Vorlesung 8 - Vom Gen zum Protein PDF

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Summary

* Wintersemester
* Professor Bastmeyer
* Teil 1: Zellbiologie...

Description

Vom Gen zum Protein

Polymerase Polymerasen sind Enzyme, die die Polymerisation von Nukleotiden, die Grundbausteine der Nukleinsäure, katalysieren.

Transkription

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Herstellung einer Kopie eines Gens in Form eines einzelsträngigen RNA-Moleküls (Transkript) Die Sprache ist immer noch ein lineares Polymer aus Nucleotiden, aber mit den Unterschieden: o Ribonucleotide werden benutzt. o Uracil anstelle von Thymin. o RNA ist ein Einzelstrang kann aber intramolekulare Basenpaare ausbilden. Warum der Umweg? o Von einem Gen können viele Kopien RNA gemacht werden, die wiederum die Synthese vieler Proteine steuern können (Amplifizierung). o Möglichkeit der Regulation: jede Zelle kann unterschiedliche Mengen von unterschiedlichen Proteinen zu unterschiedlichen Zeiten herstellen.

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Phasen o Initiation: RNA-Polymerasen binden an Promotermolekülen, die sich auf den abzukopierenden Stellen des Genoms befinden. Bevor überhaupt genetische Informationen abgelesen werden können, muss die Doppelhelix entschraubt werden. o Elongation: Umschreibung von DNA zu mRNA. Die RNA-Polymerase wandert und synthetisiert durch Anlagerung freier Ribonukleotide einen zur DNA komplementären mRNA Teilstrang. o Termination: Im Verlauf der Transkription trifft die RNA-Polymerase beim Ablesen der DNA auf eine Terminatorsequenz (Stopp-Codon). Terminatoren stoppen die RNAPolymerase und es kommt zur Ablösung des mRNA Teilstrangs von der DNA.

Translation / Proteinbiosynthese Synthese von Proteinen, die an den Ribosomen abläuf 1. Initation: Erreicht mRNA ein Ribosom, so wandert die kleine Untereinheit des Ribosoms solange an der mRNA entlang, bis sie auf das Startcodon stößt. 2. Elongation: Es lagert sich die große UE an und die Elongation beginnt, der Prozess der Verlängerung der Aminosäurenkette; findet am Erkennungs- und Bindungsort des Ribosoms statt. Elongationsschritt -> drei Schritte: Bindung der beladenen tRNA, Ausbildung der Peptidbindung und Vorbereitung auf den nächsten Elongationsschritt. 3. Termination: Bei Erreichen eines Stopcodons, welches für keine Aminosäure codiert, wird die Translation abgebrochen.

tRNA (transfer-RNA): Träger für Aminosäuren, wird bei Translation benötigt. Trägt das komplementäre Anticodon zur mRNA-Information. tRNAs setzten sich in das Ribosom und stellen dort die gebundene Aminosäure für die Anbindung an das entstehende Protein zur Verfügung.

prä-mRNA und mRNA

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prä-mRNA: RNA-Form, unmittelbares Ergebnis der Transkription im Zuge der Genexpression Nach vollständiger Prozessierung -> mRNA. mRNA steht dann der Proteinbiosynthese für Translation zur Verfügung Im Zellkern erfolgt Modifikation durch o Anfügen einer Cap-Struktur (am 5'-Ende) o Eines Poly(Adenylierung)-Schwanzes (am 3‘-Ende) o Splicing der Introns -> Erhöhen die Stabilität der mRNA und unterstützen den Transport ins Cytosol, alle Vorgänge erfolgen VOR Export der RNA aus dem Zellkern ins Cytosol

Matrizenstrang Matrizenstrang, das DNA-Molekül („Strang“) der DNA-Doppelhelix, an dem während der Transkription die Synthese der mRNA erfolgt.

