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Molekularbiologie > RNA-regulierte biologische Systeme > Flashcards

RNA-regulierte biologische Systeme Flashcards

1
Q

Was sind die vier Ebenen der RNA-Strukturierung ?

A
  1. Primärstruktur
    -> Sequenz der Nukleotide
  2. Sekundärstruktur
    -> Intramolekulare Strukturelemente der RNA, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den Nukleotiden verursacht werden
  3. Tertiärstruktur
    -> Räumliche Struktur eines RNA-Moleküls
  4. Quartärstruktur
    -> Zusammenlagerung mehrerer RNA-Elemente
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2
Q

Nenne zehn Beispiele für Sekundärstrukturen von RNAs.

A
  1. single strand
  2. double strand
  3. single nucleotide bulge
  4. three nucleotide bulge
  5. hairpin
  6. symmetric internal loop
  7. asymmetric internal loop
  8. two-stem junction
  9. three-stem junction
  10. four-stem junction
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3
Q

Nenne drei Beispiele für Tertiärstrukturen von RNAs.

A
  1. Koaxiale Basenstapelung
  2. Kissing hairpins
  3. Pseudoknoten
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4
Q

Aus welchen drei Abschnitten setzt sich Riboswitch-kontrollierte mRNA zusammen ?

A
  1. 5´-untranslatierte Region (5´-UTR)
  2. Protein-kodierender Bereich begrenzt durch das Startkodon AUG und ein Stoppcodon
  3. 3´-untranslatierte Region (3´-UTR)
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5
Q

Wo sind Riboswitches lokalisiert ?

A

-> Im 5´-UTR bakterieller mRNAs

-> Riboswitches sind cis-agierende RNA-Elemente

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6
Q

Erkläre allgemein die Funktion von Riboswitches.

A

-> Bildung von evolutionär konservierten RNA-Strukturelementen

-> Struktur-Änderung durch Bindung eines niedermolekularen Liganden

-> Struktur-Änderung reguliert die Transkription oder Translation

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7
Q

Wie nennt man die Regulierung der Genexpression durch Riboswitches ?

A

Riboregulation

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8
Q

Riboswitches haben drei wesentliche Strukturelemente. Nenne und erkläre diese kurz.

A
  1. Aptamer-Domäne (AD):
    -> Bindung des Liganden
  2. Expressionsplattform (EP):
    -> Auslösung regulatorischer Signale
  3. Switching-Sequenz (SS):
    -> Strukturänderung durch Liganden-Bindung
    -> Liganden-freie und -gebundene Konformation schließen sich gegenseitig aus
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9
Q

Nenne fünf Coenzyme, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Vitamin B12
  2. Thiaminpyrophosphat (TPP), B1
  3. Glavinmononukleotid (FMN), B2
  4. Tetrahydrofolsäure (THF), B9
  5. S-Adenosylmethionin (SAM)
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10
Q

Nenne vier Nukleobasen bzw. deren Derivate, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Guanin
  2. Adenin
  3. preQ1
  4. Zyklisches di-GMP
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11
Q

Nenne drei Aminosäuren, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Glycin
  2. Lysin
  3. Glutamin
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12
Q

Nenne drei Ionen, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Mg 2+
  2. Mn 2+
  3. F -
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13
Q

Nenne einen Zucker, der als Riboswitch-Ligand fungiert.

A

Glukose-6-Phosphat

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14
Q

Nenne fünf biologische Funktionen von Riboswitches.

A
  1. Regulation der Expression von Genen, die für Biosynthese und Transport relevant sind
  2. Regulation der Verfügbarkeit von Coenzymen
  3. Aktivierung von Stressantworten
  4. Regulation zellulärer Funktionen über den Botenstoff c-di-GMP
  5. Negative Regulation durch feedback-loops
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15
Q

Was ist eine Riboswitch-Familie ?

A

-> RNAs, die den gleichen Liganden binden

-> Sie dürfen sich aber in ihrer Struktur unterscheiden

-> Eine Famile enthält mehrere Klassen

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16
Q

Was ist eine Riboswitch-Klasse ?

A

-> RNAs, die den gleichen Liganden binden und die gleiche 2D- und 3D-Struktur haben

-> Mehrere Klassen bilden eine Familie

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17
Q

Nenne drei Funktionen von SAM-Riboswitches.

