Genetik 2 Flashcards
Das zentrale Dogma der Molekularbiologie
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DNA (Replikation) –> RNA (RNA Transkription u. reverse Transkription)—> PROTEIN (Translation)
RNA: RNA Transkription und Replikation
Transkriptionsinitiation: Faktoren und Ereignisse in Eukaryoten
Transkription erfolgt ausgehend von spezifischen Bindungsstellen der RNA Polymerase, sogenannten Promotoren:
Der eukaryotische Promotor ist in drei Abschnitte eingeteilt:
am nächsten beim Transkriptionsstart des Gens liegt der Kernpromotor, es folgt (gegen die Leserichtung) der proximale Promotor und weiter entfernt schließlich die Enhancer sowie mögliche Locus-Kontrollregionen.
Der Kernpromotor erstreckt sich maximal zwischen Position −37 bis +32, wenn +1 der Transkriptionsstart des Gens festgelegt wird. Im Kernpromotor finden sich häufig eine TATA-Box, und oft ein Downstream Promoter Element. Manchmal gibt es zwei TATA-Boxen oder zur TATA-Box ein BRE-Element.
TATA BOX: Für das Ablesen der DNA und das Erzeugen der RNA (Transkription) muss der in RNA umzusetzende Teil vor der codierenden Sequenz (im Promotor) bestimmte „Markierungen“ aufweisen. Erst dadurch können die notwendigen Proteine für diesen Schritt an die DNA binden. (Positionierung der RNA-Polymerase,
bestimmen Startpunkt)
Enhancer:
Aufgrund des Supercoilings eukaryotischer DNA müssen Enhancer nicht nahe am Transkriptions-Beginn gelegen sein. Entfernungen bis zu 100 kbp sind bekannt. Enhancer enthalten weitere Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren: Erhöhen die Transkriptionsaktivität, können weit entfernt vom Gen liege
Transkriptionsinitiation: Faktoren und Ereignisse in Prokaryoten?
Die wichtigsten allgemeinen Transkriptionsfaktoren bei Bakterien sind die Sigma-Faktoren. Die Struktur eines Promotors ist daher vor allem davon abhängig, von welchem der Sigma-Faktoren er erkannt wird. Die mit Abstand meisten Promotoren bei E. coli werden über den Faktor Sigma-70 erkannt.
Promotorelemente:
das AT-basenpaarreiche UP-Element (für engl. upstream, stromaufwärts) oberhalb der −35-Region: Regulation der Genaktivität,
Gewebespezifität
die −35-Region, mit der Konsensussequenz: 5’-TTGACA-3’,
die −10-Region, auch Pribnow-Box, mit der Konsensussequenz: 5’-TATAAT-3’.
Welche Polymerasen transkribieren was?
RNA-Polymerase I: Promotoren für
rRNA-Gene (Ribosomale RNA)
RNA-Polymerase II – Promotoren:
Protein-kodierende Gene
RNA-Polymerase III: Promotoren für
tRNA-Gene (Transfer RNA)
Wie sehen Promotoren aus bei Eu-und Pro-karyoten aus?
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Transkriptionsinitiation in Prokaryoten (Schritte)
- Bindung der RNA-Polymerase
- Aufschmelzen der DNA
- Abortive Initiation (RNA polymerase binds to a DNA promoter)
- Sigma Faktor bindet an bestimmte Sequenz (gibt viele verschiedene)
- anschließend hält Sigma Faktor an zu Polymerase und hält es an der Transkriptionsstartstelle
- Entlassen der Sigma Untereinheit
- Elongation.
https://www.youtube.com/watch?v=t3qFbhxIhlY
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Initiation in Eukaryoten (in Schritten)
-TF = transcription factor
-TBP = TATA binding protein
-CTD = C-terminal domain
-PIC = Prä-Initiationskomplex
Schlüsselprotein: – TFIIH
• Öffnet unter ATP Verbrauch die dsDNA
• Phosphoryliert CTD (C-terminal domain) von Pol II
Ablauf:
RNA Polymerase 2 transkribiert alle Protein coding genes.
verschiedene Transkriptionsfaktoren TF (D,A,B,F,E,H)
DNA Strang besitzt eine TATA Box. TF D mit TBP Region (TATA binding Protein) erkennt die TATA Box und bindet an sie -> aktiviert weiteren TF B, welcher auch den Komplex bindet. Die weiteren TF binden sich auch. TF H ist für ATPase und Helikase Aktivität zuständig. Durch TF H wird auch die DNA entwindet. Der entstandene Komplex: PIC (RNA Polymerase + 6TF). Für den Start der Transkription lösen sich einige TF wieder.
