Struktur und Funktion der DNA und Histonmodifikation PDF

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Summary

Aus der Vorlesung "Molekular- und Zellbiologie für medizinische Biologen"

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Description

Struktur o o o o o o

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Mykoplasmen (Bakterium) haben weniger als 500 Gene und auch nur 5*10^3 Basen (Nukleotide), auf die sich die Gene aufteilen E. coli für Forschung wichtig, hat 4300 Gene und ein tausendmal so großes Genom wie Mycoplasma (4*10^6) Menschen haben ca. 25000 Gene mit 3 Milliarden (3,2*10^9) Nukleotiden (haploid) bzw. 6 Milliarden diploid Manche Pflanzen und Einzeller haben ein größeres Genom als Menschen mit bis zu 10^11 Nukleotiden Viren haben 6-100 Gene mit 5*10^3 bis 3*10^5 Nukleotiden Alle Zellen haben DNA, manche Viren auch RNA DNA besteht aus Base, Zucker und Phosphat Zucker und Phosphat = Backbone, von dem dann je eine Base abgeht DNA-Stränge haben 5‘3‘-Richtung, liegen als Doppelstrang vor als α-Doppelhelix Desoxyribose (Pentose mit 5 C-Atomen)  durchnummeriert, das 5. C-Atom steht raus Verbindung der Zucker über Phosphat, an einem Ende steht das 5‘-Ende nach außen, am anderen Ende das 3‘Ende (schließt meist mit OH-Gruppe ab) Komplementäre Basen: C und G, A und T (A und T über 2 und G und C über 3 Wasserstoffbrückenbindungen) Antiparallele Anordnung der beiden Stränge Adenin und Guanin = Purinbasen mit einem 5- und einem 6-Ring Cytosin und Thymin = Pyrimidinbasen mit nur einem 6-Ring Eukaryontische DNA befindet sich im Zellkern, in jedem der 46 Chromosomen liegt ein DNA Faden Beim Menschen  44 Autosomen und 2 Geschlechtschromosomen  Paar von mütterlichen und väterlichen Chromosomen = Homologe Chromosomen  In der Interphase (Zwischen zwei Zellteilungen) ist die DNA stark dekondensiert (nicht so stark aufgerollt)  für die Zellteilung muss erst die DNA verdoppelt werden  dann M-Phase (Mitose-Phase)  dann Teilung  I-Phase: Zelle exprimiert Gene und synthetisiert Proteine, DNA wird repliziert und Chromosomen verdoppelt  M-Phase: Mitose findet statt, Kern wird in zwei Tochterzellen geteilt, Chromosomen kondensieren --> dauert etwa eine Stunde Das größte Gen des Menschen macht fast 1/1000 des gesamten Genoms aus In der reifen mRNA sind Exons vorhanden (1,5% des Genoms)  kodieren Proteine Pseudogene (ca. 20000) kodieren keine Proteine  sind zwar noch als Gene erkennbar, haben aber irgendwelche Mutationen, weshalb sie nicht richtig funktionieren --> viele Pseudogene entstehen bei der Verdopplung eines funktionsfähigen Gens, wobei sich in einer der beiden Kopien schädliche Mutationen anhäufen Fast die Hälfte des Genoms sind repetitive Elemente, die eventuell regulatorische Effekte haben, aber nichts kodieren Die codierenden Bereiche des Genoms (Exons) sind meist nicht länger als 145 Basenpaare und befinden sich inmitten sehr langer nicht-kodierender Sequenzen Bewegliche genetische Elemente: LINEs, SINEs, retrovirusartige Elemente, DNA-only-transposons --> haben sich durch Selbstreplikation und Insertion vervielfacht Sequenzwiederholungen: einfache Sequenzwiederholungen (weniger als 14 Basenpaare lang, aber oft hintereinander wiederholt), abschnittsweise Verdopplungen (1000-200000 Basenpaare lang) Struktur der Chromosomen Enden der Chromosomen = Telomere  besondere Art von repetitiven Elementen; Chromosom darf nicht kürzer werden bei der Verdopplung Centromer ist besonders in der Mitose wichtig, denn an ihnen setzt die mitotische Spindel an, die die Chromosomen auseinanderzieht und auf die Tochterzellen verteilt --> es müssen je eine Kopie des verdoppelten und des verdichteten Chromosoms in die Tochterzellen gelangen  Kinetochor = Proteinkomplex am Centromer, der die verdoppelten Chromosomen an der Mitosespindel befestigt und deren Trennung ermöglicht Replikation fängt an Replikationsursprüngen an, an denen die DNA-Stränge beginnen, auseinanderzugehen, um verdoppelt zu werden

