Regulatorische RNAs in Prokaryoten Teil I Flashcards
1
Q
Regulatorische RNAs helfen der Zelle sich an wechselnde Lebensräume anzupassen. Was könnten Beispiele von wechselenden Lebensräume sein?
A
z.B. Temperatur, pH, Druck, Osmolarität, Nährstoffe, Pathogene, Sauerstoff
2
Q
Wie sind Sekundärstrukturen von RNAs gebildet?
A
Einzelsträngige RNA kann intramolekular wechselwirken und Strukturmotive ausbilden
3
Q
Was sind Beispiele von Sekundärstrukturen von RNAs?
A
single strand, double strand, single nucleotide bulge, three nucleotide bulge (bulge loop), hairpin (stem loop), symmetric internal loop, asymmetric internal loop, two stem junction, three stem junction, four stem junction
4
Q
Wie sind Tertiärstrukturen von RNAs gebildet?
A
- Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Basenpaaren sowie Basenstapelung benachbarter Basenpaare tragen überwiegend zur RNA Stabilität bei
- RNA Moleküle können räumliche Strukturen einnehmen
5
Q
Was sind Beispiele von Tertiärstrukturen von RNAs?
A
Koaxiale Basenstapelung (Kollinearisierung zweier stems), kissing hairpin, Pseudoknoten – 3 Typen: 1. H-Typ: hairpin loop; I-Typ: internal loop; B-Typ: bulge loop
6
Q
Was sind die 3 Abschnitte einer bakteriellen Riboswitch kontrollierten mRNA?
A
- 5‘ untranslatierte Region (5‘ UTR)
- der Protein kodierende Bereich beginnt mit dem Startkodon (AUG) und endet mit einem Stoppkodon (hier UAA, andere UAG, UGA)
- 3‘ UTR
7
Q
Wo genau liegen Riboswitches im bakteriellen mRNAs?
A
im 5‘ UTR bakterieller mRNAs
8
Q
Sind Riboswitches in bakteriellen mRNAs cis oder trans agierende RNA Elemente?
A
cis agierende RNA Elemente
9
Q
Sind Riboswitches in bakteriellen mRNAs konserviert?
A
Bilden komplexe RNA Strukturelemente, die häufig evolutionär konserviert sind
10
Q
Sind die durch Riboswitches gebildeten komplexen Sturkturelemente liganden-spezifisch?
A
Binden hochspezifisch nieder molekulare Liganden
11
Q
Worauf berüht sich die Spezifität zu Liganden bei Riboswitches?
A
- Purin bindende Riboswitches weisen die gleiche 2D- & 3D- Struktur auf, können aber sehr spezifisch zwischen Guanin oder Adenin diskriminieren
- Die Spezifität beruht auf einem einzigen Pyrimidin Nukleotid
–> Adenin-Riboswitch am Uracil 74 & Guanin-Riboswitch am Cytosin 74
12
Q
Was ist die Hauptfunktion von Riboswitches?
A
- Regulation der Genexpression durch Liganden induzierte Bildung alternativer Strukturen
- Riboswitch regulierte Genexpression = Riboregulation
13
Q
Was sind die wesentlichen Strukturelemente von Riboswitches?
A
- Aptamer Domäne (AD; Sensor)
- Expressionsplattform (EP)
- Switching-Sequenz (SS)
14
Q
Wofür sind die Aptamer Domäne (AD)?
A
- Bindung des Liganden (L)
- Benötigen ihren Liganden für korrekte Faltung -> induced-fit-Bindung
- ~35-200 nt lang
15
Q
Wofür ist das Expressionsplattform (EP)?
A
- Auslösung regulatorischer Signale
- Modulation der Transkription oder Translation
16
Q
Wofür ist das Switching-Sequenz (SS)?
A
Liganden-freie und -gebundene Konformationen sind sich ausschließende Strukturen, die durch die Switching-Sequenz (SS) vermittelt werden
17
Q
Welche Elemente des Riboswitches interagieren zusammen, wenn ein Ligand nicht bindet am AD?
