General Aspects Of Prokaryotic Gene Regulation Flashcards
What are the characteristics of a microbial cell?
- Large surface (s/v)
- Limitation in environment (dependance → stress)
» Phenotypic and genotypic adaption is necessary - Hight growth rate
» selection for new genotypes
» selection for uptake of nutrients
What sets the limits for adaption?
The Genotype, which is specified by the environment conditions
Wie sieht die der Weg von Signal bis Adaption aus?
Signal»_space; Signal receptor»_space; Effector»_space; Adaption
Wo kann die Adaption erfolgen?
- Metabolismus
- Differential gene expression
- Membrane
Who decides which genes are active?
Promotoren:
(A) Constitutive (bestimmend): immer aktiv (unter vielen Bedingungen) mit großer Varianz
(B) Regulated constitutive: mittelding
© Environmental dependent: schwach aktiv, aber spezifisch stark!
How is gene regulation achieved?
- Repressor
- Activator
- Alternative transtricption factors (Sigma-Factor)
- Pretermiantion of transcription
- Posttranscriptional regulation
Wie sind prokaryotische Gene organisiert?
(von 5’ in 3’ Richtung)
1. Promotor: -35 (TTGACA), 17 bp spacer, -10 (TATAAT)
» damit die RNA-Polymerase die Sequenz findet; Bindestelle für regulatorische Proteine
2. RNA
2.1 5’ UTR
» keine Codierung, dafür Ribosombindestelle (RBS: AGGAGG)
2.2 ORF
» open reading frame mit Proteinsequenz, beginnt mit AUG und endet mit UAA, UAG oder UGA
2.3 3’ UTR
Wo können regulatorische Proteine ansetzen?
- vor dem Promotor
- an dem Promotor
- an 5’ UTR
Aus welchen Untereinheiten besteht die RNA Polymerase - core enzyme?
1x beta (151 kDa)
1x beta’ (155 kDa)
2x alpha (36,5 kDa)
klein omega (11 kDa)
Was ist die Aufgabe der einzelnen Untereinheiten der RNAP?
beta’: DNA binding
beta: Chain initiation and elongation
alphas: Chain initiation, interaction with regulatory proteins and upstream promotor elements
omega: structural role (RNAP assembly, sigma-factor recruitment, beta’ folding and protection; functional role (stress adaptation, mediation of stringent response, stationary phase survival, transcription regulation)
Wozu ist das core-enzyme in der Lage und wozu nicht?
kann: transcription élongation
NICHT: initiation
Wie ist das RNAP holoenzyme aufgebaut und wozu ist es in der Lage?
Core enzyme + Sigma-Faktor (promotor recognition)
Able to initiate transcription
Wie viele Sigma-Faktoren für die RNAP gibt es in E.coli?
7 (unter anderm Sigma70, 38, 54) und passende Anti-Sigma-Faktoren
In welcher Reihenfolge baut sich die RNAP auf?
- Parallel:
alpha1alpha2 + beta
beta’+ omega - alphasbeta + beta’omega = core-enzyme (alphasbetabeta’omega)
- core + Sigma-Factor = Holoenzyme
> > Setzt an Promotor der DNA und Transkription ist initiiert
Wo wird die DNA entbunden?
im aktiven Zentrum der RNAP
Was sind die 3 Hauptschritte der Transkription?
- Initiierung
- Elongation
- Terminierung
Welcher Sigma-Faktor kommt am häufigsten vor in E. coli?
Housekeeping Faktor Sigma 70 oder RpoD, sowohl in Wachstums und Stationäre Phase. Ca. 1000 Gene sind unter Kontrolle des Faktors
Wie viele RNA Polymerasen pro Zelle sind in E. coli?
2000 (für definierte Umgebung)
darunter 1300 involviert in Transkription und 700 nicht
Welche Proteine haben einen Effekt auf die Transkription?
Sigmafaktoren: 7 Stück
Transkriptionsfaktoren (TF): (Klasse I-IV) 300 Stück, darunter 289, die an DNA binden
(ein TF kann in mehrere Klassen vorkommen, je nach Bindung und entsprechender Auswirkung)
Welche Mechanismen der Transkriptionsrepression gibt es?
- Repression by steric hindrance
- Repression by looping
- Repression by modulation of an activator
- Repression of abortive transcription
Welche Mechanismen der Transkriptionsaktivierung gibt es?
KOMMEN NICHT SO HÄUFIG VOR WIE REPRESSION
1. Class 1 activation
2. Class 2 activation
3. conformation change
4. repositioning
5. Independent contacts
6. co-operative binding
7. Anti-repression
Wo ist der Unterschied zu der positiven und negativen Kontrolle bei der transkriptionalen Regulation von katabolischen Operons?
negative: man inaktiviert den Repression und das Operon ist “an”
positiv: am aktiviert den Aktivator und das Operon ist “an”
Was macht das lac-Operon aus?