A
  1. Regulation der SAM-Biosynthese und -Transport
  2. Biosynthese von Methionin und Cystein
  3. Regulation des Schwefelstoffwechsels
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18
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Transkriptions-off-switch Riboswitches ohne gebundenen Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Expressionsplattform

-> Ausbildung einer Anti-Terminator-Haarnadel

-> Fortsetzung der Transkription

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19
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Transkriptions-off-switch Riboswitches mit gebundenem Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Aptamer-Domäne

-> Ausbildung einer Terminator-Haarnadel

->Termination der Transkription

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20
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Translations-off-switch Riboswitches ohne gebundenen Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Expressionsplattform

-> Ausbilung eines Anti-Sequestors (hairpin)

-> Ribosomen-Bindestelle bleibt zugänglich

-> Translation kann ablaufen

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21
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Translations-off-switch Riboswitches mit gebundenem Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Aptamer-Domäne

-> Ausbildung eines Sequestors (hairpin, der RBS enthält)

-> Maskierung der Ribosomen-Bindestelle

-> Inhibition der Translation

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22
Q

Der Lysin-Riboswitch kann zwei verschiedene Funktionen haben. Welche sind das ?

A
  1. Transkriptionstermination
  2. Translationsinhibition

Beides reguliert die Lysin-Biosynthese und den -Transport

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23
Q

Was versteht man unter der Modulfunktion des Lysin-Riboswitches ?

A

Die gleiche Aptamer-Domäne reguliert in Abhängigkeit von der Expressionsplattform entweder die Transkription oder die Translation.

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24
Q

Handelt es sich beim Lysin-Riboswitch um einen on- oder einen off-switch ? Begründe die Antwort.

A

-> Off-switch
-> Lysinbindung sorgt für eine negative Regulation: Translationsinhibition oder Transkriptionstermination

