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UAB / Biology / BY 210 / How are genes regulated?

How are genes regulated?

How are genes regulated?


School: University of Alabama at Birmingham
Department: Biology
Course: Genetics
Professor: Shahid mukhtar
Term: Summer 2016
Tags: regulation
Cost: 25
Name: Genetics Lectures 13 & 14
Description: These notes cover Gene Regulation. Topics from these notes will be on Exam 2.
Uploaded: 10/15/2017
9 Pages 100 Views 2 Unlocks

BY 210 : Genetics

How are genes regulated?

Lecture 13 & 14: Gene  


Guide: highlight = key term, highlight = important concept, highlight = words/facts to know 

● Gene Regulation in Prokaryotes 

○ Cells don’t express all genes all of the time. Expression varies: 

What refers to specialized proteins that stimulate gene transcription?

■ Developmentally 

■ Between different tissues 

■ Between different environments 

○ Accomplished by proteins (regulators) that can bind to operator regions of  promoter sequences

○ Transcriptional regulation requires 

■ Regulator (protein such as a transcription factor, TF); examples: ● Dimers 

● Helix­turn­helix 

● Zinc fingers 

● Leucine zippers 

■ Operator (DNA sequence) We also discuss several other topics like What are some of the signicant arts in the 15th century?

○ Cis and Trans (regulatory elements) action 

■ Cis­acting [close] 

How can gene expression be induced?

● Affect only genes on the same chromosome 

● DNA sequence sites where regulator proteins bind (ex: 


■ Trans­acting [far out man!] 

● Produce a protein that can affect gene expression on the 

same chromosome or on other chromosomes in the cell (ex: 


○ Operons are single transcriptional units containing 

■ Structural protein (code for proteins) 

■ Promoter (binding site for RNA polymerase) 

■ Operator (binding site for regulator protein) 

○ Bacteria have operons encoded by polycistronic mRNAs 

○ In bacteria (different types of gene regulation) 

■ Constitutive: expressed all of the time

■ Inducible: normally off, turned on by the presence of an inducer  substance If you want to learn more check out What is the difference between natural selection and sexual selection?

■ Repressible: normally on, turned off by the presence of a repressor  substance 

● E. coli lac Operon If you want to learn more check out Do some photoautotrophs contain chloroplasts?

○ Structural genes are normally off but are rapidly turned on if lactose is  present in the medium

■ Lac Z: codes for the enzyme B­galactosidase 

■ Lac Y: codes for permease 

■ Lac A: codes for the enzyme thiogalactoside transacetylase 

○ Requires regulatory genes: 

■ Promoter: binding site for the RNA polymerase 

■ Operator: binding site for repressor protein (produced by regulator  gene)

■ I: regulator gene (makes the repressor protein) 

○ A negative inducible system 

■ Inducer: lactose or allolactose 

■ Works by a regulator gene encoding an active repressor and in the  presence of inducer transcription is turned on

● In the absence of lactose, the regulator protein (a repressor)  binds to the operator and inhibits transcription

■ Substrate (lactose in this case) makes the repressor inactive by  binding to its active site which releases the repressor and allows for transcription

● No transcription in the absence of lactose because do not 

want to waste energy and resources If you want to learn more check out What are some of the effects of entertainment shows?

■ Mutants 

● Mutations of the I gene are trans acting (since the repressor  protein can interact with other DNA molecules) We also discuss several other topics like How is ohm's law computed?

● Wild type lac operon 

● I^s (superrepressor) [Is O+ Z+ Y+ A+] 

○ The regulator protein has a defective inducer­binding 


○ Lactose cannot bind to the repressor so the repressor

stays bound to the operator and transcription is 

always blocked

● I­ [I­ O+ Z+ Y+ A+] 

○ The regulator protein has a defective operator­binding


○ No binding occurs so transcription is always 


■ Continuous translation and enzyme production 

● Waste of energy/materials for the 


● O^c (operator constitutive) [I+ Oc Z+ Y+ A+] 

○ Oc operator sequence is defective 

○ The repressor protein will not bind to the operator 

therefore transcription proceeds (like I­)

○ A mutation in the operator is cis­acting Don't forget about the age old question of Why is elasticity in demand always negative?

● E. coli lac operon: glucose + lactose 

○ If both glucose and lactose are present it is metabolically more efficient for the cell to utilize glucose (simple sugar)

■ If glucose is present, lac genes are repressed EVEN IN THE  PRESENCE OF LACTOSE

■ The promoter region has two binding sites 

● RNA polymerase­binding site 

● CAP­binding site (CAP=catabolite activator protein, signaling mechanism for the presence of glucose)

○ When glucose is low, there is a lot of cAMP 

(adenosine cyclic monophosphate; cyclic AMP)

■ cAMP binds to CAP protein 

● When the CAP­binding site is occupied, 

RNA polymerase can bind

■ Adversely, when glucose is high, there is little 

cAMP (inhibition of the cAMP­producing 

enzyme caused by glucose transport into the 


● CAP protein alone doesn’t bind to the 

CAP binding site

● When the CAP­binding site is 

unoccupied, very few RNA polymerase 

will bind (little transcription)

● TRYP Operon ­ repressible system  

○ In a repressible system, the repressor, by itself, will not bind to the  operator

○ If a corepressor is present, a repressor­corepressor complex will form ■ The complex binds to the operator and represses the operon ○ For the trp operon, the corepressor is tryptophan 