A
(-L): Basenpaarung zwischen EP und SS
18
Q
Welche Elemente des Riboswitches interagieren zusammen, wenn ein Ligand bindet am AD?
A
(+L): Basenpaarung zwischen AD und SS
19
Q
Was sind Kategorien von Stoffen, die Bekannte Riboswitch-Liganden sind?
A
- Coenzyme
- Nukleobasen & Derivate
- Aminosäuren
- Zucker
- Ionen
20
Q
Was sind Beispiele für Coenzyme, die Bekannte Riboswitch-Liganden sind?
A
- Vitamin B12
- Thiaminpyrophosphat (TPP), B1
- Flavinmononukleotid (FMN), B2
- Tetrahydrofolsäure (THF), B9
[Diese sind Vitamin-Derivate] - S-Adenosylmethionin (SAM)
- S-Adenosylhomocystein (SAH)
- Molybdän-Cofaktor (MoCo)
[Alle enthalten RNA Komponente]
21
Q
Was sind Beispiele für Nukleobasen & Derivate, die Bekannte Riboswitch-Liganden sind?
A
- Guanin
- Adenin
- preQ1 (Queuosin Vorläufer)
- zyklisches di-GMP
[Alle enthalten RNA Komponente]
22
Q
Was sind Beispiele für Aminosäuren, die Bekannte Riboswitch-Liganden sind?
A
- Glycin
- Lysin
- Glutamin
23
Q
Was sind Beispiele für Zucker:, die Bekannte Riboswitch-Liganden sind?
A
Glukose-6-phosphat
24
Q
Was sind Beispiele für Ionen, die Bekannte Riboswitch-Liganden sind?
A
- Mg2 +
- Mn 2+
- F-
25
Was sind die biologischen Funktionen von Riboswitches?
1. Hauptsächlich Regulation der Expression von Genen, die für Proteine der Biosynthese und des Transports kodieren
2. Regulation der Verfügbarkeit von Coenzymen
3. Aktivierung von Stressantworten (z.B. Überleben bei hoher Salz-Konzentration)
4. Regulation diverser zelluläre Funktionen über den sekundären Botenstoff zyklisches di Guanosinmonophosphat (c-di-GMP), z.B. reduziert Flagellen-vermittelte Motilität und fördert die Bildung von Biofilmen
5. Häufig negative Regulation (off-switch) durch feedback loops (Feedback inhibition), seltener aktivierend (on-switch)
26
Was ist eine Riboswitch-Familie und was sind Beispiele dafür?
* Gruppe von RNAs, die den gleichen Liganden binden
* z.B. SAM (S-Adenosylmethionin)-bindende Riboswitch-Familie
27
Was sind Riboswitch-Klassen und was sind Beispiele dafür?
* unterscheiden sich in ihrer 2D und 3D Struktur
* z.B. SAM-I (4-stem junction), SAM-II ( pseudoknot ), SAM-III (3-stem junction)
28
Was sind Funktionen von SAM-Riboswitches?
1. Regulation
2. SAM-Biosynthese und -Transport
3. Biosynthese von Methionin & Cystein
4. Schwefelstoffwechsel
29
Was passiert, wenn keinen Liganden am Riboswitch – Transkriptionstermination (off-switch) bindet?
* Basenpaarung zwischen SS und EP
* Ausbildung einer Anti-Terminator-Haarnadel
* Fortsetzung der Transkription
30
Was passiert, wenn einen Liganden am Riboswitch – Transkriptionstermination (off-switch) bindet?
* Basenpaarung zwischen SS und AD
* Ausbildung einer Terminator-Haarnadel
* Abbruch der Transkription
31
Was passiert, wenn keinen Liganden am Riboswitch – Translationsinhibition (off-switch) bindet?
