Regulation d. Transkription

Question 1

Warum muss Genexpression reguliert sein?

Answer 1

• Anzahl an Proteinen:
  
  • E. coli hat ca. 4000 versch. Proteine
  • Mensch + Tier haben ca. 21.000 Proteine
• Begrenzte Anzahl an Proteinen benötigt: Proteine zu synthetisieren, ist mit einem gewissen Aufwand verbunden. Es sollten also nur jene produziert werden, die benötigt werden. Ob ein Protein benötigt wird, hängt ab von:
  
  • Lage/Zustand: Welche Lage/Zustand hat die Zelle?
  • Nahrungsbedarf: Was braucht die Zelle an Nahrung und was steht ihr zur Verfügung?Zucker? Fette? Enzyme? Beim Eukaryonten steht im besten Fall grundsätzlich alles nötige zur Verfügung. Beim Prokaryonten als Einzelzeller ist das meist nicht so gesichert: Ist Glucose da? oder Galactose? Gibt es vielleicht allgemein gerade nur Disaccharide?
  • Zellart: Um was für eine Zelle handelt es sich? Muskelzelle? Leberzelle?

Fazit: Es sollten nur die Proteine synthetisiert werden, die unbedingt benötigt werden. Dies bezeichnet man als Regulation der Proteinbiosynthese (oder als Regulation der Genexpression)

Question 2

Welche 7 Ansatzpunkte d. Regulation d. Genexpression gibt es?

Answer 2

1. Transkription–> Regulation auf Transkriptionsebene –> meistens bei Prokayonten( Eukaryonten lesen eh nur ab was sie brauchen)
2. Weiterverarbeitung d. Transkription: v.a. bei Eukaryonten
3. Abbau d. mRNA: je länger die Halbwertszeit der mRNA desdo mehr kann abgelesen werden ( Bakterien im min Bereich, Wukaryonten mehrere Stunden)
4. Translation: v.a. Eukaryonten
5. Weiterverarbeitung nach der Translation: Betrifft die Proteine: Werden sie vielleicht vorrätig angelegt?
6. Proteinabbau: Wie lange überleben die Proteine? Beim Eukaryonten meist mehrere Tage, beim Prokaryonten eher kürzer
7. Protein-Targeting: Was geschieht mit dem Protein? Wo soll es hingelangen?

Question 3

Was ist Konstitutive Genexpression?

Answer 3

Question 4

Was ist regulierte Genexpression?

Answer 4

Die Menge mancher Genprodukte in der Zelle steigt und fällt als Reaktion auf molekulare Signale (z.B. Hormone). Hier handelt es sich um regulierte Genexpression. Unterschieden werden können:

Question 5

Nenne Spezifitätsfaktoren!

Answer 5

Question 6

Was sind Promotoren?

Answer 6

Die Stellen, an denen die RNA-Polymerasen an die DNA binden und die Transkription in Gang setzen, nennt man Promotoren

Regulation:

Wenn die Inititation der Transkription reguliert werden soll, verändern sich häufig die Wechselwirkungen zwischen RNA-Polymerase und Promotor. Die Transkriptionsinitiation wird von Proteinen reguliert, die am Promotor oder in seiner Nähe binden. Je besser die RNA-Polymerase an die Promotoren binden kann, desto besser kann transkribiert werden. Je schlechter die RNA-Polymerase binden kann, desto weniger wird transkribiert

Question 7

Was sind Proteine, die Transkriptionsinitiation durch RNA-Polymerase steuern?

Answer 7

Unterteilung in 3 Gruppen:

1. Spezifikationsfaktoren:
   
   • ​​wandeln Spezifität der RNA-Polymerase für bestimmten Promotor/ Promotortyp ab:
     
     • σ-Untereinheit: Spezifikationsfaktoren von Prokaryoten sind uns bereits begegnet,wir haben sie aber nicht so bezeichnet: Die σ-Untereinheit der prokaryontischen RNA- Polymerase ist ein Spezifikationsfaktor
       • σ⁷⁰: Die meisten Promotoren werden von einer einzigen σ-Untereinheit erkannt, die man σ⁷⁰ nennt
         
         • σ³²: Unter besonderen Bedingungen, wenn die Prokaryonten durch erhöhte Hitze

belastet sind, tritt ein anderer Spezifikationsfaktore namens σ³² an die Stelle einiger σ⁷⁰-Untereinheiten. Eine RNA-Polymerase, an die σ³² gebunden ist, wird zu einer anderen Consensussequenz dirigiert. Diese Promotoren steuern die Expression mehrere Gene, die für Hitzeschockreaktionen sorgen. Die Polymerase wird also durch eine Veränderung in ihrer Bindungsaffinität zu anderen Promotoren dirigiert, und auf diese Weise werden zusammengehörige Gene koordiniert reguliert. Die durch die Spezifität von σ³² hergestellten Proteine, können gegen den Hitzeschock anwirken

