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Genetik > VL 4: Verpackung und Lokalisierung des genetischen Materials > Flashcards

VL 4: Verpackung und Lokalisierung des genetischen Materials Flashcards

1
Q

Wie kommt Spannung in die DNA?

A
  • Topologie (Supercoiling) ständig beeinflusst durch Replikaitonsprozessse und Transkriptionsprozeesse
  • es kommt zu Spannungen die abgebaut werden müssen
  • prokaryotische Zellen nutzen Topoisomerasen um aktiv Spannung (Supercoiling) herzustellen
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2
Q

Topoisomerasen

A
  • Enzyme, die die Topologie der DNA verändern
  • wichtig um Spannung der DNA abzubauen
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3
Q

Topoisomerasen vom Typ IA

A
  • 2 Aktivitäten: Schneidet, Verknüpft
  • Nukleaseaktivität
    • schneiden nur einen der beiden Stränge
  • führen den anderen durch die Lücke
  • Strang gelangt auf andere Seite
  • Ligationsreaktion
    • Verknüpfung
  • verändern die Linking number in Einerschritten
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4
Q

Topoisomerase vom Typ IB

A
  • wirken als Drehgelenk
  • schneiden 1 Strang
  • freies Ende rotiert frei
  • Enzym kann mehrfache Drehungen machen
  • Topoisomerase verknüpft wieder
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5
Q

DNA Topoisomerasen vom Typ II

A
  • schneiden Doppelstrang
  • führen anderen Strang durch die Lücke
  • Ligationsreaktion,
  • bestehen aus mehreren UE
  • benötigen ATP
  • Änderung der Lk in Zweierschritten
  • Spezialfall Bakterien: Gyrase
    • kann Spannung einführen, dh. entgegen des Spannungsgefälles
    • aktive Einführung von Superhelikalität
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6
Q

Wie kann Gyrase attackiert werden (Antibiotikum)

A
  • man inhibiert nicht die Topoisomerase komplett
  • KZ, welches DNA schneidet wird nicht inhibiert
  • nur Ligationsschritt (Zusammenknüpfen) wird inhibiert

→ Gyrase schnibbelt DNA, DNA Fragmente werden für die Zelle tödlich

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7
Q

Topoisomerasen vom Typ II können verschiedene topologische Strukturen auflösen

A
  • lösen Supercoiling auf
  • Zusammenhängende DNAMoleküle (Plasmide) trennen
  • Knoten auflösen
  • Superhelikalität einbringen
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8
Q

Knotty Problem

A
  • beim Aufteilen der DNA Stränge
  • mehr Twists beim auseinander nehmen der Stränge
  • Coiling tritt auf um Spannung zu erleichtern
  • Um das Problem zu lösen muss periodisch DNA aufgeschnitten und wieder zusammengeführt werden
  • Topoisomerase I –> löst einen Twist auf
  • Topoisomerase II –> löst zwei Twists auf
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9
Q

Eigenschaften von DNA Topoisomerasen

A
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10
Q

Chromosomen und Chromatin

A

Interaktion der DNA mit Proteinen

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11
Q

Größe Genoms verschiedener Organismen

A
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12
Q

Wie lang ist unser Genom?

A

3,3*109 x 0,33 nm = 1,09 m

1,09 m x 2 = 2,18 m

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13
Q

In welchem Bereich liegt unser Genom umgerechnet in Byte? Informationsgehalt??

A
  • pro Position im Genom = 2 Bit
  • 8 Bit = 1 Byte
  • 3,3 x 109 x 2 = 6 x 109
  • 6 x 109 : 8 = 750 000 000 Byte = 715 MB
  • 1 CDRom
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14
Q

Bis auf Abfolge der bp, wodurch bestimmt sich der Informationsgehat noch?

A
  • der genetische Code
  • (epigenetischher Coode)
  • und und und…..
  • verschiedene Ebenen von Kodierungen
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15
Q

sDie Komplexität des Genoms (Wie geht diese verloren?)

