Regulation der Genexpression - PIC Flashcards
Was sind die Hauptpunkte aus der VL?
◼ Informationsfluss bei der Genexpression: DNA – mRNA – Protein
◼ Der s-Faktor ist der wichtigste transkriptionskontrollierende
Faktor bei Prokaryonten
◼ Regulation der Genexpression bei Eukaryonten ist komplex und
erfolgt durch GTF, STF, Mediatoren und ChMC
◼ Die Transkription bei Eukaryonten erfolgt über die Bildung des
PIC, Aktivierung des PIC, Initiation der RNA Synthese,
Elongationsphase und Terminationsphase
◼ Die Bildung des PIC erfolgt kaskadenartig durch Interaktion von
Transkriptionsfaktoren, RNA Polymerase und der DNA
◼ Die Elongation von Pol II Genen startet durch die
Hyperphosphorylierung der CTD Domäne der Polymerase II
Was ist Genexpression?
Übertragung der Gentischen Information von der Nucleinsäuresequenz auf die
- Ebene der ASsequenz eines Proteins
- Ebene der Nukleotidsequenz der RNA
Wie sieht das Zentraldokma aus?
DNA (kann sich replizieren) durch Transkription zu mRNA durch Translation zum Protein
Viren können auch reverse Transkription ausüben also von mRNA zu DNA
Was gehört zum Überblick der Genexpression?
◼ Transkription
❑ Bildung der prä-mRNA
◼ Umwandlung von Prä-mRNA in mRNA
❑ Processing, Splicing, Transport aus dem Nucleus
◼ Translation
❑ Synthese des Proteins am Ribosom
◼ Posttranslationale Modifikation
❑ Abspalten oder hinzufügen von Gruppen
◼ Expressionsmuster
❑ gewebe-, zell-, entwicklungs- und differenzierungsspezifisch
Wie sieht die Regulation der Proteinbiosynthese transkriptional aus?
❑ Remodeling des Chromatins
❑ Promotoraktivierung
❑ Prä-mRNA Synthese
❑ Alternatives Splicen
◼ Aus einer prä-mRNA können
Wie sieht die Regulation der Proteinbiosynthese post-transkriptional aus?
❑ microRNAs bauen mRNAs ab bzw. inhibieren deren Translation
Wie sieht die Regulation der Proteinbiosynthese translational aus?
❑ Zugänglichkeit der mRNA zum Ribosom
❑ Initiation der Proteinbiosynthese
Wofür steht CAR?
Coxsackievirus-Adenovirus-Rezeptor; CAR k.o. führt zu embryonaler Tod durch schwere Herzanomalien
Was ist die Regulation von der Transkription?
Festlegung ob ein Gen zu einem bestimmten Zeitpunkt überhaupt transkribiert wird
Welche Mechanismen der Regulation der Transkription gibt es?
❑ Inhibierung
❑ Aktivierung
❑ Regulatorische Signale
Wie wird die Inhibierung der Transkription auch genannt?
Gene Silencing - Abschalten von Genen
❑ Bestimmte Chromatinstrukturen spielen entscheidende
Rolle
◼ können inhibieren bzw. stilllegen
◼ Entwicklungs- und Differenzierungsprozesse
❑ Epigenetisch– Veränderung der Genexpression ohne Änderung der DNA Sequenz
◼ Methylierung der DNA an Cytidin-Resten
◼ microRNAs
◼ Chromosomale Protein Modifikation
Wie wird die Aktivierung der Transkription auch genannt?
Gene Activation
❑ Reorganisation und Modifikation der Chromatinstruktur
❑ Seletion des Zielgenes
❑ Formung eines Transkription-Inititiations-Komplexes am Startpunkt der Transkription (+1)
◼ RNA Polymerase (Pol)
◼ Gen-spezifische Transkriptionsfaktoren
◼ Co-Faktoren, die die Änderung in der Chromatinstruktur und die RNA Synthese koordinieren
Welche Regulatorische Signale gibt es?
- Signalgeber (Niedermolokulare Metabolite, Hormone, Proteine, Ionen
Externe oder interne Signale) - Externe oder interne Signale (Licht, Wärme, Druck, elektrische Signale, Pharmaka, Über die Zellmembran aktiv oder passive in die Zelle transferiert bzw. leiten durch Bindung an Oberflächenstrukturen Signale weiter)
- Oft komplexe Signalketten
Was sind Beispiele, in denen Signalmoleküle Signalkaskaden aktivieren und was sind Beispiele für Signalmoleküle darin?
