Das Zentrale Dogma des Lebens Die Expression der genetischen Information eines Gen-Abschnitts auf...

Das Zentrale Dogma des Lebens

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Die Expression der genetischen Information eines Gen-Abschnitts auf der DNA ist immermit der Synthese eines RNA-Moleküls gekoppelt



(Ribonucleic Acid)

RNA-Struktur

RNA-Synthese

RNA-Spleißen

RNA-Turnover

DNA RNA

Im Unterschied zur DNA ist die RNA in der Regel (1) einzelsträngig (manchmal doppelsträngig)(2) OH-Gruppe an der 2‘-Stelle des Ribose-Rings (3) Thymin (T) ist durch Uracil (U) ersetzt

RNA-Struktur

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> in der Regel einzelsträngig (v.a. mRNA)> doppelsträngige Abschnitte (stem loop;hairpin) sind möglich (tRNA, rRNA, miRNA)

(NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi

RNA-Polymerase

RNA-Polymerasen besitzen eine 5‘>3‘ Polymerase-Aktivitätund benötigen keinen Primer zum Start

T3'

T

C

G AA

TAGATG

C

AA

A5'

T GT

C

AC

GA

TTC

A TT

3‘

5‘

5‘3‘ RNA-Polymerase

Die Biochemie der RNA-TranskriptionRibonucleosid-5‘-Triphosphate ATP, CTP, GTP, TTP sind die aktivierten Vorstufen bei der RNA-Synthese

o 5‘ > 3‘ Verknüpfung (Phospho-Diester-Brücken)

o 5‘-Ende mit Phosphat-Gruppe

o 3‘-Ende mit freier OH-Gruppe +

Neu-eintretendes Ribonucleotid-Triphosphat

Nukleophiler Angriffder 3‘-OH Gruppeam -Phosphoatom

Die Biochemie der RNA-Kettenverlängerung

Wie werden die Ribonucleotid-Bausteine in die RNA eingebaut?

O

Richtung der Transkription

RNA-Polymerase

Ribonucleotid-TriphosphateDNA-Matritze

neuer RNA-Strang

5‘

3‘

Transkriptionsgeschwindigkeitca. 50 Nukleotide pro sec

DNA-Nichtmatritzenstrang (+)(Sinnstrang, kodierender Strang)

DNA-Matritzenstrang (-)Codogener Strang

mRNA-Transkript3‘ 3‘

5‘

3‘RNA-Polymerase kann zwischen (+) und (-) Strang unterscheiden

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

Ein Gen, das von der RNA-Polymerase abgeschrieben (= transcribiert) wird besteht aus:

1. Promoter (P) = Startstelle für die RNA-Polymerase

2. ORF = “open reading frame“ (offener Leseraster), was dem DNA-Abschnitt entspricht, der für das entsprechende Protein kodiert

3. Terminations-Sequenzen (T) für die Beendigung der Transkription

DNA

Die RNA-Transkription beginnt an spezifischen Promoter-Stellen auf der DNA

RNA-Transkripte

Gen 1 Gen2

P1 ORF 1 T1 P2 ORF 2 T2

5‘ 5‘3‘ 3‘AUG UAA AUG UGA

RNA (1) RNA (2)

auf dem E. coli Chromosom befinden sich ca. 2000 Gene, wobei es einige hunderte Startstellen (Promotoren) für die RNA-Polymerase gibt (Operons)

das menschliche Genom hat ca. 25. 000 Gene, entsprechend mehr Promotoren auf den Chromosomen gibt es

es ist für die Zelle möglich, Promotoren zu regulieren (an- bzw. abzuschalten).>> regulierte Genexpression

Regulierte Genexpression ist essentiell für die Differenzierung von Zellen oder im Zellzyklus

Bei Mißregulation > Krankheits-Entstehung (Krebs; siehe „Transkriptions-Faktoren“)

3’-UTR5’-UTR

RNA-Polymerase bindet losean den Promoter und bildet-35 “geschlossenen“ Komplex

RNA-Polymerase bindet noch fester an den Promoter, wandert zu -10und die DNA wird entwunden, um den “offenen“ Komplex zu bilden. >> RNA-Synthese beginnt

RNA-Polymerase Holoenzym

DNA-MatrizenstrangPurin-NukleotidTriphosphat

Promoter

Sigma-Untereinheit wird freigesetzt, sobald die RNA-Polymerase mit der Transkription beginnt

RNA

‘

Entlangwandern an der DNA

Sigma-Untereinheit hat eine wichtige Rolle beim Erkennen der Promotoren

AUCC...

-35 Region -10 Region(Pribnow-Box)

RNA-Polymerase

Consensus-Sequenz

Promotoren für: +1 StelleInitiation

UUGUGAGCGG… mRNA

Aufbau eines E. coli Promoters2 wiederkehrende Motive

> je stärker ein Promoter ist, desto ähnlicher ist die -35/-10 Sequenz dem Consensus> dabei rufen starke Promotoren eine häufige Initiation der Transkription hervor (Bindung der RNA-Polymerase an den Promoter alle 2 sec), während schwache Promotoren nur alle 10 min eine Transkription herbeiführen.> Regulatorproteine können die Transkriptionsrate beeinflussen

Prokaryotischer Promoter

Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-Bindung

Transkriptions-Start

Codierende Sequenz

RNA-Polymerase

Die gesamte RNA in Eukaryonten wird von drei verschiedenen RNA-Polymerasen

synthetisiertE. coli hat nur 1 RNA-Polymerase für die verschiedenen TranskripteMensch hat RNA-Polymerase I, II und III (Pol I, II, III) mit speziellen Aufgaben