* Basenpaarung zwischen SS und EP
* Ausbildung eines Anti-Sequestors
* RBS bleibt zugänglich
* Translation
32
Was passiert, wenn einen Liganden am Riboswitch – Translationsinhibition (off-switch) bindet?
* Basenpaarung zwischen SS und AD
* Ausbildung eines Sequestors
* Maskierung der RBS
* Inhibition der Translation
33
Was ist die biologische Funktion von Lysin-Riboswitch (Off-switch)?
Regulation der Lysin-Biosynthese und des Transports
34
Was sind Besipiele von Lysin-Riboswitch (Off-switch)?
* Transkriptionstermination in Thermotoga maritima (Gram -)
* Translationsinhibition in Escherichia coli (Gram -)
35
Können Riboswitches aktivierend auf Transkription oder Translation wirken?
Ja, z.B. Adenin-Riboswitch (On-switch)
36
Was sind Besipiele von Adenin-Riboswitch (On-switch)?
* Transkription in Bacillus subtilis (Gram +)
* Translation in Vibrio vulnificus (Gram -)
37
Wie funktionieren Adenin-Riboswitch (On-switch)?
* Purin Efflux Pumpe (pbuE)
* Hohe Adenin-Konzentration führt zur Transkription bzw. Translation von pbuE
* Ausscheidung von Adenin
38
Was macht der GlmS-Riboswitch speziell?
* Es ist gleichzeitig auch ein Ribozym
* Es spielt die Rolle einens Sensors und katalytischen Regulators
39
Welche Bakterien regulieren die GlmS-Genexpression durch ein Riboswitch-Ribozym?
Gram + Bakterien (z.B. Bacillus subtilis)
40
Was ist der Mechanismus des Riboswitch-Ribozyms für die Regulation der GlmS-Expression in Bakterien?
* Bindung von GlcN6P führt zur Selbst Spaltung der mRNA -> 5‘-Hydroxyl entsteht
* Erkennung des neuen 5‘-OH durch RNase J1 -> Degradation der mRNA
41
Finden sich auch Riboswitches in Archaeen und Eukaryoten?
* Bakterien: Viele
* Archaeen: Fluorid-responsiver Riboswitch in hyperthermophilen Archaeen
* Eukaryoten: Thiaminpyrophosphat-responsiver Riboswitch in Hefen, Algen & höheren Planzen
42
Woran binden die Riboswitches in Eukaryoten?
Thiaminpyrophosphat (TPP)
43
Wo kommen Thiaminpyrophosphat (TPP)
bindende Riboswitches vor? Was ist ein Beispiel?
* Vorkommen: Pilze, Algen und höhere Pflanzen
* Beispiel: Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand)
44
Wo liegt der Riboswitch in Eukaryoten?
im 3‘ UTR
45
Was ist der Mechanismus von Riboswitches in Eukaryoten?
Alternatives Splicing, führt zur Degradation der mRNA
46
Was ist die Funktion von Thiaminpyrophosphat (TPP)
bindende Riboswitches?
Regulation der Expression von Thiamin C-Synthetase (THIC)
47
Was passiert, wenn der Riboswitch TPP-frei ist?
* Basenpaarung mit mRNA Region stromaufwärts vom Poly(A)-Signal
* Maskierung der 5‘ Splice Stelle
* Transkription stoppt nach Poly(A)-Signal
* Polyadenylierung stabilisiert mRNA
* Effiziente Translation
48
Was passiert, wenn der Riboswitch TPP-gebunden ist?
* Demaskierung der 5‘ Splice Stelle
* Alternatives Splicing möglich
* Verlust des im Intron liegenden Poly(A)-Signals
* Keine Polyadenylierung
* Degradierung der mRNA
49
Was sind bakterielle RNA-Thermometer?
* Bakterien können die Umgebungstemperatur messen
* Temperatursensoren sind kleine RNA-Elemente
50
Wo liegen bakterielle RNA-Thermometer?
in der 5‘ Region der zu regulierenden mRNA
51
Was ist die Funktion von bakterielle RNA-Thermometer?