A
  • Komplexität verloren durch Repetitionen von Sequenzen
  • Riesengenome haben einfach mehr rep. Sequenzen
  • 40 : 60 bei Menschen
  • e.Coli hat keine repetitive Sequenzen
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16
Q

DNA-Sequenz-Typen im Genom des Menschen

A

Aufteilung der gesamten DNA Sequenzen

  • Sequenzen die mit Genen zu tun haben (33%)
    • Exons: Sequenzen die für Proteine kodieren (0,015%)\
    • Verwandte Sequenzen (nur sekundär wichtig für Proteinkodierung)
      • Pseudogene (sehen aus wie Gen, werden nicht benutzt
      • Genfragmente (unfunktional)
      • Introns
  • extragenische DNA (66%)
    • Repetitive DNA (~50%)
      • Tandem Repeats DNA (hintereinander)
        • Satelliten
        • Mikrosatelliten
        • Minisatelliten
      • Verstreute (zufaellig verteilt)
        • Transposons
        • SINEs (ehemalige retrotranspons (parasiten etc))
        • LINEs
        • LTR
    • unikal
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17
Q

Repetitive DNA

A
  • Mittelrepetitive DNA : 10 - ca, 106 Kopien/Genom
    • Minisatelliten DNA
    • Microsatelliten DNA
    • Transposons
    • LINES, SINE u.a. Retroelemente (s. Vorlesung über Transposons)
    • Gene mit vielen Kopen (z.B. ribosomale RNA-Gene, Histongene)
  • Hochrepetitive DNA: > 106 Kopien/Genom = Satelliten-DNA
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18
Q

Aufbau und Funktion der Chromosomen

A
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19
Q

Genomorganisation in Prokaryoten

A

E. coli

  • lange Jahre Modellbakterium
  • Größe 1-2*0,8 mikrometer
  • Genomgröße
    • 4.5 Mio bp, 4377 Gene

b.subtilis

  • DNA Anfärbung (blau)
  • große Region
  • kein Zellern
  • Segregation vor Teilung auch sichtbar
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20
Q

Genomorganisation in Prokaryoten

A
  • DNA Anfärbung
  • große Region
  • kein Kern
  • Segregation vor Teilung auch sichtbar
  • Schleifenartige Strukturen
    • supercoiled
    • funktionelle Domänen
    • 500 Schleifen in e.Coli
    • Proteinkern mit verschiedenen Proteinen
  • Proteinkern von dem aus superspiralisierte DNA-Schleifen ausgehen
  • Schleifen = funktionelle Domänen
    • 10 000 bp
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21
Q

Genomorganisation in Eukaryoten

A
  • überwiegende Menge der Gne in Chromosomen des Zellkerns
  • zusätzliche Gene in Mitochondrien, sowie Plastiden
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22
Q

Chromatin im Zellkern

A
  • Bereiche im ZK dichter verpackt
  • DNA unterschiedlich dicht verpackt

Chromatin

  • aufgelockert
  • Interphase

Chromosomen

  • Kondensiert
  • Mitose, Meiose
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23
Q

Polytänchromosomen

A
  • in Speicheldrüsen von Insekten
    • ablesen von Genen die wichtig sind für Speichelproduktion, Nahrungsaufnahme/Gifte
    • spezialisierte funktion benötigt hohe Produktion von bestimmten Proteinen
    • Lösung: DNA wird vervielfacht
  • dutzende bis hunderte gepaarte Chromatiden
  • keine Kondensierung → keine Transportform, sondern aktive Form
  • DNA wurde vervielfacht –> Polyploid (nicht diploid), nicht 2 Schwetserchromatiden, sondern mehrere
  • Chromsomen angefärbt
  • Bänderungsmuster
  • spiegelt Organisation des Chromatins wider
  • wichtig für Analysen
    *
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24
Q

DNA-Sonden

A
  • DNA-Sonden sind kurze, einzelsträngige DNA-Fragmente, die zum Detektieren komplementärer DNA- oder RNA-Sequenzen eingesetzt werden.
  • fluoreszenzfarbstoffmarkiert
  • hybridisierung
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25
Q

Fluoreszenzmuster Polytänchromosomen

A
  • sichtbare Sequenzen die ähnlich der Sonden
  • einige unikal, alles andere Blau (hintergrundfärbung)
  • komplexe Muster
  • in diesem Fall: Bindestellen für Transkriptionsfaktoren wurden sichtbar gemacht
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26
Q

Polytänchromosomen: Puffs als aktive Bereiche

A
  • Puffregionen entpackt
  • Enzyme können angreifen
  • RNA produzieren

Wie kann man nachweisen, dass da Aktivität stattfindet?

  • radioaktive Nukleotide können da binden, so wirde bewiesen
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27
Q

Wie kann man beweisen, dass in den Puffs der Polytänchromosomen Aktivität stattfindet?