- Apoptose Pathway (Death Receptor Ligands, Pharmaka, Chemotherapeutika, UV-Licht, Radikale)
- Toll-like Rezeptor-Pathway (Bakterielle Zell-Oberflächen Lipopolysaccharide (LPS), Lipoproteine, Lipopeptide, dsRNA von Viren, unmethylated CpG Inseln von Bakterien oder viraler DNA)
Was sind die Unterschiede bei der Transkription zwischen Pro- und Eukaryoten?
Prokaryoten:
- polycistronisch
- Operons
- keine Introns
- eine RNAPolymerase
- Promotor Pribnow Box
- Shine-Dalgarno Sequenz
- Transkriptionsaktivatoren bzw. - Repressoren binden in unmittelbarer Nähe des Promotors
- Wirken dort direkt auf die RNA- Polymerase (Stabilisierung/Destabilisierung der Bindung)
Eukaryoten:
- monocistronisch
- keine Operons
- Introns und Exons
- drei RNAPolymerasen (I,II,III)
- Promotor veschieden für I,II,III Gene
I: Spezies-spezifischer Promotor
II: oft TATA-Box
III: interner Promoter mit A- und B-Box
-keine Shine Dalgarno Sequenz
- Chromatin Reorganisation
- Strukturelle Änderungen im Promotorbereich
- Viele Helferproteine notwendig, welche in Multiproteinkomplexen organisiert sind
Was sind die 3 Phasen der Transkription bei Prokaryonten?
- Initiation
- Elongation
- Termination
Durch was wird die Erkennung der Promotorregion durch die RNAP in Prok. kontrolliert?
Sigma-Faktor
Welche zwei verschiedene Terminationsmöglichkeiten gibt es bei der Transkription in Prokaryonten?
- Rho-abhängig (❑ Das Protein Rho lagert sich an eine sez. C-reicheSequenz im 5‘ Bereich der mRNA (rut) und bewegt sich auf die Polymerase zu ❑ hat Rho die Polymerase erreicht, löst sich diese und die mRNA wird freigegeben
- Rho-unabhängig (❑ Durch Ausbildung einer Haarnadelschleife am 3‘Ende der mRNA
◼ Hairpinstruktur:
❑ Destabilisierende Struktur
❑ Trennung des RNA–DNA–Hybrids - erleichtert durch U (RNA)-A (DNA) Bindungen am Ende der Haarnadelschleife)
Wie sieht das typische Prokaryontengen aus?
Promotor»_space; ShineDalgarno»_space; Kodierender Bereich und Transkribierter Bereich»_space; Terminator » Polycistronische mRNA
Was ist ein Operon?
Funktionseinheit der DNA von Prokaryonten : besteht aus Promotor, Operator(en) und mehreren (Struktur-)Genen
Welche 2 Regulationsmodelle der Transkription zeigt er?
- Inducible Transkription: Durch Inducer wird Repressor gebunden und inaktiviert»_space; Gen kann abgelesen werden
- Repressible Transkription: Aporepresser und Co-represser bilden aktiven Represser und Transkription wird wird unterbrochen
Für welche 3 Proteine codiert das Lac-Operon? und wann werden sie exprimiert?
❑ beta-Galactosidase: Spaltet Lactose in Galactose und Glucose
❑ Permease: Ermöglicht Aufnahme von Lactose in die Zelle
❑ Transacetylase: Entgiftungsfunktion
Die 3 Gene werden erst exprimiert, wenn Lactose in der Umgebung und keine Glucose als Substrat vorhanden ist
Was sind elementare Schritte der Eukaryotischen Transkription ?
◼ Restrukturierung des Chromatins am Promotor
❑ Entfernen von repressiven Chromatinstrukturen
◼ Generierung des PIC
❑ Auswahl des Promotor, Mediator, GTFs und Pol II Interaktion
◼ Aktivierung des PIC und Beginn der RNA Synthese
❑ Entwinden und Öffnung der DNA im Bereich des RNA Synthesestarts
◼ Initiation
❑ Einbau der ersten 5-8 nt
◼ Übergang von der Initiation zur Elongation
❑ Fortschreiten der RNA-Synthese
◼ Termination
❑ RNA Synthese endet an definierten Sequenzelementen
Was sind die Komponenten der eukaryotischen Transkription?