* Kontrolle der Expression verschiedener Stress Gene (heat-shock Gene, cold-shock Gene und Virulenzgene)
* Regulation der Translation
52
Was passiert in bakterielle RNA-Thermometer bei niedriger (optimaler) Temperatur?
Ribosomenbindestelle (RBS) und Startkodon (AUG) sind durch Basenpaarung mit dem 5‘ UTR der mRNA nicht zugänglich -> Maskierung von RBS/AUG
53
Was passiert in bakterielle RNA-Thermometer bei hoher Temperatur (Hitzestress)?
Aufschmelzen der Struktur im 5‘ Bereich -> RBS und AUG zugänglich -> Bindung der ribosomalen Untereinheiten
--> »Gekoppeltes System: Sensor und Regulator
--> »Direkte Reaktion auf Änderungen der Umgebungstemperatur
54
Was für ein System ist in den bakteriellen RNA-Thermometer zu beobachten? Und wozu hilft das?
* Gekoppeltes System: Sensor und Regulator
* Direkte Reaktion auf Änderungen der Umgebungstemperatur
55
Wie ist der Aufschmelzungsmechanismus von Heat-shock RNA-Thermometer?
Graduelle Erhöhung der Umgebungstemperatur -> graduelles Aufschmelzen der gepaarten Region
* Reißverschluß zipper ähnlicher Mechanismus
56
Was sind ROSE-Elemente?
* ROSE (Repression Of heat-Shock gene Expression)
* Sequenz von 60 bis >100 nt
57
Wo auf dem Genom sind ROSE-Elemente zu finden?
im 5‘ Bereich
58
Wo kommen ROSE-Elemente vor?
verschiedener Hitzeschock Operons in Gram
negativen Bakterien (z.B. Rhizobia, Escherichia und Salmonella)
59
Was ist die Hauptfunktion von ROSE-Elemente?
Regulation der Genexpression von mind. 5 heat-shock Operons (auch σ 32)
60
Woran sind die ROSE-Elemente erkennbar?
Temperatur-sensibler 3‘-Hairpin mit weniger GC-Inhalt
[Temperatur-stabile 5‘-Hairpins (↑GC!) -> Sichern korrekte Faltung des labilen 3‘-Hairpin während der Transkription]
61
Was ist für das graduelle Aufschmelzen der Temperatur-sensiblen 3‘-Haarnadel besonders wichtig in ROSE-Elementen?
Nicht-Watson-Crick (N-WC) Basenpaare (Bp)
62
Wie sind die N-WC Bp bei 37˚C?
* Triple Basenpaarung, U96 bildet je eine Wasserstoffbrückenbindung mit C80 und U81 aus
* N-WC-Bp U79-U97
63
Wie sind die N-WC Bp bei 42˚C?
* N-WC Bp G83-G94
* Temperatur labile Wobble-Paarung zwischen G72 und U104 im AUG
64
Was ist die Funktion eines Virulenz-RNA-Thermometers?
* 37˚C, ein Signal für pathogene Bakterien zur erfolgreichen Invasion in einen Warmblüter
* Induktion der Expression von Virulenzfaktoren
65
Was ist die Funktion von Virulenzfaktoren in Virulenz-RNA-Thermometer? Was sind Beispiele davon?
* Verhelfen dem Bakterium sich im Wirt zu etablieren und erhöhen die Pathogenität des Krankheitserregers
* Beispiele:
- Adhäsine (Pili, Membranproteine): Anhaftung an Zielzelle
- Antiphagozytosefaktoren: Verhindern Phagozytose durch Fresszellen
- Invasionsfaktoren: Ausbreitung des Erregers im Gewebe
- Exotoxine: Membranschädigung, Proteinbiosynthese-Inhibition
66
Was ist ein Beispiel von Bakterien, die den Virulenz-RNA-Thermometer enthalten?