A
  • Produktion von mRNA wird bewiesne
  • man bietet radioaktive Ribonukleotiden (angefärbt)
    • grundeinheit von RNA, die polymerisiert werden
  • Radioaktive Bereiche in kürzeste Zeit
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28
Q

Lampenbürstenchromosomen des Marmormolches (Tritutus marmoratus)

A
  • im Diplotän der Meiose
  • an entspiralisierten Schleifen findet Transkription statt
  • nur in Meisose Prophase I
  • homologe Chromosomen in der Eizelle
  • am Chiasma, wo gen. Info ausgetauscht wird, verbunden
  • sollte Transportform sein
  • allerdings arretierte Meiose, sind stuck
  • partielle Kondensierung stattgefunden in der Meiose
  • Loops sind die Bereiche die aktiv sind
  • Transkription in Loopbereichen
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29
Q

Spezialfälle, aktive Zellen Chromosomen sichtbar

A
  • Polytänchromosomen
  • Diplotänchromosomen
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30
Q

Chromosomenterritorien in der Interphase

A
  • Bereiche
  • nicht zufällig
  • Verteilung Chromosomen im ZK nach Plan
  • bestimmte Chromsoemen interagieren häufiger miteinander
31
Q

CCC = 3C = Chromosome Conformation Capture, Analyse der 3D Konformationen der Chromosomen

A
  • dient 3D Konformation der Chromosomen im Zellkern zu analysieren
  • Organisation in Interphase ist nicht zufällig
  • versch. Chromosomen, versch. Kontaktstellen
  • Interaktion zweier Chromosomen kann man über Crosslink (chem. Veränderung, in der Abbildung Rot) festigen
  • um Kontaktstellen ident. muss man chromosomen zerschneiden
    • zufällig
    • es entsteht ein X
  • Ligation: Enden werden verbunden
    • es entsteht eine 8
  • Einbau des Captures (in Abbildung grün) an Ligationsstelle (chemische Gruppe, erlaubt uns DNA zu fangen später)
  • Auflösung Crosslink
    • Zirkuläres Molekül entsteht
  • Restriktionsenzyme schneiden wieder zufällig (in Abbildung gelb)
    • Erhalten zwei Fragmente mit Capture
  • Antikörper des Captures fangen diese
  • künstliche Ligierung von DNA Sequenzen an Enden der Fragmente
  • Primer binden an kuenstliche Seq
  • Amplifikation der Fragmente, PCR
  • Next Generation Sequencing analysieren (Seq bestimmen)
  • Sequenzstellen der beiden benachbarten Chromosomen ist identifiziert!
  • ungefähre bestimmung wo chromosomen benachbart waren!
32
Q

Die Topologie der Interphasenchromosomen

A
  • nicht zufällig
  • Pfeil: Nucleolis = rDNA
  • wo chromosmen miteinander lokalisieren
  • Centromere (circle)
  • ein Bereich kein Kontakt zum Rest
    • rDNA
    • Produktion der Ribosomen
33
Q

Kondensierte Chromosmen

A
  • Mitosechromosomen
  • Verpackte Form
34
Q

Chromosomen-Regionen

A
  • Znetromere (Verteilung)
  • Telomere, Stabilitaet Replikation
  • NOR (rRNA, Nucleolis, Ribosomenbildung)
35
Q

Zentromer Funktionen

A
  • für Verteilung waehrend der Mitose wichtig
  • Satelliten DNA (rep. DNA), die Einbau von Spezialhistonen ermöglicht
  • erlaubt Einbau weitere Proteinenschicht, Kinetochor
  • Kinetochor heftet an Mikrotubuli (Transportmaschine der Zelle)
    • Transport durch Polymerisierung und Depolymerisierung
  • Informationsstelle
  • Ziehen Schwesterchromatiden an jeweiligen Pol
  • mehrere Mikrotubuli an ein Zentromer
  • Satelliten DNA
36
Q

Das Hefezentromer

A
  • 3 wesentliche Elemente bilden Nukleosom
  • Ein Mikrotubuli schaffts
37
Q

Artspezifische Centromere

A
38
Q

Centromere: Anheftungspunkte für Mikrotubuli in der Mitose

A
  • wie Chromosomen Aussehen und DNA-Gehalt ändern währen der Mitose
  • Schwesterchromatiden am Centromer verknüpft
  • holozentrisch Chromosome (bei Pflanzen, und Würmern), ganzes Chromatidenpaar ist Andockstelle für Kinetochor und anschliesslich mehrere Mikrotubuli
    *
39
Q

Zellzyklus

A

G1: Wachstumsphase, Gapphase 3 h

G0: nicht teilungsfähig (Neuronen, Muskelzellen)

S-Phase: Synthese von DNA, 8 h, Replikation

G2: Vorbereitungsphase, löst Organellen auf, Kontaktstellen aufbrechen;2 h

Mitose

40
Q

Problem genetische Konstitution, sind wir in G1 haploid?

