RNA regulierte biologische Systeme Flashcards
RNA Strukturen
- Primärstruktur = Abfolge der Nukleotide
- Sekundärstruktur = intermolekulare Basenpaarung / Interaktion
- Tertiärstruktur = einzelsträngige Bereiche interagieren mit anderen über längere Abschnitte
- Quartärstruktur = RNA-RNA und RNA-Protein
Sekundärstrukturen RNA
ssRNA kann intramolekular Wechselwirken (BP eingehen) und Strukturmotive ausbilden
- ss, ds, single nucleotide bulge, three nucleotide bulge, hairpin (stem-loop), symmetric internal loop, asymmetric internal loop, two-stem junction, three-stem junction, four-stem junction
Tertiärstrukturen RNA
nicht so stabil - schnell wieder auflösbar
- räumliche Strukturen
- H Brücken Bindungen zwischen Basenpaaren sowie Basenstaplung tragen überwiegend zur RNA-Stabilität bei
- koaxiale Basenstaplung (Kollinearisierung zweier stems), kissing hairpin, Pseudoknoten- 3 Typen: H-Typ = hairpin loop / I-Typ = internal loop / B-Typ = bulge loop => keine Knoten & über weite Distanzen
Riboswitch - Abschnitte
- 5’-untranslatierte Region (5’UTR)
- Protein-kodierender Bereich beginnend mit Startkodon (AUG) und endend mit Stoppkodon (hier: UAA)
- 3’UTR
Riboswitch - was bilden sie?
- Riboswitch liegt im 5’UTR bakterieller mRNAs (cis)
- bilden komplexe Strukturelemente
- binden hochspezifische niedermolekulare Liganden (hier: Fluorid-Ion)
- Regulation der Genexpression durch Liganden-Induzierte Bildung alternativer Strukturen
- Riboswitch-regulierte Genexpression = Riboregulation!
Riboswitch - wesentliche Strukturelemente von Riboswitches
- ohne Ligand: Struktur 1 mit BP zwischen EP und SS
- mit Ligand: Struktur 2 mit BP zwischen AD und SS
- Apamer-Domäne (AD, Sensor): 35-200 nt lang, Bindung des Liganden - benötigen Liganden für korrekte Faltung -> induced-fit Bindung
- Expressionsplattform (EP): Auslösung regulatorischen Signale, Modulation der Transkription oder Translation
- Giganten-freie und - gebundene Konformationen sind sich ausschließende Strukturen, die durch die switching-Sequenz (SS) vermittelt werden
Riboswitch - bekannte Riboswitch Liganden
- Coenzyme: Vitamin B12, TPP B1, FMN B2, THF B9
- Nukleobasen & Derivate: Guanin, Adenin, preQ1, zyklisches di-GMP
- AS: Glycin, Lysin, Glutamin
- Zucker: Glukose-6-phosphat
- Ionen: Mg2+ und F-
Riboswitch - biologische Funktionen von Riboswitches
- häufig negative Regulation durch feedback loops (feedback inhibition), seltener aktivierend
- hauptsächlich Gene, die für Proteine der Biosynthese und des Transports kodieren
- Regulation der Verfügbarkeit von Kofaktoren
- Aktivierung der Stressantworten -> bis hin zu Sterben
- Regulation diverser zellulärer Funktionen über sekundären Botenstoff c-di-GMP -> reguliert Mobilität durch zB (-) Flagellen-vermittelte Mobilität und fördert Bildung von Biofilmen
Riboswitch - Riboswitch Familie
Gruppe von RNAs, die den gleichen Giganten binden - Ligand immer SAM (Bsp: S-Adenosylmethionin bindende Riboswitch Familie)
Riboswitch - Riboswitch Klasse
Riboswitch Klassen unterscheiden sich in ihrer 2D und 3D Struktur
(Bsp: SAM-I [4 stem junction] und SAM-II [pseudoknot] und SAM-III [3 stem junction])
Riboswitch - biologische Funktion von SAM
Synthese und Transport von SAM; Biosynthese von Methionin und Cystein; Methyldonor
Riboswitch - Wirkung auf Transkriptionstermination
- off-switch: mit Ligand keine Transkription
- ohne Ligand: BP zwischen SS und EP; Ausbildung einer Anti-Terminator-Haarnadel; Fortsetzung der Transkription