Typ Lokalisation zelluläre Transkripte Hemmung durch -Amanitin

Pol I Nukleolus 18S, 5.8S und 28S rRNA -

Pol II Nukleoplasma mRNA, snRNA, miRNA +

Pol III Nukleoplasma tRNA, 5S rRNA +/-

Katalytische Aktivität der eukaryontischen RNA-Polymerasen: 5‘ > 3‘ Synthese

-Amanitin, das Gift des Knollenblätterpilzes (zyklisches Oktapeptid), blockiertdie Pol II (hemmt es die Elongation der RNA-Synthese)

E. coli RNA Polymerase

Eukaryontische RNA-Polymerasen

‘ und -ähnlicheUntereinheiten

-ähnlicheUntereinheiten

gemeinsameUntereinheiten

Pol-spezifischeUntereinheiten

I II III

Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-BindungProkaryontPromoter

EukaryontPromoter


RNA-Polymerase

DNA

DNACodierende Sequenz


GC-Box

GC

Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-BindungProkaryontPromoter

EukaryontPromoter


RNA-Polymerase

DNA

DNACodierende Sequenz


GC-Box

GC

TATA-Box notwendig für Promoter-Aktivität (TATA-bindenes Protein)> Zusätzliche Elemente: CAAT-Box und GC-Box zwischen -110 und -40

-25 Box (TATA-Box) kommt in nahezu allen eukaryontischen Promotorenvor verantwortlich für die Transription durch Pol II Mutationen in der TATA-Box hemmen die Promoter-Aktivität und mRNA-Transkription

Promotoren von eukaryontischen Genen enthalten TATA-Box und zusätzliche 5‘-stromaufwärts liegende DNA-Sequenzen, die für die Bindung der RNA-Polymerasen benötigt werden

Die RNA-Polymerase benötigt zahlreicheBasal-Transkriptionsfatoren, die an dieTATA-Box binden: die TFII-Faktoren



TATA BindendesProtein

Die Wirkung von Transkriptionsaktivatoren

> Transkriptionsaktivatoren binden an DNA-Elemente, die mehr als 100 Basenpaarevon der Transkriptionsstartstelle entfernt liegen> Ungeachtet der Entfernung, kann eine direkte Assoziation der Transkriptionsaktivatoren mit dem Initiationskomplex der RNA-Polymerase erfolgen. > Erst durch Bindung dieser Transkriptionsfaktoren kann dieRNA-Polymerase II “loslegen“(vgl. E. coli Sigma-Faktor)

Sp1 = 95 kDa Säugerprotein, das für die Transkription von Genen benötigt wird,die GC-Boxen enthalten (Zink-Finger-Protein)

CTF1 = CAAT-bindender Transkriptions-Faktor von 60 kDa, der spezifisch die CAAT-Box erkennt

Zink-Finger Helix-Turn-Helix

Leucin Zipper Helix-Loop-Helix

Zink-Ionen Finger Große FurcheDNA-bindendeHelices

Leucine

DNA-bindende Helix DNA-bindende Helix

Helix

Loop

Verschiedene Struktur-Motife von Transkriptionsfaktoren

Homeodomain-Proteine gehören zur Familie der “Helix-Turn-Helix“ Transkriptionsfaktoren> kritische Rolle bei der Regulation der Gen-Expression während der Embryonal-Enwicklung

Homeodomain-Gene wurden zuerst als Entwicklungsmutanten bei Drosophila entdeckt> Körperteile an falschen Stellen

z. B. die Antennapedia Mutante> Beine am Kopf

Normaler Kopf einer Drosophila Fliege Antennapedia Mutante

Homeodomain-Transkriptionsfaktoren



Übergang: Initiation > Elongation Phosphorylierung des C-terminalen repetitiven Heptapeptides (CTD) derRNA-Polymerase II

> Loslösung der Transkriptions-Faktoren

CTD

Vorgänge beim Übergang zur Elongationsphase der Transkription

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Transkription vom Chromatin

Aktivator

“Chromatin-Remodeling Factor“DNA um das Nukleosom

gewunden

Promoter und ORF

Nukleosom wird vom Promoter verdrängt

mRNABindung und Wanderung der Transkriptions-Maschinerie

Leber-spezifischHepatozyten-spezifische Genexpression

ubiquitär

ubiquitär

Leber-spezifisch

Aktivatoren

ubiquitär

Transcriptosome(molekulare Maschine)

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Leber-spezifische Gen-Expression durch Hepatozyten-spezifische bzw. Intestinalzellen-spezifischeTranskriptionsfaktoren

Adrenalin (Epinephrin)-induzierte Gen-Expression von Gluconeogenese-Enzymen in Leberzellen

Pyruvat-carboxylase

Fructose-1,6-Bisphosphatase

Glucose-6-Phosphatase

PEP-Carboxykinase

CREB = cAMP responsive element binding protein

Transcriptionsfaktor

DNA

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Epinephrin (Adrenalin)-induzierte Gen-Expression von Gluconeogenese-Enzymen in Leberzellen

Pyruvat-carboxylase

Fructose-1,6-Bisphosphatase

Glucose-6-Phosphatase

PEP-Carboxykinase

Welche Aussage zu Promotoren trifft zu?

(A) Sie steuern unmittelbar die Translation von Genen

(B) Sie werden transkribiert.

(C) Sie enthalten eine Ribosomen-Bindungsstelle.

(D) Sie legen den Startort der Transkription fest.

(E) Sie sind auf einem Exon lokalisiert.


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