01 Genome Flashcards
! Zentrale Dogma der Molekularen Biologie
Proteinbiosynthese, unidirektional:
- DNA auf (Transkription) = langzeitige Speicherung
- RNA auf (Translation)
- Protein = aktive Nutzung
- Teil:
RNA-Viren und Retroviren haben die Möglichkeit ihre RNA langfristig zu speichern und erst unter bestimmten Bedingungen mit einem Enzym die RNA mit einer reversen Transkription in DNA umzuschreiben.
Zellteilung:
DNA zu DNA (Replikation)
Wichtig: universelle Anwendung auf alle Stämme (Eukaryonten, Bakterien und Archaen)
! Genom Größe
- Starke Unterschiede
- Pflanzen haben i.d.R. größere Genome
- Anzahl der Genome =/= Komplexität
Escherichia coli: +/- 4.5 Mio Basenpaare (einzelne Nukleotide)
Kodieren +/- 4.300 Proteine
1 Protein = 1000 Basenpaare
Mensch: 3x 10^9 bp = 1 Meter (reine physikalische DNA)
DNA muss aggregiert verpackt werden.
Chromosome
Größere Organisationseinheiten der DNA in der Zelle.
Bakterie = 1 Chromosom
Mensch: 46 einzelne Chromosome (jedes DNA Molekül liegt in 2 Kopien vor) 2x22 + 2 Geschlechtschromsome
Huhn: 78
! Chromosome Mensch vs. Bakterien
Das menschliche Genom ist um die 1000x länger als das des E. coli aber enthält nicht 1000x mehr Gene sondern nur 5x mehr Gene.
E. coli kann also sehr kompakt seine Gene in der DNA-Sequenz verpacken.
= Codierende Dichte
= schnelle Zellteilung, schnelle Anpassung auf Umflüsse
= wenig DNA-Zwischensequenz
Menschliche Genom / Chromosome
Besteht aus 23 Chromosomenpaare 1 von Mutter, 1 vom Vater.
- ist das Geschlechtschromosom.
Das weibliche Chromosom ist größer = andere Immuneigenschaften/Krankheitsverläufe
! Chromosom Struktur
Chromosom: besteht aus 2 einzelnen Chromatiden, 2 einzelnen DNA Strängen die an der Mitte am
Centromer in einem Proteinkomplex (Kinetochorkomplex) miteinander verknüpft.
Die Enden der Chromosomen heißen Telomere.
Wichtig: bei der Zellteilung muss sichergestellt werden, dass jede Tochterzelle den gleichen, identischen Chromosomensatz empfängt. Genau 1 Kopie um Mutationen zu verhindern.
Mitose: Trennung der Chromosomen durch Mikrotubuli
! Menschliche Genom
23 Chromosome
3x10^9 Basenpaare
ca. 20.000 Gene (1 Gen = 150 kbp)
Kodierende DNS: 2% (der Nukleotide) vs. Nicht-Kodierende (Regulation von Genen = Phänotyp der Zelle): 98%
Intron / Exon
Genom Bereiche:
Intron: Bereiche in die Genome eingeführt sind aber nicht kodieren
Exon: Protein kodierende Bereiche des Gens = Gesamtheit aller kodierenden Bereiche
Gen Organisation
Verschiedene Größe an “Schnipseln” von Introns und Exons.
Vorteile: das Gen kann ausgetauscht und modifiziert werden.
! Alle Intronbereiche spielen nur eine Rolle im Genom und müssen entfernt werden, um die fertige mRNA abzulesen und Proteine zu synthetisieren.
Nur die kodierenden Bereiche bleiben übrig.
DNA in RNA in mRNA
! Molekulare Struktur der DNA/DNA
Nukleotide (einzelne Glieder der Kette die den DNA-Doppelstrang zusammensetzen)
3 Elemente: - Base - Zucker (Ribose) - Phosphat-Rest (Säure) = Nukleotid/Nukleosidmonophosphat
Nukleosid: Base + Zucker
Die Basen machen die Unterschiede aus.
