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
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(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
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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)
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
E. coli RNA Polymerase
Eukaryontische RNA-Polymerasen
‘ und -ähnlicheUntereinheiten
-ähnlicheUntereinheiten
gemeinsameUntereinheiten
Pol-spezifischeUntereinheiten
I II III
Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-BindungProkaryontPromoter
EukaryontPromoter
Transkriptions-Start
RNA-Polymerase
DNA
DNACodierende Sequenz
Transkriptions-Start
GC-Box
GC
Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-BindungProkaryontPromoter
EukaryontPromoter
Transkriptions-Start
RNA-Polymerase
DNA
DNACodierende Sequenz
Transkriptions-Start
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
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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
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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
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
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.
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
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