RNA-regulierte biologische Systeme Flashcards
Was sind die vier Ebenen der RNA-Strukturierung ?
- Primärstruktur
-> Sequenz der Nukleotide - Sekundärstruktur
-> Intramolekulare Strukturelemente der RNA, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den Nukleotiden verursacht werden - Tertiärstruktur
-> Räumliche Struktur eines RNA-Moleküls - Quartärstruktur
-> Zusammenlagerung mehrerer RNA-Elemente
Nenne zehn Beispiele für Sekundärstrukturen von RNAs.
- single strand
- double strand
- single nucleotide bulge
- three nucleotide bulge
- hairpin
- symmetric internal loop
- asymmetric internal loop
- two-stem junction
- three-stem junction
- four-stem junction
Nenne drei Beispiele für Tertiärstrukturen von RNAs.
- Koaxiale Basenstapelung
- Kissing hairpins
- Pseudoknoten
Aus welchen drei Abschnitten setzt sich Riboswitch-kontrollierte mRNA zusammen ?
- 5´-untranslatierte Region (5´-UTR)
- Protein-kodierender Bereich begrenzt durch das Startkodon AUG und ein Stoppcodon
- 3´-untranslatierte Region (3´-UTR)
Wo sind Riboswitches lokalisiert ?
-> Im 5´-UTR bakterieller mRNAs
-> Riboswitches sind cis-agierende RNA-Elemente
Erkläre allgemein die Funktion von Riboswitches.
-> Bildung von evolutionär konservierten RNA-Strukturelementen
-> Struktur-Änderung durch Bindung eines niedermolekularen Liganden
-> Struktur-Änderung reguliert die Transkription oder Translation
Wie nennt man die Regulierung der Genexpression durch Riboswitches ?
Riboregulation
Riboswitches haben drei wesentliche Strukturelemente. Nenne und erkläre diese kurz.
- Aptamer-Domäne (AD):
-> Bindung des Liganden - Expressionsplattform (EP):
-> Auslösung regulatorischer Signale - Switching-Sequenz (SS):
-> Strukturänderung durch Liganden-Bindung
-> Liganden-freie und -gebundene Konformation schließen sich gegenseitig aus
Nenne fünf Coenzyme, die als Riboswitch-Liganden fungieren.
- Vitamin B12
- Thiaminpyrophosphat (TPP), B1
- Glavinmononukleotid (FMN), B2
- Tetrahydrofolsäure (THF), B9
- S-Adenosylmethionin (SAM)
Nenne vier Nukleobasen bzw. deren Derivate, die als Riboswitch-Liganden fungieren.
- Guanin
- Adenin
- preQ1
- Zyklisches di-GMP
Nenne drei Aminosäuren, die als Riboswitch-Liganden fungieren.
- Glycin
- Lysin
- Glutamin
Nenne drei Ionen, die als Riboswitch-Liganden fungieren.
- Mg 2+
- Mn 2+
- F -
Nenne einen Zucker, der als Riboswitch-Ligand fungiert.
Glukose-6-Phosphat
Nenne fünf biologische Funktionen von Riboswitches.
- Regulation der Expression von Genen, die für Biosynthese und Transport relevant sind
- Regulation der Verfügbarkeit von Coenzymen
- Aktivierung von Stressantworten
- Regulation zellulärer Funktionen über den Botenstoff c-di-GMP
- Negative Regulation durch feedback-loops
Was ist eine Riboswitch-Familie ?
-> RNAs, die den gleichen Liganden binden
-> Sie dürfen sich aber in ihrer Struktur unterscheiden
-> Eine Famile enthält mehrere Klassen
Was ist eine Riboswitch-Klasse ?
-> RNAs, die den gleichen Liganden binden und die gleiche 2D- und 3D-Struktur haben
-> Mehrere Klassen bilden eine Familie
Nenne drei Funktionen von SAM-Riboswitches.
- Regulation der SAM-Biosynthese und -Transport
- Biosynthese von Methionin und Cystein
- Regulation des Schwefelstoffwechsels
Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Transkriptions-off-switch Riboswitches ohne gebundenen Liganden.
-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Expressionsplattform
-> Ausbildung einer Anti-Terminator-Haarnadel
-> Fortsetzung der Transkription
Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Transkriptions-off-switch Riboswitches mit gebundenem Liganden.
-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Aptamer-Domäne
-> Ausbildung einer Terminator-Haarnadel
->Termination der Transkription
Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Translations-off-switch Riboswitches ohne gebundenen Liganden.
-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Expressionsplattform
-> Ausbilung eines Anti-Sequestors (hairpin)
-> Ribosomen-Bindestelle bleibt zugänglich
-> Translation kann ablaufen
Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Translations-off-switch Riboswitches mit gebundenem Liganden.