- mit Ligand: BP zwischen SS und AD wg Ligand; Ausbildung einer Terminator-Haarnadel; Abbruch der Transkription
Riboswitch - Wirkung auf Translationsinhibition
- off switch
- ohne Ligand: BP zwischen SS und EP; Ausbildung eines Anti-Sequestors; RBS bleibt zugänglich; Translation
- mit Ligand: Ligandenbindung = Inhibition; BP zwischen SS und AD; Ausbildung eines Sequestors; Maskierung RBS; Inhibition der Translation
Riboswitch - Lysin-Riboswitche
- off switch -> ohne Lysin on und mit Lysin off
1. Transkriptionstermination in thermotoga maritima (gram-); Modulfunktion: gleiche AD regulieren in Abhängigkeit von Expressionsplattform die Transkription/Translation
2. Translationsinhibtion in E.coli (gram-); biolog. Fkt: Regulation der Biosynthese und des Imports von Lysin; gleiche Interaktion nur unterschiedliche Expressionsplattform
Riboswitch - Adenin-Riboswitche
- on switch -> Ligandenbindung in AD führt zu Translation/Transkription
1. Transkription in bacillus subtilis (gram+)
2. Translation in vibrio vulnificus (gram-)
Riboswitch - Beispiele für aktivierende Wirkung
Riboswitches können auch aktivierend auf die Transkription oder Translation wirken.
- Purin Efflux Pumpe (pbuE)
- hohe Adenin Konzentration führt zur Transkription bzw Translation von pbuE
- Ausscheidung von Adenin
Riboswitch - Regulation der GlmS-Genexpression
- durch Riboswitch-Ribozyme: AD & Ribozym
- Vorkommen: in gram+ Bakterien
- Mechanismus: Bindung von GlcN6P führt zur Selbst-Spaltung der mRNA, wobei ein 5’Hydroxyl entsteht; Erkennung des neuen 5’OH durch RNAse J1, Degradation der mRNA
Riboswitch - Spezifität
- Riboswitches binden hochspezifisch Liganden
- Purin-bindende Riboswitches weisen die gleiche 2D und 3D Struktur auf, können aber sehr spezifisch zwischen Guanin und Adenin diskriminieren
- Spezifität beruht auf einem einzigen hoch-konservierten Nukleotid:
1. Adenin-Riboswitch hat Uracil-74
2. Guanin-Riboswitch hat Cytosin-74
Riboswitch - Riboswitch in Eukrayonten
Thiaminpyrophosphat (TPP) - bindende Riboswitches in Algen, Pilzen, höheren Pflanzen,;
Riboswitch liegt im 3’UTR; Mechanismus ist alternatives splicing -> Degradation mRNA; Wirkung: Regulation der Expression von Thiamin C Synthetase (THIC)
bakterielle RNA Thermometer - Wirkprinzip von Heat-schock RNA Thermometern
- niedrige (optimale) Temperatur: RBS und AUG-Startcodon sind durch BP mit 5’UTR der mRNA nicht zugänglich (Maskierung RBS/AUG) -> keine Translation
- hohe Temperatur (Hitzestress): Aufschmelzen der Struktur im 5’ Bereich; RBS und AUG zugänglich; Bindung ribosomale UE (Translation)
=> gekoppeltes System: Sensor und Regulator -> direkte Reaktion
bakterielle RNA Thermometer - Allgemein
- Bakterien können Umgebungstemperatur messen
- Temperatursensoren sind kleine RNA-Elemente
- liegen in 3’ Region der zu regulierenden mRNA (cis agierende RNA-Elemente)
- Kontrolle der Expression verschiedener Stress-Gene (heat schock Gene, cold schock Gene, Virulenzgene)
- regulieren Translation
bakterielle RNA Thermometer - Aufschmelzungsmechanismus von Heat Schock RNA Thermometer
- graduelle Erhöhung der Umgebungstemperatur führt zum graduellen Aufschmelzen der gepaarten Region
- Reißverschluss (zipper) ähnlicher Mechanismus
bakterielle RNA Thermometer - ROSE
Repression of heat schock gene expression
- Sequenz im 5’ Bereich versch. Hitzeschock-Operons in gram- Bakterien
- Regulation von Genexpression von mind. 5 heat schock operons ( auch sigma32)
- Temperatur stabile 5’ hairpins (viel GC) sichern korrekte Faltung des labilen 3’ hairpins während Transkription