Regulatorische RNAs in Prokaryoten Teil II Flashcards
Was sind charakteristische Merkmale trans-kodierter, kleiner RNAs (sRNA)?
- werden an einer anderen Stelle im Bakteriengenom kodiert, als ihre Ziel mRNA (trans kodiert)
- einzelne Transkripte mit einem Rho unabhängigen Terminator (Haarnadel mit anschließendem Polyuridin Abschnitt)
- Transkriptlänge: häufig zwischen 50 bis 300 nts (längste sRNA: ~550 nts)
- nur partiell komplementär zur Ziel-RNA
- benötigen oft zusätzlichen Proteinfaktor (RNA Chaperon Hfq)
- können diverse mRNAs targetieren
Wo sind trans-kodierte sRNA kodiert?
werden an einer anderen Stelle im Bakteriengenom kodiert, als ihre Ziel mRNA (trans kodiert)
Sind trans-kodierte sRNA komplementär zur Ziel-RNA?
nur partiell komplementär
Was sind die Transkriptslänge von trans-kodierte sRNAs?
Transkriptlänge: häufig zwischen 50 bis 300 nts (längste sRNA: ~550 nts)
Nenne ein Beispiel von trans-kodierte sRNA.
Fur (Ferric uptake regulator), Transkriptionsrepressor, wird bei Eisenüberschuss aktiviert
RyhB-sRNA, Expression bei Repression der Expression von diversen Eisen-bindenden Proteinen
Was sind die biologische Funktionen von sRNAs?
- Expression von sRNAs nur unter bestimmten Wachstumsbedingungen
Beispiele: - Oxidativer Stress (Ansammlung von reaktiven Sauerstoffverbindungen)
- Phospho-Zucker-Stress (z.B. Akkumulation von Glukose 6 -Phosphat)
- Nährstoffmangel
- Eisenmangel
- Regulation des Stoffwechsels, der Stressadaptation und der Virulenz
- Häufig negative Regulation der Translation und/oder der mRNA Stabilität, seltener Target-Aktivierung
Was ist der allgemeine Funktionsmechanismus des sRNAs?
sRNAs wirken durch partielle Duplexbildung mit der Ziel-mRNA
Diese Interaktion beeinflusst die Translation und Stabilität der Ziel-mRNA
Was sind die generellen Wirkmechanismen von sRNAs?
- Inhibition der Translation
- mRNA-Degradation
- Aktivierung der Translation
Wie wird die Translation durch sRNAs inhibiert?
- sRNA bindet an die Ribosomenbindungsstelle (RBS) der Ziel-mRNA.
- Ribosomen können nicht binden, Translation wird blockiert.
- Führt oft zu mRNA-Degradation
Wie wird mRNA durch sRNAs degradiert?
- Bindung der sRNA rekrutiert RNasen (z. B. RNase E oder RNase III).
- Ziel-mRNA wird abgebaut.
- Dieser Mechanismus ist häufig mit der Translationsinhibition gekoppelt
Wie wird die Translation durch sRNAs aktiviert?
- sRNA bindet an eine Region der Ziel-mRNA, die normalerweise eine inhibitorische Sekundärstruktur bildet.
- Die Bindung löst die Sekundärstruktur auf, wodurch die RBS zugänglich wird.
- Translation wird aktiviert
Wodurch passiert sRNA-vermittelte Translationsinhibition und mRNA-Abbau?
RNase E
Was ist ein Besipsiel für sRNA-vermittelte Translationsinhibition und mRNA-Abbau durch RNase E?
Escherichia coli (MicA; 72 nts; Stressadaption bei Eintritt in die stationäre Phase)
Was ist eine RNase E?
Endoribonuklease, rekrutiert weitere Degradosom-spezifische Proteine
Was ist Hfq (Host Factor for Qß) [Qß: (ssRNA-Bakteriophage)] und was sind deren Aufgaben?
- RNA-Chaperon, fördert Hybridisierung von sRNA und Target-mRNA
- Rekrutiert RNase E zum sRNA/mRNA-Duplex
Was sind die Proteine in RNA-Degradosom und deren Funktionen?
