Translation deregulation in human disease

Question 1

Wo findet Translation primär statt?

Answer 1

Cytosol und Mytochondrien

Question 2

Nenne die Bestandteile eukaryotischer mRNA

Answer 2

5’Cap protein (benötigt für Bindung von Initiationsfaktoren)
5’UTR (50-100 nt)
ein ORF begrenzt von Start- und Stopcodons
3’UTR; Poly-A-Tail

Question 3

Was sind die Unterschiede zwischen Pro-und eukaryotischer mRNA?

Answer 3

Prokaryotisch:

Polycistronisch (mehrere ORF),
kein 5’Cap
Shine-Dalgarno-Sequenz for ORF

Question 4

welche Struktur formt die 5’Cap?

Answer 4

7-Methylguanosin gebunden an mRNA via 5’,5’ triphosphatbindung

Question 5

Nenne fünf Funktionen der 5’Cap

Answer 5

• Markiert 5’Ende des ersten Exons und unterstützt Splicing prozess
  -ermöglicht nukleo-cytoplasmischen Transport durch Bindung von Cap-bindenden Proteinen
  -erhöht Translationseffizienz durch gezielte Formation von pre-Initiationskomplex (cytoplasmische Cap-bindende Proteine)
  -Schutz von Transkript vor 5’->3’ exonukleolyse
  -blockiert Erkennung von viraler RNA durch Virusabwehrsysteme (Abwesenheit von 5’Cap ist Anzeicen für virale mRNA)

Question 6

Beschreibe den Ablauf des 5’ Cappings. Wann findet dieses meistens statt?

Answer 6

Meistens während Kernverarbeitung:

-5’ Triphosphatase entfernt 5’ terminales Phosphat, Übrige 5’ Struktur: ppNp…
-Transfer von GMP aus GTP durch Guanyltransferase zu 5’-Ende, Struktur: GpppNp…
-Methylierung von Guaninrest

Question 7

In welchen mRNAs kommt Methylierung häufig for?

Answer 7

Säugetiere und Viren

Question 8

Beschreibe den Prozess der 3’-Polyadenylierung der mRNA

Answer 8

• enzymatische Erkennung von Polyadenylierungssignal (AAUAAA) und GU-reicher Sequenz 20-40 nt downstream
  -Schnitt von Transkript 10-30 nt downstream von AAUAAA
  -Anfügen von 80-250 A-resten durch Polyadnylatpolymerase an 3’-ende

Question 9

in welchem Organismus wurde der 3’-poly-A Tail entdeckt?

Answer 9

Reovirus

Question 10

Welche Funktionen hat der 3’-poly-A Tail?

Answer 10

-Stabilisierung von mRNA
-Erhöhung von Translationseffizienz

Question 11

Nenne ein zelluläres Beispiel für mRNA ohne Tail

Answer 11

Histon mRNA

Question 12

welcher Schritt der Translation limitiert die Translationsrate?

Answer 12

Initiation (~ 0.5-3.6 initiations/min)

Question 13

welche Energiequelle benötigt die Initiation

Answer 13

ATP und GTP Hydrolyse

Question 14

Nenne die drei Komponenten des Komplexes, der in der Initiation gebildet wird

Answer 14

mRNA, Ribosom und initiator Met-tRNAi

Question 15

Welche zwei Arten der Initiation gibt es und wie laufen diese grob ab?

Answer 15

A. 5’ end (Cap) dependent initiation
* The initiation complex binds to the 5’ cap
structure and scans in a 5’ to 3’ direction until
initiating AUG is encountered

B. Internal ribosome entry
* Initiation complex binds upstream of initiation
codon (in specific mRNAs and in many RNA viruses:
EMCV IRES, Poliovirus IRES or directly at the start
codon (BVDV/HCV IRES; CrPV-IRES)

Question 16

Nenne den Ablauf der 5’cap abhängigen Elongation

Answer 16

-Erkennung von 5’-Cap durch elF4F-Komplex, bestehend aus elF4E, G und A
-elF4E: Bindung an 5’-Cap
-elF4G: N-Terminale Bindung an elF4E; C-Terminale Bindung an elF4A
-Bindung von 40s Untereinheit (Ribosom) an elF4A mittels elF3
-Met-tRNA, elF1A und elF2 wird eingebunden, GTP-Bindung an elF2
-ATP-Hydrolyse; Scanning initiation
-Wenn Startcodon erreicht: GTP Hydrolyse durch elF5 löst Ablösung aller ELF aus. 60s Untereinheit bindet an 40s Untereinheit, Translation beginnt

Question 17

Was sind die Bedingungen für Cap-abhängige Initiation?