- uptake and utilization of lactose as alternative carbon source
- 3 structural genes: 1. lacZ (beta-Galactosidase), 2. lacY (Permease), 3. lacA (Transacetylase)
- ein Kontrollgen: lacI (Repression des lac Operons)
- zwei regulatorische Elemente: Operator (binding Site for lacI) und CAP (catabolite activator Protein) binding site
Was macht LacI aus?
- tetrameric repressor binds to operator and blocks transcription
- binding of inducer 1,6-allolactose reliefs repression
Wie ist der lac Promotor organisiert?
- O1 ist die main Operator binding Site (bound w/ high affinity)
- O2 & O3 sind auxiliar (Assistent) operator binding sites (bound w/ low affinity)
- Presence of at least one auxiliary operator binding site allows loop formation and increase repression to 2300x (O1/O3) and 6100x (O2/O1)
- Presence of all three operator binding sites increases repression to 8100x (dann ist DNA geknickt)
Was ist ein weiterer (2.) Regulator des lac operons?
cAMP-CAP
keine Glucose»_space; ATP zu cAMP»_space; Bildung cAMP-CAP Komplex»_space; Gen ist aktiviert
Wie intensiv ist die jeweilige Expression der Lac Gene in folgenden Cases und warum?
(A) High Glucose + No Lactose
(B) Low Glucose + No Lactose
© High glucose + High Lactose
(D) Low glucose + High Lactose
(A) No activation + No derepression
» Lac Gene nicht expressed
(B) activation + No derepression
» Lac Gene nicht expressed
© No activation + derepression
» Very low level of gene expression
(D) Activation + Derepression
» Strong expression of lac operon
Was ist araBAD?
The L-arabinose operon, also called the ara or araBAD operon, is an operon required for the breakdown of the five-carbon sugar L-arabinose in Escherichia coli.[1] The L-arabinose operon contains three structural genes: araB, araA, araD (collectively known as araBAD), which encode for three metabolic enzymes that are required for the metabolism of L-arabinose.[2] AraB (ribulokinase), AraA (an isomerase), AraD (an epimerase) produced by these genes catalyse conversion of L-arabinose to an intermediate of the pentose phosphate pathway, D-xylulose-5-phosphate.[2]
Was ist der P BAD Promotor?
PBAD (systematically araBp) is a promoter found in bacteria and especially as part of plasmids used in laboratory studies. The promoter is a part of the arabinose operon whose name derives from the genes it regulates transcription of: araB, araA, and araD.[1][2] In E. coli, the PBAD promoter is adjacent to the PC promoter (systematically araCp), which transcribes the araC gene in the opposite direction. araC encodes the AraC protein, which regulates activity of both the PBAD and PC promoters.[3][4][5] The cyclic AMP receptor protein CAP binds between the PBAD and PC promoters, stimulating transcription of both when bound by cAMP.[6]
Wird PBAD positiv oder negativ von AraC reguliert?
Beides
Was ist AraC?
Transkriptionsregulator, welcher einen Komplex mit L-arabinose formt.
Ohne L-Arabinose formt der AraC Dimer mit der Sauerstoff- und I1-Seite des araBAD Operons einen 210bp langen DNA loop
Welche 2 events sind notwenig für die maximale transkriptionale Aktivierung des araBAD Promotors (pBAD)?
- L-Arabinose binds toAraC»_space; AraC releases O2 site and binds I2 site adjacent to I1. This releases the DNA loop and allows transcription.
- The catabolite activator protein (CAP)-cAMP complex binds to the DNA and stimulates binding of AraC to I1 & I2.
Was ist die transcriptional attenuation?
Mechanismus, der eine premature Beendigung der Transkription ermöglicht. Attenuation = Abschwächung
Was sind die Vorteile der transcriptional attenuation?
- connection between gene expression and metabolic status
- energy efficient process»_space; only few sequence information necessary
- not necessarily a need for additional factors (ligands, proteins,…)
Was ist ein Beispiel einer transcriptional attenuation?
Die Regulation des trp operons in E.coli
Was ist die Translational attenuation?
Translational attenuation is a regulatory mechanism analogous to ribosome-mediated transcriptional attenuation. The system requires the presence of a short ORF, called a leader peptide, encoded in the mRNA upstream of the ribosome-binding site and start codon of the gene whose translation is to be regulated.
Was ist die Hierarchie der Regulation der Gen Expression
kleinste: Gene: einfachste transkriptionelle Einheit, welche ein Protein kodiert
2. Operon: Transkriptionelle Einheit, welche mehr RBS (Ribosomale Bindestelle) enthält
3. Regulon/Modulon: mehrere Operons/Gene scattered through the chromosome, welche aber den gleichen Regulator haben (cAMP, ppGpp, Sigma32 heat shock response, …)
größte: Stimulon: Summe von Genen, die zu dem selben Stimulus reagieren (z.B Glucose, Starvation, Heat Shock, Osmanischer Stress)
Wo ist der Unterschied zu der positiven und negativen Kontrolle bei der transkriptionalen Regulation von anabolischen Operons?
negative: man inaktiviert den Aktivator und das Operon ist “an”
positiv: am aktiviert den Repressor und das Operon ist “an”