Listeria monocytogenes (Gram+)
67
Wo kommen Listeria monocytogenes (Gram+) vor?
ubiquitär, in Gewässer und Böden, auf Pflanzen
68
Was sind die üblichen Wirtsorganismen von Listeria monocytogenes (Gram+)?
Schalentiere, Fische, Vögel, Säugetiere
69
Was ist die Wachstumstemperatur für Listeria monocytogenes (Gram+)?
zwischen 4˚C bis 40˚C, Optimum bei 30-37˚C
70
Wie werden Listeria monocytogenes (Gram+) häufig infeziert?
häufig durch verdorbene Lebensmittel (Fisch, Fleisch, Milch, vorgeschnittener Salat)
71
Was sind die Erkrankungen durch eine Listeria monocytogenes (Gram+) Infektion?
* meist leichte Symptome im Magen-Darm-Bereich wie Übelkeit, Erbrechen, Durchfall
* selten Hirnhautentzündung, pränatale Infektionen, Fehlgeburten
72
Was ist PrfA?
ein Transkriptionsaktivator für Virulenzgene
73
Wo ist PrfA zu finden?
im 5‘-Region
74
Was passiert in Virulenz-RNA-Thermometer bei einer Temperatur von 37˚C?
* Temperaturerhöhung bewirkt Aufschmelzen der Sekundärstruktur im Bereich der RBS und AUG
* Ribosomenbindung möglich
* Expression des Transkriptionsfaktors PrfA
* PrfA-vermittelte Aktivierung der Expression der Virulenzgene
75
Was sind die Aufgaben von dem PrfA-Virulenz-Regulon?
* Eindringen in die Wirtszelle
* Entweichen aus Phagosomen
* Intrazelluläre Vermehrung
* Aktin-basierte Ausbreitung von Zelle zu Zelle
76
Was passiert bei einer Temperaturerniedrigung in Cold shock RNA-Thermometer?
* Erniedrigte Membranfluidität
* Erniedrigte Transkription und Translation durch Stabilisierung von Sekundärstrukturen
* Ineffiziente Faltung von Proteinen
* Verringerte Enzymaktivität
77
Wann werden die cold shock-Proteinen (CSP) expremiert?
cold shock-Protein A (CspA) wird in E. coli unter cold shock-Bedingungen (von 37˚C auf 10˚C) exprimiert
78
Was sind die Funktionen von CspA?
* reguliert die Translation als auch die Stabilität der cspA-mRNA
* RNA Chaperon, bindet an einzelsträngige RNA
* Verhinderung kältestabilisierte Sekundär und Tertiärstrukturen in der Ziel RNA
* Adaption an niedrige Temperaturen, Aufrechterhaltung von Transkription und Translation
79
Wie läuft die Transkription und Translation bei 37˚C in Bakterien mit Cold shock RNA-Thermometer?
* SD und AUG nicht zugänglich
* keine Translation
* mRNA sehr instabil
* (Halbwertzeit der mRNA: ~20 Sekunden)
80
Wie läuft die Transkription und Translation bei 10˚C in Bakterien mit Cold shock RNA-Thermometer?
* Ko-transkriptionelle Faltung der mRNA führt bei Erniedrigung der Temperatur zu einer anderen Struktur, wodurch die mRNA deutlich stabilisiert wird
* (Halbwertzeit der mRNA: ~30 Minuten)
* SD zugänglich, effiziente CspA Translation
* Stabilisierung des Thermosensors durch einen Pseudoknoten
81
Was ist der Unterschied zwischen heat shock und cold shock RNA-Thermometer?
* Heat shock:
Erhöhung der Umgebungstemperatur führt zum graduellen Aufschmelzen der basengepaarten Region
* Cold shock = RNA switch:
Abhängig von der Umgebungstemperatur können zwei sich gegenseitig ausschließende Strukturen gebildet werden (off-on)
Diese Strukturen können aber nicht wie echte Riboswitches ineinander umgewandelt werden (ko- transkriptionelle Faltung der mRNA)