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In eukaryontischer DNA gibt es viele Replikationsursprünge, damit ein Chromosom schnell verdoppelt werden kann

Verdichtung der Chromosomen o o

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Chromosomen in der M-Phase sind 10000-fach verdichtet Proteine sind für die Verdichtung verantwortlich --> wickeln und falten die DNA immer stärker zusammen Ein Chromosom ist ein auf Proteine aufgedrehter DNA-Faden (das nennt man Chromatin) Besteht aus einem Komplex aus Histonen und chromosomalen Nicht-Histon-Proteinen In der Interphase liegt das Chromatin in Form einer Perlenkette vor --> diese erste Stufe der Chromosomenorganisation nennt man Nucleosom  Jede “Perle” ist ein Nucleosomkernpartikel, der aus einem von Histonen gebildeten Proteinkern und einem darum gewickelten DNA-Faden von genau 147 Basenpaaren besteht  Zwischen den einzelnen Nucleosomkernpartikeln befindet sich Linker-DNA mit einer Länge von bis zu 80 Basenpaaren  Insgesamt gibt es 5 Histon-Proteine  Histon 1 im Gegensatz zu Histon 2-5 nicht im Kern angelagert  Histon 2-5 bilden in Paaren den Kern, um den sich die Basenpaare wickeln  Die Histone bilden einen Histonkern-Oktamer  aus dem Inneren des Nucleosoms (Proteinpolypeptidketten) kommen Histonschwänze  Aus jedem der 8 Proteine des Histonkerns kommt ein Histonschwanz --> sehr flexibel, tragen dazu bei, das Chromatin in eine 30nm-Faser zu verpacken  Durch die Nukleosomenbildung wird ein DNA-Faden auf 1/3 seiner ursprünglichen Länge verkürzt  Das Chromatin wird danach immer enger zusammengepackt  Normale Doppelhelix: Durchmesser = 2nm  Perlenketten-Chromatin: Durchmesser = 11nm  30-nm-Chromatin: Durchmesser = 30nm  Kondensierter Teil eines Chromosoms: Durchmesser 700nm  Kondensierteste Phase wird bei der Mitose erreicht --> hier hat das gesamte Chromosom einen Durchmesser von 1400nm, darin sind 1,7m DNA verpackt!  Das Histon H1 wird als Linker-Histon bezeichnet, ist größer als die Kernhistone und verbindet die Nucleosome so, dass das Chromatin zu einer 30nm-Faser kondensiert werden kann  Es bindet an jedes Nucleosom und hat sowohl Kontakt zur DNA, als auch zum Protein  Presst 20 Nucleotidpaare dort zusammen, wo sie aus dem Nucleosomenkern heraustreten --> engere Packung möglich Zwei Arten von Chromatin Euchromatin  Lose gepackt  Enthält die meisten Gene  Die Gene können ausgeprägt werden (z.B. Grundstoffwechsel) Heterochromatin  An Telomeren und Centromeren besonders stark konzentriert, obwohl es an vielen Stellen entlang der Chromosomen vorkommt  Eng gepackte Gene, auch in der Interphase  mehr als 10% des Genoms sind als Heterochromatin verpackt  enthält wenige Gene, es findet wenig Genaktivität statt  Gene werden üblicherweise nicht ausgeprägt (werden nicht so oft gebraucht) --> wenn euchromatische Gene als Heterochromatin verpackt sind, werden sie abgeschaltet/stillgelegt

Histoncode und Histonmodifikation -

Die Aminosäure-Seitenketten der Histone haben Funktion der Genregulation Aminosäuren können durch Phosphorylierung, Methylierung, Acetylierung oder Ubiquitinierung modifiziert werden  kovalente chemische Modifizierung