2. Repressoren: Behnindern Zugang RNA-Polymerase zum Promotor –> neg. Regulation
   
   • Arbeitsweise: Repressoren binden an bestimmter Stelle auf DNA
     
     • Operator: Bei Prokaryoten liegen solche Bindungsstellen, die man Operatoren (s.u.) nennt, im Allgemeinen in der Nähe eines Promotors
     • Repressoren behindern den Zugang der RNA-Polymerase zum Promotor
   • Negative Regulation: Blockiert ein Repressorprotein auf diese Weise die Transkription, spricht man von negativer Regulation.
3. Aktivatoren: Verstärken Wechselwirkungen zwischen Promotor und RNA-Polymerase : pos. Regulation
   
   • Aktivatoren sind das molekulare Gegenteil der Repressoren: Sie binden an die DNA und verstärken die Aktivität einer RNA-Polymerase am Promotor. Die bezeichnet man als positive Regulation. Bindungsstellen für Aktivatoren liegen häufig in der Nachbarschaft von Promotoren, die allein nur schwach oder gar nicht von der RNA- Polymerase gebunden werden, sodass ohne Aktivator kaum Transkription stattfindet
   • Verstärken die Wechselwirkung zwischen RNA-Polymerase und Promotor: Die RNA-Polymerase kann besser und stärker an den Promotor binden, weshalb leichter/ schneller/besser transkribiert werden kann

Question 8

Welche 2 Varianten gibt es bei der negativen Regulation beim Prokaryonten?

Answer 8

für beide gilt:

Molekulares Signal: Die Bindung des Repressors an die DNA wird von einem molekularen Signal gesteuert. Dabei handelt es sich in der Regel um ein kleines Molekül oder ein Protein [als molekulares Signal oder Effektor bezeichnet], das an den Repressor bindet und für eine Konformationsänderung sorgt. Folge:

Option A: Bindet das molekulares Signal an den Repressor, löst sich der Repressor von der DNA, sodass die Transkription starten kann. Bsp.: lac-Operon

Option B: Der Repressor ist in Anwesenheit an das molekulare Signal gebunden. Wenn das molekulare Signal verschwindet, löst sich der Repressor und die Transkription kann starten. Bsp.: trp-Operon

Question 9

Welche 2 Varianten gibt es bei der positiven Regulation beim Prokaryonten?

Answer 9

Aktivatoren sind das molekulare Gegenteil der Repressoren: Sie binden an die DNA und verstärken die Aktivität einer RNA-Polymerase am Promotor. Dies bezeichnet man als positive Regulation
Bindungsstellen: Die Bindungsstellen für Aktivatoren liegen häufig in der Nachbarschaft von Promotoren . Die Bindungsstellen für Aktivatoren heißen nicht Operator, sondern Enhancer. Sie beeinflussen die α-Untereinheiten der RNA-Polymerase. Auch hier können 2 Varianten unterschieden werden

Option A: Manche Aktivatoren sind ständig an die DNA gebunden und verstärken die Transkription bis die Bindung eines Signalmoleküls ihre Ablösung auslöst

Option B: Im anderen Fall heftet sich der Aktivator erst nach den Wechselwirkungen mit einem Signalmolekül an die DNA

Question 10

Was ist ein Operon?

Answer 10

Prokaryonten besitzen einen einfachen allgemeinen Mechanismus zur koordinierten Regulation von Genen, deren Produkte an zusammenhängenden Vorgängen beteiligt sind: Solche Gene liegen gehäuft auf dem Chromosom und werden gemeinsam transkribiert. Die meisten mRNA-Moleküle sind polycistronisch (=polygen): Ein einziges Transkript (mRNA) enthält die Informationen mehrerer Gene [Mit anderen Worten: Mehrere Proteine pro mRNA]. Und der einzige Promotor, der die Transkription der ganzen Gruppe in Gang setzt, ist der Ansatzpunkt für die Expressionsregulation aller beteiligten Gene. Operon: Eine solche Gengruppe mit ihrem Promotor und weiteren Sequenzen, die an der Regulation mitwirken, nennt man Operon

Question 11

Was passiert, wenn ein Bakterium in einer Flüssigkeit ist, wo sich als einziger Energielieferant ausschließlich Lactose, keine Glucose befindet?

Answer 11

Question 12

Wie läuft der Lactosestoffwechsel bei E. coli ab?

Answer 12

Question 13

Wie sieht die Genstruktur des Lac-Operon aus?

Answer 13

Question 14

Wie wird das Lac-Operon reguliert, wenn Lactose abwesend ist?

Answer 14

Question 15

Wie wird das Lac-Operon reguliert, wenn Lactose anwesend ist?

Answer 15

Question 16

Was passiert bei der Katabolit-Repression?

Answer 16

Question 17

Was ist ein Regulon?

Answer 17

CRP und cAMP sind an der koordinierten Regulation vieler Operons beteiligt. Insbesondere solcher, die Enzyme für den Stoffwechsel sekundärer Zucker wie Lactose codieren

Regulon: Ein System von Operons mit einem gemeinsamen Regulator bezeichnet man als Regulon
• Folge: Es erlaubt die koordinierte Veränderung von Zellfunktionen, an denen unter Umständen Hunderte von Genen beteiligt sind

Question 18

Was ist ein Polysom?