Answer 17

Alle kanonischen Elongationsfaktoren und Zirkularisierung der mRNA durch Interaktion von PABP mit elF4G

Question 18

Was sind die Bedingungen für IRES-mediated Translation?

Answer 18

*Cellular IRES-mediated translation generally
does not require the cap-binding protein
eIF4E and/or intact eIF4G, but may involve
circularization of the mRNA.

• The requirement for canonical initiation
  factors and ITAFs can vary between different
  IRES-containing mRNAs.

Question 19

Wo kommt IRES-mediated Translation häufig unter anderem vor und warum?

Answer 19

Virale RNA, zur Ermöglichung Cap-Unabhängiger Initiation

Question 20

Nenne den Ablauf der Translationselongation (Fünf Punkte)

Answer 20

Ribosome selects aminoacylated tRNA

eEF1a and GTP are bound to aminoacylated tRNA

Ribosome catalyzes formation of a peptide bond between newly entered aminoacid (on tRNA in A-Site) and Aminoacid Chain (on tRNA in P-Site)

Removal of now empty tRNA from P-Site via E-Site, Translocation from A-Site tRNA to P-Site

Translocation is dependent on eEF2 and GTP hydrolysis

Question 21

Kann nur eine Translation pro mRNA gleichzeitig ablaufen?

Answer 21

Nein, viele Translationen laufen gleichzeitig auf einem Strang ab

Question 22

Beschreibe den Prozess der Translationstermination (vier schritte)

Answer 22

*Translation is terminated at one of three stop codons (UAA, UAG & UGA).
* Termination codon at the A site is recognized by the release factor instead of a tRNA
* The release factor binds the termination codon
* The peptide chain is then released followed by dissociation of the tRNA and the ribosome

Question 23

Was ist das Closed Loop Modell und welchen Zweck hat es

Answer 23

Bindung von Poly-A Tail an Initiationskomplex via PABP-efF4G Interaktion

Stellt sicher, dass nur intakte mRNA translatiert wird

Question 24

Nenne fünf Faktoren, die die Translation inhibieren oder modulieren

Answer 24

-fehlende 5’-Cap-Struktur
-starke RNA-Sekundärstruktur in 5’ NTR
-lange 5’ NTR
-Upstream AUG(s) und mehrere Open Reading Frames
-schlechter Sequenzkontext um AUG

Question 25

Was ist der beste Sequenzkontext um AUG (Kozak Regel)?

Answer 25

GCCACCAUGG

Question 26

Wie viele RNAs haben den bestmöglichen Sequenzkontext um AUG?
Warum nicht 100%?

Answer 26

ca. 5%
Sequenzkontextbedingte Translationsmodulation agiert als Regulation der Proteinmengen in der Zelle

Question 27

Wofür ist elF3D benötigt?

Answer 27

spezialisierte Initiation

Question 28

Nenne fünf mRNA Modifikationen in Bakterien, Hefen und Säugerzellen

Answer 28

Basenmethylierung: m6A, m1A, m5C, m7G Cap
Isomerisierung von Uridin in Pseudouridin

Question 29

Welche Modifikation findet sich häufig in der 3’ UTR und am 3’ Ende des ORF?
Mit welcher Auswirkung?

Answer 29

m6A
Einfluss auf mRNA Stabilität, Translation und Poly-A-Site Auswahl

Question 30

Wie beeinflusst Heat Shock die mRNA Modifikation?