- RNase E (Endoribonuklease): spaltet einzelsträngige RNA
- PNPase (Polynukleotid-Phosphorylase): 3’→5’ Exoribonuklease, RNA-Degradierung zu Monoribonukleotiden
- RhlB (ATP-abhängige RNA-Helikase): fördert die Bildung von Einzelstrang-Substrat für RNase E und PNPase
- Enolase (Funktion hier unbekannt
Was sind die Funktion des RNA Chaperons Hfq?
- Schützt sRNAs vor Degradation durch zelluläre Ribonukleasen
- Fördert die Duplexbildung zwischen sRNA und Target mRNA
- Führt zur Rekrutierung von RNase E, einer Komponente des RNA Degradosomes
Wie ist die Struktur des RNA Chaperons Hfq?
Ringförmiges Homohexamer
Was passiet an der proximalen Bindungsfläche des RNA Chaperons Hfq?
sRNA-Bindung an Hfq via internaler Hairpins mit einzelsträngigen U-reichen Regionen und/oder Rho-unabhängigen Terminatoren
Was passiet an der distalen Bindungsfläche des RNA Chaperons Hfq?
mRNA Bindung via AAN-Bindungsmotive
Was ist die Funktion der lateralen Fläche des RNA Chaperons Hfq?
Rim (Arginin Patches) fördert Basenpaarung zwischen sRNA und mRNA (Mechanismus unbekannt)
Was ist ein Beispiel für sRNA-vermittelte Translationsaktivierung?
DsrA-sRNA (85 nts) moduliert die Translation durch die Basenpaarung mit rpoS-mRNA; inaktiv zu aktiv
Was ist der Sigma Faktor S?
Sigma Faktor S (rpoS, σ38), reguliert Gene, die bei Stress induziert werden
(z. B. Hungerphasen, Eingang in die stationäre Phase, Temperaturerniedrigung)
Wie ist die Struktur des rpoS mRNA?
Stabile Haarnadel-Struktur
Wo liegt der rpoS mRNA?
im 5‘ UTR
Wie ist die Translation durch rpoS mRNA gehemmt? (inaktiver Form von rpoS-mRNA)
Stabile Haarnadel-Struktur im 5‘ UTR:
-> maskiert RBS
-> ist Substrat für Endoribonuklease III,Spaltung nahe der RBS
–> Hemmung der Translation
Wie passiert die Ko-Bindung von DsrA-sRNA und rpoS-mRNA?
- via Hfq
- Basenpaarung der sRNA mit dem stem-loop der mRNA
Wie ist die Translation durch rpoS mRNA aktiviert? (aktivierter Form von rpoS-mRNA)
Basenpaarung der sRNA mit dem stem-loop der mRNA
-> Freisetzung der RBS
-> Neues dsRNA Substrat für RNase III weiter entfernt von der RBS, fördert Translationsinitiation
–> RBS zugänglich, Translation
RNA III ist eine dual-funktionale sRNA. Was sind die 2 verschiedene Rollen anhand des Beispiels von RNAIII (514 nts) aus Staphylococcus aureus (Gram +)?
- sRNA: reguliert die Translation und/oder die Stabilität von mRNAs, kodieren für:
- wichtige Virulenzfaktoren
- Transkriptionsregulatoren
- Enzyme des Zellwandstoffwechsels
- Z.B. H1: stabilizes RNAIII, H14: intrinsic transcription terminator
- mRNA: H3, H4 und H5 kodieren für Delta-Hämolysin (26 AA); ein Toxin, das die Wirtszelle permeabilisiert
Wodurch passiert die sRNA-vermittelte Translationsinhibition und den RNA-Abbau?
RNase III
Was macht coa?
Sezernierte Koagulase führt zur Bildung von Fibrin, das eine schleimige Schutzschicht um die Bakterien bildet
Wie ist die Bindung zwischen RNA III und coa mRNA? Ist ein Hfq nötig für die Interaktion?
- via Loop-Loop-Interaktionen
- Interaktion scheint unabhängigvon Hfq!
Welche Strukturen entstehen durch die Bindung zwischen RNA III und coa mRNA? Was sind die Folgen der Generierung dieser Strukturen?
- Duplex I: Verlängerung des Kissing-Komplexes (I) durch Basenpaarung; Maskierung der SD -> Blockierung der RBS -> Inhibition der Translation durch fehlende 30S
- Duplex II: Bildung eines Kissing-Hairpin; coaxiale Stapelung -> Stabilizierung der Struktur -> Bildung ~22 bp lange helikale dsRNA-Struktur
Was ist das neue Substrat für RNase III (Endoribonuklease) bei der Enstehung des Duplex IIs durch die Bindung zwischen RNA III und coa mRNA? Was ist die Funktion von RNase III hier?