A

nein. 2 homologe Chromosomen

41
Q

Sind wir in der G1-Phase haploid

A
  • Nein.
  • man hat 2 homologe Chromosomen
  • in G2 Phase hat man 4 homologe Chromosomen
42
Q

Telemor Struktur

A
  • repet. DNA
  • 6 Nukleotide, 1000 fach hintereinander gehängt, TTAGGG (in allen Säugetieren)
  • teilweise einzelsträngig, 3’-überhang, Gegenstrang fehlt
  • Einzelstrang verdrängt Teile des Doppelstrangs im Telomer, Hybridisierung → Displacement Loop
43
Q

Chromosomenbereiche und Chromatin

A
  • Bereiche um Telomere und Centromere sehr dicht gepackte DNA → Heterochromatin
  • Arme weniger dicht verpackt
44
Q

Chromatin und Nukleosomen

A
  • Verpackung von Chromosomen nicht komplett gelöst in der Biologie
45
Q

DNA vs Chromosom

A
  • DNA 10 cm pro Chromosom
  • verpacktes Chromosom 2-10 mikrometer
  • 10 000 -20 000 fache Verkürkung
  • Verpackungsleistung!!
  • kleines Volumen im ZK
  • Kondensation! hohe Leistung super Wie?
46
Q

Verpackung von Chromosomen, Level 1

A
  • Verpackungsmaterial: Condensine und Kohesine
  • Kohesine
    • haelt Schwesterchromatiden zusammen
    • Ringförmige Proteine
    • passiert während der Replikation und Kondensation in Prophase der Mitose
    • in Metaphase, bei Anordnung der Chromatiden helfen weitere Proteine die Schleifen zusammen zu halten → Kondensine
  • in Anaphase werden die Verknüpfungen losgeworden, Spaltung Kohesine
  • Kondensine bleiben erhalten
47
Q

Verpackung von Chromosomen, Level 2

A
  • bestehen aus Chromatinfasern, die an einem Scaffold befestigt sind
  • gleichmässig grosse Loops (100 000 bp)
  • Loops sind nicht Strang sondern es gibt weitere V erpackungsebenen
48
Q

Verpackungsmaterial

A

Cohesine

Kondensine

49
Q

Cohesine

A
  • Proteine
  • halten Schwesterchromatiden zusammen
  • Ringförmig
  • während S-Phase (Replokation
  • auch währen d der Kondensation der Chromosomen in der Prophase
  • beim Übergang von Metaphase zur Anaphase werden Cohesine gespalten
50
Q

Condensine

A
  • bei Kondensation
  • benachbarte Loops werden zusammengehalten
  • Kondensine sind von Spaltung der Cohesine während Anaphase nicht betroffen
51
Q

Verpackung von Chromosomen, Level 3

A
  • ‘spiralig aufwgewickelt’
  • 30 nm Faser und 10 nm Faser
    • aus Nukleosomen
    • DNA umwickelt Histone
52
Q

Besetzung des Kernes mit aufgewickelter Interphase chromosomaler DNA und dazugehörigen Proteinen

A

36%

  • viel Raum benötigt für andere Sachen
  • Transkriptionsmaschinerie blabla
    *
53
Q

Schematischer Aufbau der 10 nm und 30 nm Fasern

A
  • Viele verschiedene Modelle für 30 nm Faser
  • Stapelungen, Säulen, Helikal, alternierend, etc.
54
Q

Nukleosom

A
  • besteht aus DNA
  • Histonen
  • DNA um Histone gewickelt
55
Q

Histone - Domänenstruktur

A
  • mehrere Proteine (8)
  • 4 Typen und Subtypen
    • H2A
    • H2B
    • H3
    • H4
  • wechselwirken miteinander
  • invariabel –> alle Eukaryoten haben Histone
  • sehr gut entwickelt
  • jede AS selektiert
56
Q

Nukleosomen bestehen aus einem Kern von 8 Histonproteinen

A
  • Schwänze schauen raus
  • Endtermini
57
Q

Histonoctamer

A
  • 2 Moleküle H2A
  • 2 Moleküle H2B
  • 2 Moleküle H3
  • 2 Moleküle H4
  • um das Histon-Octamer ist die DNA gewickelt: 146 bp = 1,7 Windungen
  • ziehen DNA an sich ran
  • kleine Furche kontaktiert von Histonproteinen
  • große Furche leichter erreichbar auf der anderen Seite, für z.B. Transkriptionsfaktoren
  • Phosphatrückgrat
  • AS interagieren
    *
58
Q

