Regulation der Genexpression Chromatin Flashcards
Was ist die Zusammenfassung der Regulation der Transkription durch Chromatin Strukturen?
◼ Die Grundstruktur des Chromatins ist das Nukleosom (Histone +DNA)
◼ Der Zustand des Chromatins (Hetero- und Euchomatin) bestimmt, ob ein Gen transkribiert wird
◼ Der Zustand des Chromatins kann durch Acethylierung, Methylierung und Phosphorylierung der Histone geändert werden
◼ Externe und interne Signale bestimmen den Grad der Ac, Me, Ph
◼ Halbseitenmethylierung ist ein Mechanismus um die Sequenzgenauigkeit der DNA nach der Replikation zu gewährleisten
◼ Methylierung der DNA an CpG Inseln ist ein wichtiger Mechanismus zur Inhibierung die Transkription
Was ist die Grundstruktur der Chromatins?
Das Nukleosom
❑ 146 bp DNA umrunden Histon-Oktamer aus 2x (H2A, H2B, H3 und H4) in 1,65 Windungen
❑ Nukleosom ist eingepackt in
höhere Strukturen (30 nm-
Solenoid/Fiber)
◼ H1 linker-Histon ist daran beteiligt
Was muss mit der Chromatin-Struktur passieren, damit TF Zugang haben? Und wie passiert das?
Chromatinstruktur muss geöffnet werden, indem
❑ ATP-abhängige Entfernung des Histons H1
❑ Post-translationale covalente Modifikation der Histone
◼ AS 15-38 vom N-Terminus
◼ sind reversibel
❑ Mobilisierung der Nukleosomen während der Elongation/RNA Pol II
verdrängt die Nukleosomen
Was ist der Unterschied zwischen Euchromatin und Heterochromatin und wodurch kommt die Umwandlung?
Euchromatistruktur
(offene Chromatinstruktur – Gene transkribierbar)
Heterochromatistruktur
(Gen nicht transkribierbar)
◼ Entsteht durch kovalente Modifikationen
Welche 3 kovalenten Modifikationen der Histone sind besonders wichtig?
❑ Acetylierung an»_space; Lys
❑ Methylierung»_space; Lys/Arg
❑ Phosphorylierung»_space; Ser/Thr
Was ist die Nomenklatur für die Beschreibung der Histon-Modifikation?
◼ Der Name des Histons (z.B. H3)
◼ Die betroffene Aminosäure in ihrem Einbuchstabencode (z. B. K für Lysin) mit der Position der Aminosäure im Protein
◼ Die Art der Modifikation (me: Methyl, P: Phosphat, Ac: Acetyl, Ub: Ubiquitin)
◼ Beispiel: H3K4me3 = Trimethylierung des Lysins an Position 4 des Histon 3
❑ Bei Methylierung kann zusätzlich die Anzahl der Methylgruppen
(bei Lysinen und Argininen) als auch die Symmetrie (bei
dimethylierten Argininen) angegeben werden
Existieren kovalente Modifikationen nebeneinander?
Ja
Welche Enzyme sind an der Acetylierung beteiligt und was bewirkt die Acetylierung?
❑ Histone Acetyltransferasen (HATs)
◼ Transkriptionaler Coactivator
◼ Substrate: Histone, GTF, TF, Strukturproteine
◼ Beispiele: p300/CBP-Familie
❑ An der NH2-Gruppe von Lysin-Resten
❑ Erzeugt Euchromatinstruktur
❑ Änderung der Nukleosomenstruktur
❑ In allen 4 Histonen
❑ Verbunden mit transkriptionaler
Aktivierung
Welche Enzyme sind an der De-Acetylierung beteiligt und was bewirkt die De-Acetylierung?
❑ Histone Deacetylasen (HDACs)
◼ Co-Repressorfunktion (z.B. mit Retinoblastom (Rb)- Tumor Suppressor Protein)
❑ Verringerung des Abstandes zw. Nukleosomen und der DNA
❑ Erzeugt Heterochromatinstruktur
❑ Verbunden mit transkriptionaler Repression
Was ist die Methylierung bei der Transkriptionsregulation?
◼ Wesentlicher Mechanismus zur Unterdrückung der
Umwandlung von Heterochromatin in Euchromatin
❑ Inhibierung der Transkriptionsaktivität
❑ Kann aber auch zur Aktivierung der Transkription beitragen !!!
Welche 2 Möglichkeiten der Methylierung gibt es?
❑ Methylierung der Histone:
◼ am C5-Atom des Lysins und Arginins der Histone (besonders H3 und H4)
❑ Methylierung der DNA
◼ von CpG-Sequenzen in der DNA
◼ bestimmt Transkription von Genabschnitten
Welche Enzyme sind bei der
1. Methylierung
2. Demetylierung
beteiligt?
- Methylierung:
❑ Methyltransferasen: Transfer von Methylgruppen vom S- adenosyl-L-Methionin auf Arginin und Lysin
◼ Arginin Methyltransferasen
◼ Lysin Methyltransferasen - Demetylierung:
❑ Peptidyl Arginin Deaminasen
❑ Lysin Demethylasen
Was sind wichtige Methylierungen und deren Orte?