! Nukleotid Basen
A (Adenin) Purinbase (2 Heterozyklen)
G (Guanin) Purinbase
T (Thymin) Pyrimidinbase (1 Heterozyklus)
C (Cytosin) Pyrimidinbase
DNA Struktur
Watson-Crick Doppelhelix
2 Stränge die zueinander revers komplementär (antiparalell) sind.
Rückrad aus Phosphatresten über die die Kette verbunden ist.
Innen die Basen-Latten mit 2-Strängen Doppelpaarungen über Wasserstoffbrücken ausbilden, diese Paarungen sind spezifisch: G-C und A-T.
5’-3’: oben nach unten.
!DNA Strukturen:
Primäre: Abfolge der Nukleotide (linear)
Sekundäre: Gibt gewisse räumliche Zuordnung, ob revers komplementär
Tertriäre: Tatsächliche räumliche Struktur
! Doppelstrang muss sich nicht zwischen unterschiedlichen Molekülen ausbilden, sondern ein einzelsträngiger DNA-Strang/RNA-Strang kann auf sich selbst zurückfalten (Stem loop). Passiert, wenn die Basenpaare zusammenpassen (Zwang zur Komplemenärität).
! DNA-Verpackung
Eukaryoten: Histone + Nukleosome
DNA wird um Histonekerne drumherum gewickelt.
2x um den Histon.
Linker Verbindungs-DNA.
Histonkern: 2x 4 Histone: 2x (H2A + H2B + H3 + H4) bilden einen Komplex (Proteine)
Beinhalten auffällig viel Lysin und Arginin, die positiv geladen sind.
DNA ist negativ geladen (Rückgrat) = Wechselwirkungen ermöglichen enge Verpackungen um den Histonkern.
Beads on a String
Die DNA ist um den Histonkern herumgewickelt.
> Solenoide (Zylinderspule)
Linker Histon H1 setzt an und verknüpft DNA-Perlen und bilden Superhelix
! Woher weiß die DNA wie eng die DNA verpackt werden soll?
Modifikation der Histonmoleküle spielt eine Rolle.
Histone als Proteine können nicht weiter modifiziert werden indem einzelne Amino-Reste oder Histone: methyliert, phosphoryliert, ubiquitiniert, acetyliert und anders modifiziert werden.
!2 Enzymklassen die die Acetylierung in beide Richtungen katalysieren:
- HAT = Histon Acetyl Transferase (-NH-CO-CH3 wird drangehängt)
- HDAC = Histon Deacetylase (-NH+3)
=reversibel katalysiert
Enge Verpackung: OHNE Acetylierung
Nicht enge Verpackung: MIT Acetylierung
= Steuerung der Verpackung
(DNase Footprinting > Schnitt durch Endonuklease innerhalb des DNA-Strangs weil sie an lockeren Stellen anfällig ist)
DNA Organisation: Chromatin
Charakterisierung der DNA im Zellkern in Form von Chromatin.
Lose verpackt: Euchromatin (aktive DNA “turned on”, ist nur um Histone gewickelt > Nukleosom)
Dicht verpackt: Heterochromatin (inaktive DNA “turned off”, Nukleosome sind in Solenoide aggregiert)
(ATAC-seq: Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing: welche Stellen/Genome sind aktiv)
Zusammenfassung DNA-Verpackung
(1)
Erhöhte Dichte der DNA von DNA-Doppelstrang zu
+ Histonkern
Nukleosme “Beads on a String” (Gene unter aktiver Transkription)
+ H1
Solenoid 30nm Faden (weniger aktive Gene)
+Scaffold Proteine, Matrixproteine,
Gibt an welcher Zellzyklus:
- inaktiv während der Zellteilung, die aktive Nutzung der DNA ist heruntergefahren und noch dichter verpackt und erhöht die Chance dass die Chromosomen akkurat verteilt werden
(2)
Aktives Chromosom während der Interphase (Mitosen): Zelle ist aktiv
Inaktives Chromosom während der Metaphase (2. Phase zwischen Mitose-Meiose): Zelle ist inaktiv