-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Aptamer-Domäne
-> Ausbildung eines Sequestors (hairpin, der RBS enthält)
-> Maskierung der Ribosomen-Bindestelle
-> Inhibition der Translation
Der Lysin-Riboswitch kann zwei verschiedene Funktionen haben. Welche sind das ?
- Transkriptionstermination
- Translationsinhibition
Beides reguliert die Lysin-Biosynthese und den -Transport
Was versteht man unter der Modulfunktion des Lysin-Riboswitches ?
Die gleiche Aptamer-Domäne reguliert in Abhängigkeit von der Expressionsplattform entweder die Transkription oder die Translation.
Handelt es sich beim Lysin-Riboswitch um einen on- oder einen off-switch ? Begründe die Antwort.
-> Off-switch
-> Lysinbindung sorgt für eine negative Regulation: Translationsinhibition oder Transkriptionstermination
Handelt es sich beim Adenin-Riboswitch um einen on- oder einen off-switch ? Begründe die Antwort.
-> On-switch
-> Adenin-Bindung sorgt für eine positive Regulation: Transkription bzw. Translation von Purin-Efflux-Pumpe (pbuE)
Was ist ein Ribozym ?
Eine katalytisch wirksame RNA
Die GlmS-Genexpression wird durch ein Riboswitch-Ribozym reguliert. Erkläre den Regulations-Vorgang.
-> Translation des Ribozyms führt zur Herstellung von Glucosamin-6-phosphat Synthetase (GlmS)
-> Synthese von GlcN6P, was für die Zellwandsynthese benötigt wird
-> GlcN6P wird als Ligand vom Riboswitch-Ribozym gebunden
-> Selbst-Spaltung der mRNA, wobei ein 5´-Hydroxyl-Ende entsteht
-> Erkennung des neuen 5´-OH durch RNase J1 führt zur Degradation der mRNA
-> Keine weitere Translation von GlmS (Negatives Feedback)
Wie können Purin-bindene Riboswitches zwischen Guanin und Adinin unterscheiden ?
-> Spezifität beruht auf einem einzigen Nukleotid
-> Bindungstasche des Adenin-Riboswitches enthält Uracil-74
-> Bindungstasche des Guanin-Riboswitches enthält Cytosin-74
Riboswitches finden sich nicht nur in Bakterien, sondern auch in Archaeen und Eukaryoten. Nenne dafür jeweils ein Beispiel.
- In Archaeen:
-> Fluorid-bindender Riboswitch in hyperthermophilen Archaeen - In Eukaryoten:
-> Thiaminpyrophosphat-bindender Riboswitch in Hefen, Algen und Pflanzen
-> Keine Riboswitches in Menschen
Nenne für den Thiaminpyrophosphat-bindenden Riboswitch seine Lokalisation, seinen Wirkmechanismus und seine Funktion.
- Lokalisation:
3´-UTR - Mechanismus:
Alternatives Splicing führt zur Degradierung der mRNA - Funktion:
Regulaion der Expression von Thiamin C-Synthetase (THIC)
Was sind bakterielle RNA-Thermometer und wo sind sie lokalisiert ?
-> RNA-Elemente, die Temperatursensoren (z.B. hairpins) enthalten
-> Ermöglichen Bakterien die Umgebungstemperatur zu messen
-> Liegen in der 5´-Region der zu regulierenden mRNA
Welche Funktion haben bakterielle RNA-Thermometer ?
-> Kontrolle der Expression verschiedener Stress-Gene
Auf welcher Ebene der Genexpression greift die Regulation durch bakterielle RNA-Thermometer ?
Regulation der Translation
Welche Struktur hat das Heat-shock RNA-Thermometer bei niedriger bzw. optimaler Temperatur ?
-> Ribosomenbindestelle und Startkodon basenpaaren mit dem 5´-UTR der mRNA
-> Maskierung von RBS und AUG verhindert die Translation
Welche strukturellen Änderungen durchläuft das Heat-shock RNA-Thermometer bei steigender Temperatur (Hitzestress) ?
-> Basenpaarung zwischen 5´-UTR und Ribosomenbindestelle / Startkodon schmilzt auf
-> RBS und AUG werden zugänglich
-> Ribosomale Untereinheiten können binden und es kommt zur Translation
Warum spricht man beim Heat-shock RNA-Thermometer von einem gekoppelten System ?
Das selbe mRNA-Molekül dient sowohl als Sensor wie auch als Regulator.
Wenn das Heat-shock RNA-Thermometer erhöhter Temperatur ausgesetzt ist, kommt es nicht zum Umspringen der Struktur, sondern.. ?