◼ H3K4me2/3»_space;
Promotoren von aktiv transkribierten Genen und unmethylierten CpG-Inseln
◼ H3K27me3»_space;
repremierte Gene
◼ H3K9me3»_space;
Heterochromatin
◼ H3K4me1/2»_space;
aktive Enhancer
◼ H3K36me3, H4K20me1»
im Gen von aktiv transkribierten Genen
Was ist die Histon Modifikation “Code” und was sind Beispiele?
◼ Spezifische Kombinationen von Histon -
Modifikationen korrelieren mit einer bestimmten
biologischen Funktion
◼ Es entsteht ein bestimmtes „Muster“ oder „Code“
Beispiel:
◼ Aktive Transkription:
❑ H4 K8 Acetylierung
❑ + H3 K14 Acetylierung
❑ + H3 S10 Phosphorylierung
◼ Repression der Trankription
❑ Dreifachmythelierung ( = 3 Methylgruppen an AS) von H3 K9
❑ + Fehlen der Acetylierung an H3 und H4
Was ist die häufigste Form der Transkriptionsrepression?
DNA-Methylierung
◼ Unterdrückung der Transkriptionsaktivität im Heterochromatin
◼ Differenzierte Genexpression im Euchromatin
Wichtig:
❑ inaktive Genabschitte: hohe Methylierungsdichte
❑ aktive Genabschnitte: unmethyliert
Was sind CpG-Inseln?
◼ Die DNA-Methylierung erfolgt an Cytosin-Resten in der DNA
◼ Im humanen Genom sind 4 % der Cytosine methyliert
◼ Methylierung erfolgt ausschließlich am C5-Atom des Cytosins in CG Dinukleotiden
◼ Methylierung im Genom:
❑ in CpG Inseln (Cytosin-Phosphat-Guanin-Insel) (…CGCGCGCG….)
◼ Mehr als 60 % der humanen Gene enthalten CpG-Inseln
◼ CpG Inseln kommen am häufigsten in Promotorbereichen vor
Was sind die 4 biologischen Funktionen von DNA-Methylierungen?
1. Regulation der Transkription
❑ durch Methylierung von CpG Inseln in der Nähe von Promotoren
❑ Heterochromatinformation
❑ Langzeitsuppression von Genen
2. Methylierung von Fremd-DNA (Abwehr)
❑ virale DNA,
❑ Fremd-DNA nach Gentransfer
3. „Genetisches Imprinting“ und X-Chromosomen Inaktivierung
❑ Ungleiche Genexpression von väterlichen und mütterlichen Genen
◼ durch selektive Inaktivierung
◼ methylierte Kopie ist inaktiviert
4. Tumorgenesis
❑ Inhibierung von Tumorsupressorgenen
Wie viele DNA-Methyltransferasen (DNMT) gibt es im Menschen, wie heißen sie und was machen sie?
3 vorhanden beim Menschen (DNMT1, DNMT3a und DNMT3b)
1. DNMT1:
◼ Erhaltung des Methylierungsmusters
2. DNMT3a und DNMT3b:
◼ Neumethylierung der DNA
Was ist der Mechanismus der Repression der Transkription durch DNA-Methylierungen?
Methyl-CpG-bindende Proteine (z.B. MeCP1 und MeCP2) erkennen die Methylierung und binden Co-Repressoren (HDACs, Histone Methyltransferase)
Wozu leitet Hypermethylierung in CpG-Inseln in Tumorsuppressor (zB p53) Genen?
Tumorgenese
◼ In 50 % aller menschlichen Tumoren ist das p53-Gen hypermethyliert
und damit inaktiviert
Überblick Regulierung der Transkription durch Acetylierung und Methylierung
Siehe VLIII Folie öööhm mit overview lol
In welchen Histonen kommen Phosphorylierungen vor, an welchen AS-Resten und was sind Beispiele?
◼ Kommt in allen 4 Histonen des Oktamers, Histon-
Varianten und H1 vor
◼ Vor allem an Serin-Resten
Beispiel:
❑ Ser10 H3 Phosphorylierung durch Proteinkinase MSK1/2
◼ Transkriptionale Aktivierung
❑ H1 Phosphorylierung:
◼ Transkriptionale Suppression
Was ist Epigenetik, wie entsteht sie und was ist die Auswirkung?
◼ Epigenetic:
❑ Änderung am Genom ohne Änderung der Gensequenzen
❑ Aktivität von Chromosomenabschnitten wird verändert
❑ Vererbbar auf die Tochterzellen
◼ Wie?
❑ Viele externe (epigenetische) Faktoren (Entwicklung, Alter, Ernährung)
❑ Modifikation von Histonen und DNA
(Methylierung Acetylierung, Phosphorylierung….)
◼ Auswirkungen:
❑ Altern, Erkrankungen, etc.
Was ist die Zusammenfassung von Regulatorischen Schritten der Transkription-Initiation?
◼ Aufhebung der Reprimierungsstatus des Chromatins
◼ Bindung der Transkriptionsfaktoren an cis-Elemente
◼ Interaktion mit Mediatoren, Co-Repressoren und Co-Aktivatoren
◼ Bildung des Prä-Initiationskomplexes
◼ CTD-Phosphorylierung der RNA Pol II – Übergang zur Elongation
> > Kontrolle durch externe und interne Signale