Answer 18

Question 19

Was ist das Tryptophan-Operon?

Answer 19

Question 20

Wie ist der trp-Repressor aufgebaut?

Answer 20

Question 21

Was kann man zur Leitsequenz des trp-Operon sagen?

Answer 21

Question 22

Welche 2 Möglichkeiten der Schleifenbildung gibt es beim trp-Operon?

Answer 22

Question 23

Was passiert bei der Feinregulatio n bei einer niedrigen trp-Konzentration?

Answer 23

Question 24

Was passiert bei der Feinregulation bei einer höheren trp-Konzentration?

Answer 24

Question 25

Welcher Aufbau ist wichtig für die DNA-Wechselwirkungen?

Answer 25

–> kleine und große Furchen an d. DNA Außenseite

• entstehen dadurch, dass bei d. glycosidischen Bindung zw. Zucker und Base in einem Basenpaar sich nicht genau gegenüber stehen
  
  • leicht versetzt –> bilden Winkel von 120-240 Grad
• besonders an großer Furche binden gut Proteine

Question 26

Warum sind diese Wechselwirkungen wichtig?

Answer 26

Proteine können regulatorische Eigenschaften haben –> meist Spezifität für bestimmte Sequenzen d. DNA

• Welchselwirkungen beruhen auf Wasserstoffbrücken bestimmter Basen und den Aminosäuren d. Proteine
• Bindungsfähige Aminosäuren:
  
  • Asparagin
  • Lysin
  • Glutamin
  • Arginin
  • Glutamat
• Bindungsmotive:
  
  • Helix-Turn-Helix
  • Zeigefinger

Question 27

Welche Gruppen d. DNA können Wasserstoffbrücken ausbilden?

Answer 27

Question 28

Wie ist der Helix-Turn-Helix aufgebaut?

Answer 28

• Aufbau des Motivs Helix-Turn-Helix:
  
  • Das Motiv Helix-Turn-Helix besteht aus etwa 20 AS in 2 kurzen α-Helix-Abschnitten, die durch eine β-Schleife voneinander getrennt sind
    
    • α-Helix-Abschnitte: Die α-Helix-Abschnitten bestehen aus jeweils 7-9 AS
      
      • Erkennungshelix: Eine der beiden α-Helices wird als Erkennungshelix bezeichnet, da sie in der Regel viele AS enthält, die sequenzspezifisch mit der DNA in Wechselwirkung treten
• Stabilität: Die Helix-Turn-Helix ist in der Regel nicht stabil, sondern stellt nur den aktiven Teil einer größeren DNA bindenden Domäne dar
• Anzahl: Es werden mehrere Helices-Turn-Helices benötigt, die mit mehreren großen Furchen der DNA wechselwirken [Alternativ könnte Herr Gabler auch gemeint haben, dass mehrere AS einer Helix-Turn-Helix mit mehreren Basen der DNA in einer großen Furche miteinander wechselwirken]

Question 29

Wie ist der Zinkfinger aufgebaut?

Answer 29

• Aufbau eines Zinkfingers:
  
  • Zinkfinger bestehen aus ca. 30 AS, von denen 4 (entweder 4 Cystein (Cys) oder 2 Cys und zwei His) koordinativ an ein Zn2+-Ion gebunden haben
  • Das Zink selbst tritt nicht mit der DNA in Wechselwirkung, stattdessen stabilisiert die Koordination mit dem Ion das kleine Strukturmotiv
• Wechselwirkung mit der DNA:
  
  • Die Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Zinkfinger und der DNA sind in der Regel schwach und viele DNA bindende Proteine besitzen mehrere Zinkfinger, die gleichzeitg mit der DNA in Wechselwirkung treten

Question 30

Wie unterscheidet sich die Regulation der Transkription bei den Eukaryonten im Vergleich zu den Prokaryonten?

Answer 30

Question 31

Wie kann die Transkription bei Eukaryonten noch reguliert werden außer durch Proteine?

Answer 31

Question 32

Wie kann das HRE die verschiedenen Hormone erkennen?

Answer 32

die Hormone ähneln sich alle in Länge und Anordnung unterscheiden sich aber in ihrer Sequenz.

–> für jedes Rezeptorprotein ( und damit Hormon) gibt es eine HRE-Consensussequenz –> besteht aus 2 Abschnitten mit je 6 Nukleotiden

2 Varianten des Aufbaus:

• Palindromanodrnung: Abschnitte sind invertiert (gegenläufig)
• Tandemanordnung: beide Abschnitte sind identisch

Beide Abschnitte liegen sehr nah beieinander und werden nur von ein passr Spacer Nukleotiden getrennt. –> diese Sequenzen werden von den Zinkfingern des Rezeptordimers erkannt

Question 33

Wie ist das Hormonrezeptorprotein aufgebaut?

Answer 33