-> Graduelles Aufschmelzen der gepaarten Region
-> Reißverschluss-ähnlicher Mechanismus
-> Graduelle Erhöhung der Translationsrate
Was sind ROSE-Elemente ?
-> ROSE: Repression of heat-shock gene expression
-> Sequenz von 60-100nt im 5´-Bereich verschiedener heat-shock-Operons
-> Enthalten einen Temperatur-sensiblen 3´-hairpin
Welche Basenpaare sind in ROSE-Elementen für das graduelle Aufschmelzen des 3´-hairpins besonders wichtig ?
Non-Watson-Crick Basenpaare
Was ist ein Virulenz-RNA-Thermometer ?
-> RNA-Fragment, dass 37°C erkennt
-> Signal für pathogene Bakterien zur erfolgreichen Invasion in einen Warmblüter
-> Induktion der Expression von Virulenzfaktoren (z.B. adhäsionsvermittelnde Proteine und Toxine)
Welche Funktion haben Virulenzfaktoren ?
Sie helfen Bakterien sich im Wirt zu etablieren und erhöhen ihre Pathogenität
Beschreibe den Wirkmechanismus eines Virulenz-RNA-Thermometers am Beispiel von Listeria monocytogenes.
-> Temperaturerhöhung bewirkt Aufschmelzen der Sekundärstruktur im Bereich von RBS und AUG
-> Ribosomenbindung wird ermöglicht
-> Expression des Transkriptionsfaktors PrfA
-> PrfA-vermittelte Aktivierung der Virulenzgene
Nenne vier Folgen, zu denen eine Temperaturerniedrigung in einer Zelle führen kann.
- Erniedrigte Membranfluidität
- Erniedrigte Transkription und Translation durch Stabilisierung von Sekundärstrukturen
- Ineffiziente Faltung von Proteinen
- Verringerte Enzymaktivität
Beschreibe die Funktion des Cold-shock RNA-Thermometers in E.coli.
-> Temperatursenkung sorgt für Expression des cold-shock-Proteins CspA
-> CspA ist ein RNA-Chaperon, das einzelsträngige RNA bindet
-> Verhinderung unerwünschter Ausbildung von 2D- und 3D-Strukturen der RNA
-> Adaption an niedrige Temperaturen, Aufrechterhaltung von Transkription und Translation
Der Regulationsmechanismus von RNA-Thermometern basiert auf der Veränderung der mRNA-Struktur. Inwiefern unterscheiden sich dabei heat-shock- und cold-shock-RNA-Thermometer ?
- Heat-shock:
-> Erhöhung der Temperatur führt zum graduellen Aufschmelzen der basengepaarten Region - Cold-shock:
-> Abhängig von der Umgebungstemperatur können zwei sich gegenseitig ausschließende Strukturen gebildet werden (on - off)
-> Man spricht auch von einem RNA-switch
Was ist sRNA ?
-> sRNA: small RNA
-> sind trans-kodiert: werden an anderer Stelle im Bakteriengenom kodiert als ihre Ziel-mRNA
-> einzelne Transkripte mit Rho-unabhängigem Terminator
-> benötigen oft zusätzlichen Proteinfaktor (RNA-Chaperon Hfq)
Wie sind sRNAs aufgebaut ?
-> Transkriptlänge: 50-300 nts
-> Nur partiell komplementär zur Ziel-RNA
-> Können diverse mRNAs targetieren
Welche Funktionen haben sRNAs ?
- Regulation von
-> Stoffwechsel
-> Stressadaption
-> Virulenz - Negative Regulation von
-> Translation (selten kommt es auch zur positiven Regulation der Translation)
-> mRNA-Stabilität
Unter welchen Wachstumsbedingungen kommt es zur Expression von sRNAs ?
-> Oxidativer Stress
-> Phospho-Zucker-Stress
-> Nährstoffmangel
-> Eisenmangel
Beschreibe den Wirkmechanismus von sRNA, die zur Inhibition der Translation führt.
-> Target-mRNA liegt mit zugänglicher RBS vor
-> sRNA bindet auf Höhe der RBS an die Target-mRNA
-> Ribosom kann nicht binden und Translation wird inhibiert
Beschreibe den Wirkmechanismus von sRNA, die zu mRNA-Degradation führt.
-> Target-mRNA liegt mit zugänglicher RBS vor
-> sRNA bindet auf Höhe der RBS an die Target-mRNA
-> Target-mRNA wird degradiert und kann nicht translatiert werden
Beschreibe den Wirkmechanismus von sRNA, die zur Aktivierung der Translation führt.
-> Target-mRNA basenpaart auf Höhe der RBS mit sich selbst; RBS wird maskiert
-> sRNA basenpaart an den mRNA-Abschnitt, der die RBS maskiert hat
-> RBS wird zugänglich und Translation kann starten
Welche beiden Enzyme sind für die sRNA-vermittelte Degradation der mRNA zuständig ?
