polymerase II from gaining access to promoters.
25
Methylation (the addition of –CH3) of DNA or histone proteins is associated with the control of gene
expression.
Clusters of methylated cytosine nucleotides bind to a protein that prevents activators from binding to DNA.
Methylated histone proteins are associated with inactive regions of chromatin.
EUKARYOTIC CHROMOSOME STRUCTURE
POSTTRANSCRIPTIONAL REGULATION
Control of gene expression usually involves the control of transcription initiation.
But gene expression can be controlled after transcription, with mechanisms such as:
RNA interference
alternative splicing
RNA editing
mRNA degradation
27
POSTTRANSCRIPTIONAL REGULATION
RNA interference involves the use of small RNA molecules
The enzyme Dicer chops double stranded RNA into small pieces of RNA
micro-RNAs bind to complementary RNA to prevent translation
small interfering RNAs degrade particular mRNAs before translation
POSTTRANSCRIPTIONAL REGULATION
Introns are spliced out of pre-mRNAs to produce the mature mRNA that is translated.
Alternative splicing recognizes different splice sites in different tissue types.
The mature mRNAs in each tissue possess different exons, resulting in different polypeptide products from the same gene.
29
POSTTRANSCRIPTIONAL REGULATION
RNA editing creates mature mRNA that are not truly encoded by the genome.
For example –
apolipoprotein B exists in 2 isoforms
one isoform is produced by editing the mRNA to create a stop codon
this RNA editing is tissue-specific
Mature mRNA molecules have various half-lives depending on the gene and the location (tissue) of expression.
The amount of polypeptide produced from a particular gene can be influenced by the half-life of the mRNA molecules.
31
PROTEIN DEGRADATION
Proteins are produced and degraded continually in the cell.
Proteins to be degraded are tagged with ubiquitin.
Degradation of proteins
marked with ubiquitin occurs at the proteasome.
33
Greetings of