■ Low tryptophan: repressor cannot bind to operator  

● Transcription happens 

● no tryptophan substrate to bind to the inactive regulator 

protein/repressor so the repressor remains inactive and 

cannot bind to the operator to stop transcription

■ High tryptophan: repressor binds to the operator  

● Transcription does not happen 

● substrate tryptophan bound to the inactive regulator 

protein/repressor so the repressor becomes active and binds

to the operator so no transcription 

● Attenuation: additional level of control that affects the continuation of  transcription, rather than its initiation

○ RNA folds on itself 

● Gene Regulation in Eukaryotes’ 

○ Positive and negative regulator proteins called transcription factors bind to specific regions of DNA and stimulate or inhibit transcription

○ Most eukaryotic genes are controlled at the level of transcription by  mechanisms like those in bacteria

○ Genes are NOT organized into operons 

■ Each structural gene has its own promoter and is transcribed  separately

○ Gene regulation through: 

■ Histone modification 

■ Chromatin remodeling 

● Some regulatory proteins alter chromatin structure without 

affecting the histones directly

● Chromatin remodeling complexes bind to particular sites on 

the DNA and reposition the nucleosomes, allowing 

transcription factors to bind to promoters

■ Eukaryotic transcription 

● Specialized proteins that stimulate gene transcription 

● Can bind to core and regulatory promoter regions 

○ A typical eukaryotic gene, with its core promoter and 

proximal control region

■ Silencer 

● Control regions of DNA 

● May be located thousands of bp away 

from the gene they control

● Represses gene expression when TF 

bind to silencer

■ Enhancer 

● Regions of the DNA that interact with 

regulatory proteins to stimulate 

transcription of nearby genes

● Can be located upstream, downstream 

or even with the gene it regulates

■ Insulator 

● Stretches of DNA (few as 42 bp) located

between an enhancer and promoter or a

silencer and promoter

● Prevent a gene from being influenced by

the activation (or repression) of its 


○  Two functional domains: 

■ DNA­binding domain: binds to DNA sequences

in regulatory regions

■ trans­activating domain: activates transcription 

via protein­protein interactions

■ Post­transcriptional gene regulation 

○ Gene expression can be induced by environmental factors (ex: heat) and  signaling molecules (ex: hormones and growth factors)

○ DNA Methylation (a part of chromatin remodeling) 

■ Methylation of cytosine yields 5­methyl cytosine 

● 2 methylated C sit diagonally across each other (CpG­  cytosine and guanine separated by a phosphate)

○ CpG methylation is associated with long­term gene 


● CpG islands are often found near transcription start sites ○ About 2,000 bp in length and predominantly C and G 

■ Transcriptionally inactive (repressed) DNA is usually heavily  methylated

■ Transcriptionally active DNA is usually unmethylated 

○ Epigenetics 

■ Refers to all modifications to genes other than changes in the DNA  sequence itself

● Ex: methylation of DNA nucleotides, alterations of histones,  repositioning of histones

■ Modifications: 

● Change the structure of DNA and alter the rate of 


■ Remain for up to 7 years in the progeny and can arise during  lifespan


○ Chromatin structure and gene regulation 

■ For a gene to be transcribed, transcription factors, activators and  RNA polymerase must bind to DNA

■ DNA wrapped around histones is not available for transcription ● Before transcription, chromatin structure changes locally to  make an open configuration for DNA accessibility

■ Histone proteins can undergo various modifications that affect rates of gene transcription

● Acetylation: increases transcription 

○ Acetyltransferase (HAT) enzymes add acetyl groups 

to histone proteins and destabilize the nucleosome 

structure (makes DNA hydrophobic so the DNA is 

loose and can undergo transcription)

○ Histone acetylase: increases transcription 

○ Histone deacetylase: decreases transcription 

● Methylation: decreases transcription 

○ Histone methylation transferase: decreases 


○ Histone demethylase: increases transcription 

○ T­cell antigen receptor genes 

■ An insulator between the alpha gene promoter and the delta gene  promoter that ensures the activation of one does not spread over to the other

○ Coordinate Gene Regulation 

■ Single stimulus may turn on multiple genes 

● Extreme heat induces expression of multiple heat shock  proteins

● These genes have common regulatory sequences in their  promoters and/or enhancers

■ Multiple signals 

● Response elements are regulatory proteins (containing short consensus sequences) that bind to DNA sequences

● A single gene may be regulated by more than one response  element

● Not a characteristic of the epigenome (therefore the same in  genetically identical)

○ Gene regulation via RNA stability 

■ Amount of mRNA depends on  

● Rate of mRNA synthesis 

● Rate of mRNA degradation 

○ Usually begins at the 5’ end with the removal of the 

methyl guanine cap

○ RNA interference 

■ Small interfering RNAs and microRNAs are many in eukaryotes  (not in prokaryotes)

■ Turn off expression of specific genes by inhibiting translation or by  degrading mRNA

● Translational Control 

○ The initiation of translation in some mRNAs is regulated by proteins that  bind to the mRNAs 5’ UTR and inhibit ribosomes

■ Similar to repressor proteins binding to operators to prevent  transcription of genes

○ Decoy AUG codons in 5’ UTR 

■ 5’ UTR can have a AUG region that can trick the ribosome AUG ■ Possibly 1, 2, and 3 amino acids then it will terminate because of a  stop codon

● Random Notes?! 

○ P53 is a key suppressor 

■ 50% of all cancers have mutated p53 

○ Broccoli gets rid of histone deacetylase 

○ Green tea gets rid of histone methyltransferase 

● Flowering time control in arabidopsis 

○ FLC: flowering locus C, when active suppresses flowering 

○ FLD: histone deacetylase enzyme, deacetylates FLC leading to  depression of flowering (just chromatin level)

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