◼ RNA Pol I, II, III
❑ Synthetisieren RNA von der DNA-Matrix
❑ 10-12 Untereinheiten
◼ Allgemeine Transkriptions-Faktoren (GTFs)
❑ Bringen die Pol an die richtige Stelle am Promotor
❑ Formen den PIC
❑ z.T. an der Elongation beteiligt
◼ Spezifische Transkriptions-Faktoren (STFs)
❑ Sequenzspezifische DNA-Bindungsproteine
❑ Selektieren die Gene, die transkribiert werden sollen
◼ Mediator
❑ Multiproteinkomplex (31Untereinheiten und eine Größe von 1.2 MDa)
❑ Stellt die Verbindung zw. STFs und dem basalen Transkriptionsapparat her
◼ Chromatin Modifizierender Komplex (ChMC)
❑ Essentiell zur Erreichung des Transkriptions-kompetenten Status
❑ Verschiedene Proteine involviert
Zusammenwirken der Komponenten bei der Transkription
VL I Folie 31
Wofür dient die Chromatin-Reorganisation?
◼ Chromatin-Restrukturierungs-Komplex dient der Entfernung der Nucleosomen
❑ essentielle Voraussetzung für eine effiziente Transkription
◼ Aktivierende und reprimierende Chromatinstrukturen existieren
❑ abhängig von prosttranlationaler Modifikation der Histone
Was machen Trans-acting sequenzspezifische DNA Binding-Proteins?
◼ Wirken auf den Transkriptionsapparat
◼ Ermöglichen die Aktivierung oder Repression der Transkription
◼ Binden an cis-acting Elemente in der Sequenz
Was sind Cis-acting DNA Sequenzen?
❑ Spezifische Protein Bindungsorte
❑ Anlagerungsorte für sequenz-spezifische DNA Bindungsproteine
❑ in der Nähe vom Transkriptionsstart
❑ weit entfernt vom Transkriptionsstart
▪ Enhancer (aktivierend wirkend)
▪ Silencer (inhibierend wirkend)
▪ Orientierung spielt keine Rolle
Was sind Polymerase II Promotoren?
◼ Struktur am Transkriptionsstart
❑ TATA Box oder Initiator Region/Element (falls keine TATA Box) – Bindungsort für das TBP und positioniert die RNA Polymerase
❑ Transkriptionsstart (+1)
❑ Sequenzen für die Bindung der STFs
❑ Upstream Activating Sequences (UAS, cis-acting DNA elements)
❑ Upstream Repressing Sequences (URS)
◼ Regulatorische Elemente weiter entfernt vom Core Promotor
❑ Enhancer/Silencersequencen können bis zu 85 kb vom Start entfernt liegen,
◼ Wirken Orientierungs- und positionsunabhängig
Wie findet man Promotorregionen?
mit Promotoranalyse z.B Luciferase Reportergenkonstrukte
- Potentielle Promotor/Enhancersquenzen werden in Plasmide inseriert
- Haben unterschiedliche Länge
z.B.: Parvovirus B19 (Ringelröteln) hat nur ein Promotor (P6) bestehend aus Core-Unit, Repressor, Enhancer
Was sind Mediatoren und welche Funktion haben sie?
In der Medizin und der Biochemie wird der Begriff Mediator zur Bezeichnung von Botenstoffen verwendet, die an einer Zielstruktur (in der Regel einer Zelle) biochemische Reaktionen auslösen. Dazu zählen unter anderem Neurotransmitter und Hormone.
◼ Besteht aus 21 Polypeptiden (Hefe), 28 Polypeptiden, die in 4 Module gegliedert werden können (Säuger)
◼ Funktion
❑ Rekrutieren Co-Aktivatoren/Repressoren um die Chromatinstruktur zu verändern
❑ Regulator und Vermittler von Signalen zw. Aktivatoren, Repressoren, Co-Aktivatoren und RNA Pol II
❑ Interaktion mit RNA Pol II, GTF, STFs, Chromatin modifizierenden Proteine
◼ Wichtigste Funktion: Kontrolliert die Phosphorylierung der CTD der Pol II
Was sind die Eukaryontischen Polymerase?
◼ Pol I
❑ Prä-R (ribosomale) RNA
❑ 18S, 28S, 5,8S
◼ Pol II (12 Polypeptid- Untereinheiten)
❑ Prä-mRNA, sno (small nucleolar), U1, U2, U4, U5 sn (small nuclear) RNAs
◼ Pol III
❑ tRNAs, 5S RNA, 7SL- RNA, U6 snRNA
Was ist der Ablauf der Initialtion der Transkription mit Pol II?