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Die Modifizierungen entscheiden darüber, ob das Chromatin stillgelegt oder aktiviert wird --> alle Modifikationen sind reversibel und werden durch spezifische Enzyme erzeugt Am C-Terminus passiert nicht viel, N-Terminus wichtiger Lysin, Arginin und Serin können besonders gut modifiziert werden Kann auch in verschiedenen Kombinationen auftreten Manche Modifikationen schließen sich aus, z.B. kann Lysin nicht gleichzeitig methyliert und acetyliert sein Varianten von Histonen separate Gene im Genom (z.B. H3.3)  wenn ein Chromatin z.B. mehr H3.3 als H.3 haben soll, dann ist es aktiver Für alle Histone außer H4 existieren Variationen, die deutlich seltener vorkommen, als die Haupt-Histone Haupt-Histone werden in der S-Phase synthetisiert, Histon-Varianten hingegen während der gesamten Interphase Einfügung der Histon-Varianten in bereits gebildetes Chromatin durch Histon-Austauschvorgänge (ATPabhängig) ist sehr selektiv --> meistens während der Interphase Histon-Code-Hypothese Die Modifikationen können als Markierungen genutzt werden, z.B. für neu replizierte Chromatinstücke, reparaturbedürftige DNA-Abschnitte oder für Art und Weise der Genexpression Histon-Schwänze können leicht modifiziert werden --> Veränderungen sind schnell möglich, z.B. wenn sich der Bedarf der Zelle ändert Leseart des Histone-Codes durch den Code-Leser-Komplex: Ein großer Proteinkomplex (Code-Leser-Komplex) enthält viele Proteinmodule Jedes Proteinmodul erkennt eine spezifische Histonmarkierung Der Komplex bindet an eine Chromatinregion mit mehreren Histonmarkierungen und erkennt diese Nur wenn eine bestimmte Kombination von Histonmarkierungen vorliegt, bindet der Komplex an das Chromatin Der Komplex zieht weitere Proteinkomplexe an, die biologische Funktionen katalysieren Bedeutung des Histon-Codes Lysin auf Position 9 (vom N-Terminus gesehen)  falls methyliert, dann soll Heterochromatin gebildet werden, z.B. zur Stilllegung M auf Position 4 und A auf Position 9, sowie P auf Position 10 und A auf Position 14 führen zu vermehrter Genexpression des entsprechenden Abschnitts M auf Position 27 inaktiviert das X-Chromosom Verbreitung der Histon-Codes

Enzyme, die die Histone modifizieren, gehören zu einem Komplex mit vielen Untereinheiten und werden über DNA-Bindungsproteine in eine bestimmte Chromatinregion gebracht o Es kann zu einer Kettenreaktion kommen, die sich entlang der Nucleosomen fortsetzen:  Ein Aktivator (genregulatorisches Protein) bindet an ein Histon und setzt histonmodifizierende Enzyme frei (Schreiber), die dann ein Code-Lese-Protein anlocken  Das Code-Schreiber-Protein arbeitet mit einem Code-Lese-Protein aus dem gleichen Proteinkomplex zusammen  ein Code-Lese-Modul bindet fest an ein Nucleosom, auf dem es eine Markierung erkannt hat und das Schreiber-Protein wird an einem benachbarten Nucleosom positioniert  nun kann das Leseenzym das Schreiberenzym entlang der DNA bewegen und die Markierung wird verbreitet  Dafür muss der Leser die gleiche Histon-Modifikationsmarkierung lesen, die der Schreiber bildet o DNA-Sperrsequenzen blockieren die Ausbreitung von Leser-Schreiber-Komplexen und trennen dadurch benachbarte Chromatindomänen  Beispiel: HS4-Sequenz in der aktiven Chromatindomäne für die Bildung der Erythrozyten  Das anbinden einer Chromatinregion an eine festgelegte Stelle, wie z.B. Porenkomplex, kann die Ausbreitung des Heterochromatins stoppen  Sperreproteine, die eng an Nucleosomen binden, verhindern, dass sich Heterochromatin über das gesamte Genom ausbreiten kann o

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Durch hoch aktive histonmodifizierende Enzyme können die Sperreproteine Histonmarkierungen löschen, die für die Ausbreitung des Heterochromatins erforderlich sind - Der Histoncode muss auch an Tochterzellen weitergegeben werden, ist aber nicht in der eigentlichen DNA gegeben, sondern in dem Chromatin der modifizierten Zellen  Epigenetik (Weitergabe der Informationen aus der Struktur des Chromatins) o Die spezialisierten Chromatinbestandteile werden nach der DNA-Verdopplung auf die Tochterzellen verteilt o Die modifizierten Nucleosomen sorgen dafür, dass neue Heterochromatinproteine an die korrekt modifizierten Histone der Tochterzellen geheftet werden - Bewegung der Gene innerhalb des Zellkerns während der Expression o Manche Territorien im Zellkern sind eher aktiv und andere (nahe der Zellkernmembran) sind eher inaktiv...