-> RNase E (in E.coli)
-> RNase III (in Bacillus)
Was ist Hfq und welche Aufgabe hat es in Zusammenhang mit sRNA ?
-> RNA-Chaperon
-> Fördert Hybridisierung von sRNA und Target-mRNA
-> Rekrutiert RNase E zum Hybrid-Duplex
Was ist RNase E und welche Aufgabe hat es in Zusammenhang mit sRNA ?
-> Endoribonuklease
-> Rekrutiert weitere Degradosom-spezifische Proteine zum sRNA/mRNA-Duplex
Woraus besteht das RNA-Degradosom und welche Funktionen haben diese Bestandteile ?
- RNase E:
-> Endoribonuklease
-> Spaltung einzelsträngiger 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
Nenne drei Funktionen des RNA-Chaperons Hfq.
- Schutz der sRNA vor Degradation durch zelluläre Ribonukleasen
- Förderung der Duplexbildung zwischen sRNA und Target-mRNA
- Rekrutierung von RNase E
Nenne die drei funktionalen Flächen des RNA-Chaperons Hfq und dessen Funktionen.
- Proximale Bindungsfläche:
-> sRNA-Bindung an Hfq durch internale hairpins - Distale Bindungsfläche:
-> mRNA-Bindung an Hfq durch AAN-Bindungsmotive - Laterale Fläche:
-> Rim fördert Basenpaarung zwischen sRNA und mRNA
Was ist RNA III ?
-> Dual-funktionale sRNA
-> Besteht aus sRNA und mRNA
-> sRNA-Teil reguliert die Translation wichtiger Virulenzfaktoren
-> mRNA-Teil kodiert für Delta-Hämolysin, ein Toxin, das die Wirtszelle permeabilisiert
Was sind cis-kodierte antisense-RNAs (asRNAs) ?
-> autonome Transkripte mit Promotor und Terminator
-> Variable Transkriptlänge
-> In der gleichen DNA-Region lokalisiert wie Ziel-RNA (cis)
-> Vollständig komplementär zur Ziel-RNA (antisense)
-> Targetieren nur eine mRNA
Auf welchen Ebenen findet die Regulation der Genexpression durch asRNAs statt ?
-> Transkription
-> Translation
-> mRNA-Stabilität
Wo kommen asRNAs vor ?
-> In bakteriellen Genomen
-> In Plasmiden
-> In Phagen
Welche drei Typen von asRNAs gibt es ?
- Kurze asRNAs
-> Überlappen ein sense ORF - Lange asRNAs
-> Überlappen mehrere sense ORFs bzw. ein Operon - asRNAs, die von langen 5´- oder 3´- UTRs Protein-kodierender mRNAs abstammen
Welche Funktion hat die RNase III ?
-> Endoribonuklease
-> Spaltet helikale dsRNAs
-> Generiert Doppelstrangbrüche mit 5´-Phosphat-Enden und 2nt-lange 3´-Überhänge
Nenne einen Organismus, in dem ein Thiaminpyrophosphat-bindender Riboswitch vorkommt.
A. thaliana
Nenne zwei Sekundärstrukturen, die in Purin-bindende Riboswitches vorkommen.
-> Three-stem junctions
-> Kissing hairpins
Wie verändert sich die Struktur des cspA cold shock RNA-Thermometers in Abhängigkeit von der Temperatur ?
- Bei hohen Temperaturen (37°C):
-> Shine-Dalgarno-Sequenz und Startcodon sind nicht zugänglich
-> mRNA ist instabil - Bei niedrigen Temperaturen (10°C):
-> Strukturänderung der mRNA führt zu ihrer Stabilisierung
-> Effiziente CspA-Translation
Welche biologischen Funktionen haben cis-kodierte antisense-RNAs (asRNAs) ?
-> Kontrolle von Replikation, Stabilität und Konjugation von Plasmiden
-> Kontrolle der Transposition von Transposons
-> Regulation des Stoffwechsels, der Stressantwort und Toxinbildung
Welche Folgen hat die Ligandenbindung am TPP-Riboswitch ?
-> Strukturänderung demaskiert die 5´-Splice-site
-> Alternatives Splicing führt zum Verlust der Poly-A-Sequenz
-> Fehlende Polyadenylierung führt zur Degradierung der mRNA
-> Thiamin-C-Synthetase wird nicht translatiert
Welche beiden Sekundär-/Tertiärstrukturen stabilisieren die Interaktion zwischen sRNA und Target-mRNA ?
-> Kissing-Hairpins
-> Koaxiale Basenstapelung