~22 bp lange helikale dsRNA-Struktur;
generiert Doppelstrangbrüche mit 5‘-Phosphat-Enden und 2 nts-langen 3‘-Überhängen -> diese Spaltung degradiert coa mRNA -> komplete Repression des mRNAs
Was ist ein Beispiel für RNA III-vermittelte Translationsaktivierung?
- Staphylococcus aureus (Virulenz)
- Späte Virulenzphase führt zur Translation von α-Hämolysin
- H2 von RNase III basenpaart mit 5‘ Sequenz von hla -> Freilegung der SD -> Translation von hla mRNA möglich
Was sind Eigenschaften von cis-kodierten antisense-RNAs (asRNAs)?
- in der gleichen DNA-Region lokalisiert (cis-kodiert)
- autonome Transkript-Einheit mit Promotor und Terminator
- Transkriptlänge sehr variabel: ~70 Basen bis mehrere Kilobasen
- vollständig komplementär zur Ziel-RNA (antisense)
- Targetieren nur eine mRNA
Wo kommen cis-kodierte antisense-RNAs (asRNAs) vor?
bakterielle Genome und mobile DNA-Elemente (Plasmide, Phagen)
Auf welcher Ebene der Genexpression wirken cis-kodierte antisense-RNAs (asRNAs)?
der Transkription, der mRNA-Stabilität oder der Translation (meist inhibierend, seltener aktivierend)
Was sind die biologischen Funktionen von cis-kodierte antisense-RNAs (asRNAs)?
- Kontrolle der Replikation, Stabilität und Konjugation von Plasmiden
- Kontrolle der Transposition von Transposons
- Chromosomal-kodierte asRNAs: Regulation des Stoffwechsels, der Stressantwort und Toxinbildung
Was sind die verschiedenen Typen von cis-kodierten antisense-RNAs (asRNAs)?
- Kurze asRNAs: überlappen ein sense ORF Lange asRNAs überlappen mehrere sense ORFs (Operon)
- asRNAs, die von langen 5‘- oder 3‘-UTRs Protein kodierender mRNAs abstammen
Was ist ein Beispiel für eine asRNA-vermittelte Transkriptionstermination?
Regulation des Eisentransport-Biosynthese-Operons in Vibro anguillarum (Gram -)
Was ist fatDCBA?
Eisen-Siderophor-Transportproteine
Was ist angRT?
Enzyme für die Siderophor-Biosynthese
Wie wird das Eisentransport-Biosynthese-Operon in Vibro anguillarum (Gram -) durch cis-kodierte asRNA-vermittelte Transkriptionstermination reguliert?
- Bindung von RNAꞵ (427 nts) an die wachsende polycistronische mRNA
- Hairpin Bildung führt zur Termination der Transkription
- Differentielle Expression eines Operons:
- Höherer Level an fatDCBA mRNA (bei wenigerem/fehlendem oder inaktivem RNAβ)
- Niedriger Level an Volllänge mRNA -> Downregulierung des Operons (bei sehr vielem oder aktivem RNAβ)
Welcher Art von asRNA ist RNAβ?
RNAꞵ ist komplementär zu der 5‘-Region des fatDCBA mRNA
Was ist ein Beispiel für die Erhöhung der mRN-Stabilität durch asRNA?
- Regulation bei Säure-Stress (Escherichia coli, Gram -)
- GadX und GadW kodieren für Transkriptionsfaktoren, die das Glutamat abhängige Säureresistenz System regulieren
Wie wird Genexpression bei Säure-Stress in Escherichia coli durch asRNA reguliert?
- Bindung von GadY an die intercistronische Sequenz der bicistronischen mRNA gadX & gadW
- Duplex-Bildung führt zur Spaltung durch RNase III
- Die neu gebildeten monocistronischen mRNAs (für gadX und gadW) sind stabiler und werden effizienter translatiert
Was ist ein Besipiel für eine cis-wirkende as-RNA vermittelte Translationsinhibition?
Typ I Toxin/Antitoxin-System: Beteiligung an der durch DNA-Schäden induzierte SOS-Antwort
Was ist SymE?