Answer 30

Entfernung von 3’ m6A und relative Erhöhung von 5’ leader m6A modifikationen für Unterkategorie von Signalen (Chaperon HSP70)

Erlaubt unabhängige Rekrutierung von elF3 und Translationsinitiation ohne elF4

Question 31

Beschreibe die Ribosombiosynthese in fünf Schritten

Answer 31

• Transcription of pre-rRNA precursor (18S, 5.8S and 28S) by RNA polymerase I (Pol I) in the nucleolus and of 5S rRNA by RNA polymerase III (Pol III) in the nucleoplasm
• Processing and modification of the 18S, 5.8S and 28S rRNAs
• Assembly of pre-40S and pre-60S ribosomal subunits (ribosomal proteins (RPs) are synthesized in the cytoplasm and imported into the nucleolus).
• Transport and further maturation of pre-40S and pre-60S subunits in the cytoplasm

Question 32

was sind Ribosomopathien?

Answer 32

Krankheiten assoziiert mit Mutation in ribosomalem Protein, in rRNA, in Biogenesefaktor, oder mit Fhler in rDNA transkription

Question 33

Was ist die Diamond Blackfan Anämie und was löst sie aus?

Answer 33

Vererbte, hypoplastische Anämie, gekennzeichnet durch verhinderte Produktion von Erythrozyten

Auslöser in über 50% der Fälle: inaktivierende Mutation in rDNA auf einem Allel, führt zu Haploinsuffizienz in ribosomalem Protein, führt zu reduzierter Translation von GATA-Transkriptionsfaktor->Schlüsselfaktor für Erythrozytendefekt in DBA

Question 34

Nenne die Ursache und Folgen von X-linked Dyskeratisis Congenita (Premature Aging Syndrome)

Answer 34

Ursache: Mutation in Dyskerin(DKC1) -gen. Dyskerin: Kernprotein mit Rolle in Ribosombiogenese und insbesondere Pseudouridinylierung von rRNA Voläufern

Auswirkung: seltenes, vererbtes Knochenmarksstörung; Folgen: Abnormale Hautpigmentierung, Nageldystrophie, mukosale Leukoplakie
in ~80% aller Fälle Knochenmarksversagen. Häufigste vorzeitige Todesursache

Question 35

woran bindet Dyskerin?

Answer 35

H/ACA snoRNA und telomer-RNA (hTERC)

Question 36

in welchem Schritt der Ribosombiosynthese spielt Dyskerin eine Rolle?

Answer 36

pre-rRNA Modifikation (Pseudouridinylierung der pre-rRNA)

Question 37

Nenne fünf Merkmale von Ribosomopathien

Answer 37

(i) Ribosomopathy lesions reprogram translation, affecting cellular translation of a subset of hematopoietic and cancer- promoting mRNAs.

(ii) Many ribosomopathies display an altered proteasome function, which can lead to stabilization or increased degradation of
subsets of proteins, including oncogenes and tumor suppressors.

(iii) Ribosomopathies display metabolic rewiring. The implications for translational reprogramming of specific subsets of proteins or supporting an alternative metabolic requirement of RP-defective cells
is currently unclear.

(iv) Cells with ribosomopathy lesions display elevated levels of oxidative DNA damage that can promote acquisition of secondary
mutations with a key role in cancer transformation.

(v) Lesions can influence the extra-ribosomal function of the mutated RPs.

Question 38

Welche drei Modelle erklären gewebespezifische Phänotypen von Ribosomopathien?

Answer 38

Ribosomkonzentrationsmodell: Globale Translation ist betroffen aber bestimmte Zelltypen und mRNAs sind Anfälliger für Änderungen in Ribosomfunktion -> Änderung in Ribosomenanzahl führt zu verändertem Proteinoutput

spezialisiertes Ribosommodell: Ribosomenzusammensetzung unterscheidet sich abhängig von Gewebe und Stressbedingungen. Dies reguliert welche mRNA translatiert wird -> Änderung in Ribosompopulation führt zu verändertem Proteinoutput

p53-vermitteltes Modell: geschädigte Ribosombiogenese aktiviert p53-vermittelte Apoptose

Question 39

Auf welche fünf Weisen kann die Ribosomzusammensetzung variiert werden?

Answer 39

1. Variation in rDNA Allelen
2. differentielle Expression von rRNA varianten
3. Inkorporation von Riboproteinen
4. Änderung der rRNA Modifikation
5. Änderung der Riboproteinmodifikation