CTD (C-Terminus) wird als das Ende eines Proteins/Polypeptids bezeichnet, welches eine Aminosäure mit freier Carboxylgruppe (COOH) besitzt. Hier endet die Proteinbiosynthese am Ribosom mithilfe von stoppcodon.
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Enhancer –Aktivierung der
Initiation aus der Ferne
Enhancer funktionieren meist
über Koregulatoren:
Koregulatoren interagieren mit: -Proximalen Aktivatoren – Generellen TFs – der Polymerase – Nukleosomen
Koregulatoren sind Proteine die aktivieren oder unterdrücken die Transkription von spezifischen Genen
Ein Promotor kann erneut genutzt werden, bevor der Transkriptionsvorgang abgeschlossen ist
Ablauf Elongation
Wenn sich die RNA Polymerase entlang
der DNA bewegt entspiralisiert sie die
Windungen der Doppelhelix und exponiert etwa 10-20 Basen auf einmal, die
sich mit RNA Nukleotiden paaren
können.
-Die Phosphorylierung der CTD (Ende des Proteins) der POL II verändert sich während der Transkription.
Phosphorylierung: reversible Anhängen einer Phosphorylgruppe an ein org. Molekül.
Termination in Prokaryoten 1
Termination ohne Terminationsfaktor:
Die Sekundärstruktur und das oligo U am 3‘-Ende des Transkripts bewirken Termination ohne Hilfsfaktoren.
(Hairpin loop!)
oder auch Transkription: Faktorabhängige Termination
- Oligonukleotide sind aus wenigen Nukleotiden
https: //www.youtube.com/watch?v=zGnxkmE4n1w
Termination in Eukaryoten
Spez. Faktoren binden entstehende RNA
Signalsequenzen (PolyA-site)
-RNA wird hier geschnitten
-PolyA-Schwanz wird an das 3‘-Ende der fertigen RNA gehängt
-Eine 5‘-3‘ Exonuklease baut die RNA ab bis die Polymerase erreicht ist, die dann vom template abdissoziiert
-am 5’ ende befindet sich die 7methylguanosine cap
Der Poly(A)-Schwanz wird nicht durch die DNA codiert, sondern von dem Enzym Poly(A)-Polymerase während der Prozessierung der prä-mRNA (hnRNA) im Zellkern
https://www.youtube.com/watch?v=zGnxkmE4n1w
Verbindung von Transkription und
Folgevorgängen (anschließenden RNA-Reifung) in Pro- und Eukaryoten
Der CTD belädt die RNA mit RNA Prozessierunsfaktoren und die DNA mit
Chromatinmodulatoren
CTD of RNA polymerase: Der C-terminus of RPB1 is appended to form the C-terminal domain (CTD). … It is the protein domain that is involved in the initiation of transcription, the capping of the RNA transcript, and attachment to the spliceosome for RNA splicing.
Alle Modifikationen finden an der prä-mRNA, statt, damit diese als „reife mRNA“ aus dem Zellkern exportiert werden kann.
Unter RNA-Prozessierung werden verschiedene Vorgänge zusammengefasst:
Capping: Anhängen der 5’-Cap-Struktur, welche die mRNA vor der Verdauung durch 5’-Exonukleasen und Phosphatasen schützt. Anlagerung einer Kappe aus modifiziertem Guanin. Zusätzliches zeichen das mRNA in Protein übersetzt werden soll.
Polyadenylierung: Anhängen des Poly(A)-Schwanzes an dem neuentstandenen 3’-Ende der prä-
mRNA (bis zu 250 Nukleotiden lang). Dieser Poly(A)-Schwanz erleichtert den Export der mRNA in das Cytoplasma und schützt außerdem das 3’-Ende vor einem enzymatischen Abbau.
Splicing: Spleißen der prä-mRNA in Introns und Exons. Nicht codierende Introns werden herausgeschnitten.
RNA-Editing: Verändern einzelner oder mehrerer Nukleinbasen. So kann z. B. durch das Editing ein neues Stopcodon stromaufwärts des alten entstehen, wodurch die Translation vorher abbricht und u. U. ein völlig anderes Protein entsteht.
allg: Als Prozessierung wird in der Biochemie sowohl die posttranskriptionale Modifizierung eukaryotischer RNA (kurz RNA-Prozessierung) als auch die posttranslationale Modifikation von Proteinen (kurz Protein-Prozessierung) bezeichnet.