SymE (Toxin; Endoribonuklease): Degradation von mRNA während der SOS-Antwort führt zur Hemmung der Translation
Was ist SymR?
SymR (Antitoxin; asRNA): Expression unter normalen, nicht SOS-induzierten Bedingungen
Wie wird die Translation im Typ I Toxin/Antitoxin-System durch asRNA inhibiert?
- SymR maskiert RBS
- Hemmung der SymE-Translation
Was ist ein Beispiel für eine trans-wirkende asRNA-vermittelte Translationsinhibition?
Regulation des TA-Systems (Staphylococcus aureus, Gram+)
Was ist SprA1?
SprA1: Toxin, wirkt als Virulenzfaktor und als Wachstumsinhibitor
Welcher Art von asRNA ist SprA1? Und was ist besonders an seiner Wirkung?
- SprA1-as ist komplementär zu der 5‘-UTR des SprA1 mRNA (cis-kodiert, trans-wirkend)
- Die cis-kodierte asRNA verhält sich wie eine trans-acting sRNA
- Obwohl SprA1-as cis-kodiert ist, ähneln seine Zielsequenz-Spezifität, die unvollständige Basenpaarung und der Mechanismus der Translationsinhibition der Funktion von trans-aktiven sRNAs verhält
Wie wird die Translation in Staphylococcus aureus durch eine trans-wirkende asRNA für die Regulation des TA-Systems inhibiert?
- überlappende Region (35 nts) von SrpA1 and SrpA1-as können nicht basenpaaren, bilden jeweils langen stabilen Stamm aus
- 5‘-Ende der asRNA (kurzer Hairpin) basenpaart (imperfectly) mit SD/AUG der Target-mRNA
- Inhibition der Translation durch Bildung eines imperfekten Duplex (Blockierung des SD/AUG am SprA1 mRNA)
Was ist ein Beispiel für asRNA-vermittelte Translationsinhibition und RNA-Abbau?
Tn10/IS10-Transposition
Wie wird die Translation Tn10/IS10-Transposition inhibiert und der RNA abgebaut?
- Initialkontakt über 3 G-C-Basenpaare (reversible Interaktion zwischen RNA-IN (mRNA) und RNA-OUT (asRNA) durch stem-loop und single-stranded region)
- Unidirektionale Progression des Duplex ausgehend vom Loop in den nachfolgenden Helixbereich der asRNA (RNA-OUT)
- Inhibition der Transposase-Translation (Duplex maskiert RBS am RNA-IN) und Degradation der mRNA durch RNase III
Was ist ein cis-wirkendes Element?
Ein cis-wirkendes Element ist ein DNA-Abschnitt, der auf demselben DNA Molekül liegt und die Expression eines Gens/Operons reguliert
Was sind Besipsiele von cis-wirkender Elemente?
- Operatorsequenzen
- Enhancer
- Silencer
Wie sind die an diesen Sequenzabschnitten bindenden Transkriptionsfaktoren (Operatorsequenzen, Enhancer oder Silencer) kodiert und wie ist ihre Wirkung?
- trans-kodiert
- cis-wirkend
Wie sind Riboswitches und RNA-Thermometer kodiert und wie ist ihre Wirkung?
- cis-kodiert
- cis-wirkend
Wie sind sRNAs kodiert und wie ist ihre Wirkung?
- trans-kodiert
- trans-wirkend
Wie sind asRNAs kodiert und wie ist ihre Wirkung?
- cis-kodiert
- cis-wirkend; nur trans-wirkend wenn diffundierbares Molekül
Wie kann ein cis-kodiertes asRNA in trans wirken?
Wenn:
* Sie zu einem kleineren, diffundierbaren RNA-Fragment verarbeitet wird (z. B. einige riboswitch-abgeleitete sRNAs oder prozessierte bakterielle asRNAs).
* Sie an RNA-bindende Proteine (wie Hfq in Bakterien) bindet, die sie stabilisieren und ihr ermöglichen, auf entfernte mRNAs zu wirken.
* Sie Sequenzkomplementarität zu mehreren Ziel-mRNAs aufweist, sodass sie Transkripte jenseits ihres ursprünglichen Lokus regulieren kann.
Somit besteht der entscheidende Unterschied darin, ob die asRNA lokal bleibt (cis-acting) oder sich frei in der Zelle bewegt (trans-acting).