H1

A
  • Linkerhiston
  • hilft
  • Linkerhiston H1 bindet im Bereich des Austritts der DNA aus dem Nukleosom
  • DNA, die an 2 Positionen aus Nukleosom rausläuft näher aneinander zu bringen
  • Bindung von H1 zur 10 nm Faser führt zur Kompaktierung des Chromatins
  • a: ohne H1
  • b mit H1
59
Q

Regulation des Chromatin

A
  • Euchromatin und Heterochromtin
60
Q

Unterscheidung Euchromatin und Heterochromatin

A
  • andere Histonvarianten
61
Q

Andere Histonvarianten

A
  • Im Bereich des Kinetochors ist das Histon H3 durch CENP-A ersetzt
  • CENP-A erlaubt Interaktion mit anderen Protein
  • Proteine die das Kinetochor bilden
62
Q

Nukleosomen bzw DNA können sich bewegen - ‘Atmung’

A
  • DNA bewegt sich auch
  • jedes Nukleosom ‘atmet’
  • Halbabwicklkungen
  • alle 25 ms kann das passieren
  • Zugängliche Sequenzen können gelesen werden
  • Standarddarstellung von Nukleosomen als 146 bp um Histonprotein, ist dominante Form des Nukleosoms
  • Bestimmtes Freihalten der DNA kann auch aktiv unterstützt werden durch Transkriptionsfaktoren
    • erkennen best. Sequenzen, sorgen dafuer dass im Bereich zwischen den beiden Proteinen kein Nukleosom assemblieren kann (weil zb zu kurz)
    • oder: Festhalten des Nukleosoms, schwerer zugänglich
63
Q

Positionierung von Nukleosomen

A

Freihalten der DNA

  • Aufgabe Transkriptionsfaktoren
  • erkennen Sequenzen
  • Nekleosomfreie Stelle

Festhalten der DNA

  • Proteine interagieren
  • schwerer zugänglich
64
Q

Welcher Anteil des Genoms ist wirklich verpackt in Nukleosomen

A

70-90 % sind verpackt in der Standard Interphasekern

65
Q

Was ist besonders haeufig frei und was ist besonders haeufig verpackt?

A
  • *Verpackt**: Telomere, Centromere, Satelliten DNA, rep. DNA
  • *Frei**: Transkriptionsstartstellen, tRNA, rRNA, aktive Stellen
66
Q

Remodeling von Nukleosomen

A
  • sliding
    • Nukleosom bewegt sich auf dna sequenz
  • transfer
    • verstztung
  • major groove außen besser zugänglich
67
Q

übergänge von Euchromatin zu Heterochromatin

Die N-Termini der Histone ragen aus dem Nukleosom heraus

A
  • reversibel modifizierte N-Termini
  • post-translational
68
Q

Modifikaitonen der N-Termini

A
  • Unterschiedliche Arten der Aminosäuremodifikationen
    • P
    • A
    • M
    • U
  • dynamische Veränderungen
  • reversibel
  • Enzyme
69
Q

Wozu dienen die N-Termini?

A

WW zwischen N-Terminalen Domänen der Histone benachbarter Nukleosomen

30 nm Faser

70
Q

Histonmodifikationen verändern den Nukleosomenzustand

Wirkungen der Modifikaitonen

A
  • Acetylierung
    • verändern Eigenschaften
    • offene Konformation
    • Bromodomänen (Proteine) erkennen Acetylierungn
    • halten auf
  • Methylierung
    • Chromodomänen
    • mehr Interaktionen
    • klebriger “” zwischen benachbarten Histonen
    • eher geschlossene Konformation zwischen Nukleosomen
71
Q

Histoncode: epigenetischer Code

A
  • epigenetischer Code = nicht in der Sequenz der DNA
  • keine Codierung AS
  • Förderung und Hemmung der Bindung von Faktoren
  • Direkte Änderung der DNA-Histon Struktur
72
Q

Multiple DNA- und Histonmodifikationen Faktoren beeinflussen den Chromatinzustand

A

offenes Chromatin

  • Histon-Methylierung
  • Histon-Deacetylierung
  • Einlagerung von Histonen und Heterochromatin-Proteinen
  • DNA-Methylierung

kondensiertes Chromatin

  • Histon Demethylierung,
  • Histon-Acetylierung
  • Verlust von Histonen und Heterochromatin-Proteinen
73
Q

Methylierung der DNA

A
  • DNA Methyltransferase
  • Cytosin, an Position 5
  • besser verpackt
  • Gen Stromab wird nicht translatiert

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