RNA Prozessierung Vorteile und Gefahren durch Viren
Funktion der Cap-Struktur:
-Schutz vor Abbau durch Exonukleasen
-effizienterer Transport aus dem Zellkern
-erhöht die Effizienz der Translation (ca 300-
fach)
Funktion des PolyA-Anhanges: -kann die mRNA vor Abbau schützen -erhöht die Effizienz der Translation (ca 20- fach) Polyadenylierungssignal AAUAAA
Viren inhibieren die Expression eukaryotischer mRNAs über die Zerstörung von Proteinen, die am Cap und am Poly-A-Schwanz binden
z.B. Poliovirus -> keine Cap
Das Poliovirus reduziert die Translation
befallener Zellen dramatisch
Cap-Struktur Aufbau, Zusammensetzung
Die neu produzierte RNA erhält eine Cap-Struktur:
Aufbau der 5‘ cap von eukaryotischen mRNAs: 5‘-5‘ verknüpftes Guanosin; Methylierung von G
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Falls deren 2’-Rest (R) eine Hydroxygruppe (OH-) ist, liegt eine Ribose vor, bei einem Wasserstoffrest (H-) hingegen eine Desoxyribose. Phosphat und die dazugehörige Base.
Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um eine chemische Abänderung an Grundbausteinen der Erbsubstanz einer Zelle. Diese Abänderung (Modifikation) wird durch die Übertragung von Methylgruppen durch Enzyme (DNA-Methyltransferasen) auf Nukleobasen an bestimmten Stellen der DNA bewirkt.
was ist Spleißen? Spleiß-Reaktion?
Spleißen
- prä-mRNA spleißen
- selbstspleißende Introns
- Alternatives Spleißen
Eukaryotische Gene sind fast immer unterbrochen
- Genom des Menschen:
- Größe Exons: • Ø 145 nt (Nukleotide)
- Anzahl von Introns per Gen: • 0 – 363 (Ø 9) -Größe typischer Introns: • Ø 3300 nt
Exon/Intron Übergänge sind
konserviert:
So sind die meisten Introns, die für im Zellkern lokalisierte mRNAs codieren, nach der GT-AG-Regel zu erkennen: Am 5’-Ende ist bei Wirbeltieren die Spleißstelle durch 5’-AGGTAAGT-3’ und die 3’-Spleißstelle durch 5’-PyPyPyPyPyPyNCAG-3’ gekennzeichnet, wobei Py für die Pyrimidinbasen Cytosin oder Uracil und N für jede beliebige Base steht.
Die Spleiß-Reaktion besteht aus zwei Transesterifikationen: -Theoretisch müsste keine Energie zugeführt werden; tatsächlich werden große ATP-Mengen für diverse Umlagerungen im Spleißosom benötigt
Komponenten des Spleißapparates
- ca. 150 Proteine
- 5 RNA Moleküle (snRNA)
- U-reiche snRNAs
- Intron
snRNPs
small nuclear Ribonucleoprotein
Particles (Snurps)
Das Spleißosom setzt sich am Intron
zusammen. Spleißfaktoren restrukturieren das Intron und erlauben damit erst die Katalyse
Intronsequenzelemente in Eukaryoten?
Selbstspleißende Introns
Selbstspleißende Introns- RNA kann RNA spleißen!
-Selbstspleißende Introns der Gruppe II
sind mit Spleißosom-Komponenten
strukturverwandt:
-Nukleäres Spleißen stammt von selbstspleißenden Introns ab!
-Auch das Spleißosom ist ein
Ribozym!
Spleißen Ablauf/Prozess
Ablauf:
-snRNP U1 bindet sich an 5 ende.
Schnittpunkt an consensus sequences (exon AG/GU intron). wenn nicht korrekt: Mutationen, weil intron nicht oder nur teilweise entfernt.
-Weiteres snRNP (u2AF) bindet an 3 Ende. ebenfalls cut zischen intron/exon. (snRNP BPP hält dieses). U2 bindet alle zusammen und bildet somit Spleißosom.
BBP und U2AF fallen ab und U5,U6 bindet sich. Intron 5` ende: Guanin. dieses wird angezogen von Hydroxygruppe von Adenosin (Transesterifikation) an 3´ Ende. Lariat Loop entsteht und verlässt Spleißosom und exons verbinden sich wieder zueinem Strang. Reife RNA entsteht. spleißing kann gleichzeitig an mRNA passieren.
Warum sind eukaryotische
Gene unterbrochen?