❑ Transkriptionsfaktoren binden nacheinander (Bindungskaskade)
❑ Danach bindet die Polymerase II
❑ Der PIC hat sich gebildet
❑ Dann startet die Elongation
Wie wird der PIC bei Polymerase II Promotoren gebildet?
Promotorerkennung und Promotorbindung durch TFIID (TBP und TAFs)
❑ TFIID : Multiproteinkomplex, der spezifisch an die Promotorregion bindet, besteht aus:
◼ TATA box-binding protein (TBP)
❑ Erkennt und bindet an die TATA Box
◼ TATA box-binding protein-
associated factors (TAFs)
❑ 12 unterschiedliche Proteine
❑ Histone ähnliche Struktur
❑ Stellen eine Nukleosomen- ähnliche Struktur am Promotor her
❑ Interagieren mit Transkriptionsaktivatoren
Was ist der Zweck des Aufschmelzens der DNA durch TBP?
◼ Sequenzspezifisch
❑ Kurze dA:dT-Sequenzen führen zur
intrinsischen Biegung der DNA um ca. 18°
◼ Proteininduziert
❑ TBP induziert DNA-Knick von ca. 80°
❑ Schmilzt dadurch die DNA in dA:dT reichen Bereichen auf
❑ Trägt zur korrekten Positionierung der Polymerase II am Transkriptionsstart bei
Wie läuft die PIC-Kaskade bei der Bildung des PIC ab?
❑ TFIID bindet an die TATA box
❑ TFIIA und TFIIB binden
❑ TFIIF bindet an die RNA Polymerase II
(RNAPII) und führt sie in den Komplex
❑ TFIIE and TFIIH binden an den
Komplex und komplementieren den
PIC
Was sind die 6 Allgemeine Transkriptionsfaktoren und deren Funktion?
TFIID:
-TBP: Erkennung der TATA-Box, Rekrutierung von TFIIB
- TAFs: Promotorerkennung, Regulation
TFIIA: Stabilisierung der TBP-DNA-Bindung; Antirepression
TFIIB: Rekrutierung von RNA Pol II - TFIIF; Selektion d. Startstelle durch RNA Pol II
RNA-Pol II: katalytische Aktivität der RNA-Synthese, Bindung von TFIIF
TFIIE: Bindung von TFIIH, Modulation der Aktivitäten von TFIIH
TFIIH: Helikase-, Kinase- und ATPase-Aktivität; Aufschmelzen des Promotors, Ablösen der RNA-Polymerase vom Promotor(?)
Spielen STF (spezifische TFs) und GTF (general TF) bei der Transkriptionsinitiation zusammen?
Ja (VL Bsp: TTR Gen)
Welches GTF hat eine zentrale Bedeutung während der Transkription und welche Funktionen hat er?
TFIIH
◼ Multiproteinkomplex
❑ 9 unterschiedliche Untereinheiten
❑ 2 Subkomplexe
◼ Core TFIIH
◼ CDK7-Cyclin H
Funktion
❑ DNA-abhängige ATPase
❑ ATP abhängige Helicase
◼ Öffnen des DNA Templates (wichtigste Fkt.)
❑ CTD-phosphorylierende Proteinkinase
(CDK7-Cyclin H)
In vitro Modell der Transkription
Bild VL I Folie 51
Durch was passiert der Übergang von der Initiation zur Elongation?
Hyperphosphorylierung der Pol II
◼ Große Untereinheit der Pol II
◼ enthält in der C-terminalen Domäne (CTD) 52 Kopien der Heptamersequenz YSPTSPS
◼ Phosporylierungsstellen (Ser/Thr)
◼ PIC
◼ geringe Phosporylierung der Pol II
◼ Elongation
◼ Hyperphosphorylierung der Pol II
◼ Phosphorylierung erfolgt durch Ser/Thr-spezifische Cyclin abhängige Proteinkinasen (CDK7, 8 und 9)
◼ Dann:
◼ Dissoziation der Mediatoren vom PIC»_space; Beginn der Elongation durch frei werden der Pol II
Zusammenfassung des Zusammenwirkens der Komponenten bei der Pol II-Transkription
- Viele verschiedene Faktoren beteiligt
- Kaskadenartige Regulierung