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25
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)
26
Was ist ein Ribozym ?
Eine katalytisch wirksame RNA
27
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)
28
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
29
Riboswitches finden sich nicht nur in Bakterien, sondern auch in Archaeen und Eukaryoten. Nenne dafür jeweils ein Beispiel.
1. In Archaeen: -> Fluorid-bindender Riboswitch in hyperthermophilen Archaeen 2. In Eukaryoten: -> Thiaminpyrophosphat-bindender Riboswitch in Hefen, Algen und Pflanzen -> Keine Riboswitches in Menschen
30
Nenne für den Thiaminpyrophosphat-bindenden Riboswitch seine Lokalisation, seinen Wirkmechanismus und seine Funktion.
1. Lokalisation: 3´-UTR 2. Mechanismus: Alternatives Splicing führt zur Degradierung der mRNA 3. Funktion: Regulaion der Expression von Thiamin C-Synthetase (THIC)
31
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
32
Welche Funktion haben bakterielle RNA-Thermometer ?
-> Kontrolle der Expression verschiedener Stress-Gene
33
Auf welcher Ebene der Genexpression greift die Regulation durch bakterielle RNA-Thermometer ?
Regulation der Translation
34
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
35
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
36
Warum spricht man beim Heat-shock RNA-Thermometer von einem gekoppelten System ?
Das selbe mRNA-Molekül dient sowohl als Sensor wie auch als Regulator.
37
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
38
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
39
Welche Basenpaare sind in ROSE-Elementen für das graduelle Aufschmelzen des 3´-hairpins besonders wichtig ?
Non-Watson-Crick Basenpaare
40
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)
41
Welche Funktion haben Virulenzfaktoren ?
Sie helfen Bakterien sich im Wirt zu etablieren und erhöhen ihre Pathogenität
42
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
43
Nenne vier Folgen, zu denen eine Temperaturerniedrigung in einer Zelle führen kann.
1. Erniedrigte Membranfluidität 2. Erniedrigte Transkription und Translation durch Stabilisierung von Sekundärstrukturen 3. Ineffiziente Faltung von Proteinen 4. Verringerte Enzymaktivität
44
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
45
Der Regulationsmechanismus von RNA-Thermometern basiert auf der Veränderung der mRNA-Struktur. Inwiefern unterscheiden sich dabei heat-shock- und cold-shock-RNA-Thermometer ?
1. Heat-shock: -> Erhöhung der Temperatur führt zum graduellen Aufschmelzen der basengepaarten Region 2. Cold-shock: -> Abhängig von der Umgebungstemperatur können zwei sich gegenseitig ausschließende Strukturen gebildet werden (on - off) -> Man spricht auch von einem RNA-switch
46
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)
47
Wie sind sRNAs aufgebaut ?
-> Transkriptlänge: 50-300 nts -> Nur partiell komplementär zur Ziel-RNA -> Können diverse mRNAs targetieren
48
Welche Funktionen haben sRNAs ?
1. Regulation von -> Stoffwechsel -> Stressadaption -> Virulenz 2. Negative Regulation von -> Translation (selten kommt es auch zur positiven Regulation der Translation) -> mRNA-Stabilität
49
Unter welchen Wachstumsbedingungen kommt es zur Expression von sRNAs ?
-> Oxidativer Stress -> Phospho-Zucker-Stress -> Nährstoffmangel -> Eisenmangel
50
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
51
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
52
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
53
Welche beiden Enzyme sind für die sRNA-vermittelte Degradation der mRNA zuständig ?
-> RNase E (in E.coli) -> RNase III (in Bacillus)
54
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
55
Was ist RNase E und welche Aufgabe hat es in Zusammenhang mit sRNA ?
-> Endoribonuklease -> Rekrutiert weitere Degradosom-spezifische Proteine zum sRNA/mRNA-Duplex
56
Woraus besteht das RNA-Degradosom und welche Funktionen haben diese Bestandteile ?
1. RNase E: -> Endoribonuklease -> Spaltung einzelsträngiger RNA 2. PNPase (Polynukleotid-Phosphorylase): -> 3´-5´-Exoribonuklease -> RNA-Degradierung zu Monoribonukleotiden 3. RhlB. -> ATP-abhängige RNA-Helikase -> Fördert die Bildung von Einzelstrang-Substrat für RNase E und PNPase 4. Enolase: -> Funktion hier unbekannt
57
Nenne drei Funktionen des RNA-Chaperons Hfq.
1. Schutz der sRNA vor Degradation durch zelluläre Ribonukleasen 2. Förderung der Duplexbildung zwischen sRNA und Target-mRNA 3. Rekrutierung von RNase E
58
Nenne die drei funktionalen Flächen des RNA-Chaperons Hfq und dessen Funktionen.
1. Proximale Bindungsfläche: -> sRNA-Bindung an Hfq durch internale hairpins 2. Distale Bindungsfläche: -> mRNA-Bindung an Hfq durch AAN-Bindungsmotive 3. Laterale Fläche: -> Rim fördert Basenpaarung zwischen sRNA und mRNA
59
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
60
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
61
Auf welchen Ebenen findet die Regulation der Genexpression durch asRNAs statt ?
-> Transkription -> Translation -> mRNA-Stabilität
62
Wo kommen asRNAs vor ?
-> In bakteriellen Genomen -> In Plasmiden -> In Phagen
63
Welche drei Typen von asRNAs gibt es ?
1. Kurze asRNAs -> Überlappen ein sense ORF 2. Lange asRNAs -> Überlappen mehrere sense ORFs bzw. ein Operon 3. asRNAs, die von langen 5´- oder 3´- UTRs Protein-kodierender mRNAs abstammen
64
Welche Funktion hat die RNase III ?
-> Endoribonuklease -> Spaltet helikale dsRNAs -> Generiert Doppelstrangbrüche mit 5´-Phosphat-Enden und 2nt-lange 3´-Überhänge
65
Nenne einen Organismus, in dem ein Thiaminpyrophosphat-bindender Riboswitch vorkommt.
A. thaliana
66
Nenne zwei Sekundärstrukturen, die in Purin-bindende Riboswitches vorkommen.
-> Three-stem junctions -> Kissing hairpins
67
Wie verändert sich die Struktur des cspA cold shock RNA-Thermometers in Abhängigkeit von der Temperatur ?
1. Bei hohen Temperaturen (37°C): -> Shine-Dalgarno-Sequenz und Startcodon sind nicht zugänglich -> mRNA ist instabil 2. Bei niedrigen Temperaturen (10°C): -> Strukturänderung der mRNA führt zu ihrer Stabilisierung -> Effiziente CspA-Translation
68
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
69
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
70
Welche beiden Sekundär-/Tertiärstrukturen stabilisieren die Interaktion zwischen sRNA und Target-mRNA ?
-> Kissing-Hairpins -> Koaxiale Basenstapelung

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