-neue Ebene der Regulation (alternatives Spleißen) -mehrere Proteine von einem Gen -Genevolution: neue Gene durch Austausch von Exons -Introns erhöhen Stabilität einer RNA -Introns verlangsamen Transkription -Funktion in Genregulation (Enhancer) -tragen RNA-Gene: snoRNAs, miRNAs
- Introns ermöglichen alternatives Splicing , wodurch ein einzelnes Gen mehrere Proteine codieren kann, die unter verschiedenen Bedingungen unterschiedliche Funktionen ausführen.
- Ein Signal, das die Zelle empfängt, könnte beispielsweise dazu führen, dass ein normalerweise enthaltenes Exon übersprungen wird oder ein Intron, das normalerweise herausgespleißt wird, zur Übersetzung gelassen wird. Ohne Introns wäre dies nicht möglich oder zumindest sehr viel schwieriger.
In den letzten Jahren haben wir entdeckt, dass RNA-Moleküle (insbesondere kleine RNAs wie siRNAs und miRNAs) viel stärker an der Regulierung der Genexpression beteiligt sind als bisher angenommen. Oft werden die kleinen regulatorischen RNAs von gespleißten Introns abgeleitet.
z.B. Troponin-Varianten durch alternatives
Spleißen
z.B. Gewebespezifisches alternatives Spleißen
führt zu unterschiedlichen Hormonvarianten
Was ist RNA-Edierung? zwischen welchen Vorgängen unterscheidet man?
Edierung ist ein biochemischer Vorgang innerhalb bestimmter Zellen oder Zellorganellen, der im Verlauf der Genexpression stattfinden kann und die Wiedergabe genetischer Information abändert. (vor Translation) Durch RNA-Edierung wird die Diversität des Transkriptoms vergrößert und so auch eine wesentlich höhere Proteinvielfalt ermöglicht.
Grundsätzlich unterscheidet man beim RNA-Edieren zwischen Vorgängen, bei denen einzelne oder mehrere Nukleotide in die RNA eingefügt oder entfernt werden, was Insertions/Deletions-Editing genannt wird, und solchen, bei denen einzelne Nukleinbasen oder Ribosen eines RNA-Strangs chemisch modifiziert werden, beispielsweise ein Desaminieren von Adenosin (A) zu Inosin (I) oder eine Konversion von Uridin (U) zu Pseudouridin (Ψ), was spezieller auch RNA-Modifikation heißt.
z.B.
RNA-Edierung über Addition / Deletion
von Us in Mitochondrien von
Trypanosomen
Ohne Edierung können ORFs in mitochondrialen mRNAs von Trypanosomen
nicht erkannt werden
ORF: offener Leserahmen: Bereich der DNA, der sich zwischen einem Startcodon und einem Stopcodon befindet (codierend Prot.
RNA-Edierung über Desaminierung
von C oder A in Säugern
Als Desaminierung bezeichnet man die chemische Abspaltung einer Aminogruppe als Ammonium-Ion oder Ammoniak.
Die Desaminierung ist der erste Schritt des biochemischen Abbaus von Aminosäuren
Folgen der Desaminierung:
- Änderung eines Codons
- Einfügen von Spleißstellen
- Erweiterte Codonerkennung in tRNAs
Beispiel: Edierung der Serotonin-Neurorezeptor mRNA:
Edierung verändert die Aminosäuresequenz und damit die Aktivität des Rezeptors:
Verlust von Edierung geht einher mit mentalen Störungen (Depression /Suizid)
RNA Transport und der Kernporenkomplex
Nukleo-cytoplasmatischer
Transport:
aus dem Kern raus: mRNA, pre−ribosomes, tRNA, pre−miRNA, snRNA
in den Kern rein:
ribosomal proteins, snRNP, nuclear proteins
microRNA: abgekürzt miRNA oder miR, sind kurze, hoch konservierte, nichtcodierende RNAs, die eine wichtige Rolle in dem komplexen Netzwerk der Genregulation, insbesondere beim Gen-Silencing spielen.
snRNA: small nuclear ribonucleic acid. Es handelt sich um RNA von etwa 100 bis 300 Basenpaaren
snRNP: small nuclear ribonucleoproteins, are RNA-protein complexes that combine with unmodified pre-mRNA and various other proteins to form a spliceosome
Aufbau: Die Kernhüllmembran
- Äußere Kernmembran
- perinukleärer Raum
- Innere Kernmembran
- Kernlamina
NPC Kernporenkomplex : Nucleoporine (Nups)
Nucleoporine (Nups) -Strukturproteine des NPC -Symmetrisch auf cytoplasmatischer und Kernseite verteilt -Kontaktieren die zu transportierenden Lasten