(reife) mRNA     

„messenger RNA“: Boten-RNA, der DNA-Strang wird kopiert (Vorlage ist der Matrizenstrang, Kopie wird komplementär erzeugt). mRNA: Einzelsträngiges RNA-Transkript eines zu einem Gen gehörigen Teilabschnitts der DNA mRNA wird bei der Transkription von dem Enzym RNA-Polymerase synthetisiert und dient bei der Translation als Vorlage für die Proteinbiosynthese durch Ribosomen mRNA faltet in eine komplexe Sekundärstruktur UTR (untranslated region): transkribiert, doch untranslatierte Randbereich der mRNA o 5′ -UTR-Region: Vom Transkriptionsstartpunkt bis vor das Translations-Startcodon o 3′ -UTR-Region: Beginnt nach Translations-Stopcodon, reicht bis Transkriptionsendpunkt. o Enthält ORF (open reading frame) bzw. Coding sequence mit Start- und Stopcodon.

RNA-Splicing

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mRNA ist keine genaue Kopie des Matrizenstrangs (der DNA) Gen besitzt nicht-kodierende Sequenzen und ist diskontinuierlich aufgebaut. Spleißen / Splicing: Teil der mRNA-Prozessierung, prä-mRNA enthält Introns und Exons, durchs Splicing werden die Introns entfernt, angrenzende Exons bilden mRNA

Intron   

Nicht codierende Abschnitte innerhalb eines Gens, die benachbarte Exons trennen Intervenierende Sequenzen Werden transkribiert, aber aus prä-mRNA herausgespleißt

Exon  

Teil eines Gens, der nach dem Spleißen erhalten bleibt und eine kodierende Funktion hat Exprimierte Sequenzen

Exon-Shuffling o o o o

Formation neuer Gene durch Rekombination Exons kodieren einen funktionellen Teil eines Proteins, der autonom faltet -> Domäne Vielseitiges Kombinieren dieser Domänen führt zu großer Proteinvielfalt mit unterschiedlichsten Funktionen und Eigenschaften So sind evolutionäre Veränderungen möglich, die schneller wirksam werden als Mutationen, da eine Neukombination i.d.R. zu korrekt gespleißten, translatierbaren mRNAs führt

Alternatives Splicen    

Aus selber DNA-Sequenz und prä-mRNA -> verschiedene mRNAs -> durch Translation werden auch unterschiedliche Proteine gebildet Erst während Spleißvorgang entscheidet sich, welche RNA-Sequenzen Introns/Exons sind Alternatives Splicen findet nur bei Eukaryoten stat Entdeckung widerlegte Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese

Ribosom        

Die kleine und große Untereinheit bilden zusammen mit der rRNA ein vollständiges Ribosom Bestehend aus Proteinen und RNA An ihnen werden Proteine hergestellt Nukleotidsequenz eines RNA-Einzelstrangs wird in die Aminosäurensequenz eines Proteins übersetzt Auf Ribosom: Bindungsstelle für mRNA (5‘-Cap) Zwei Bindungsstellen für tRNA (Aminoacyl- und Peptidylstelle). Peptidyltransferasestelle an der die Peptidbindung geknüpf wird. Bindungsstellen für Regulatoren.

Ribosomen befinden sich entweder frei im Zytoplasma oder membrangebunden an das endoplasmatische Retikulum (rauhes ER).

Proteinqualitätskontrolle

Chaperone Proteine, die neu synthetisierten Proteinen (nach der Translation) „helfen“, sich korrekt zu falten.

Genregulation

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Haushaltsproteine: In allen Zellen eines vielzelligen Organismus exprimierten Proteine Haushaltsgen: Nicht-regulierte Gen (für Haushaltsproteine), wird unabhängig von Zelltyp, Zellstadium und äußeren Einflüssen exprimiert Andere Gene: Zelltypspezifisch (z.B. Hämoglobin) -> of nur in geringer Menge exprimiert Hauptkontrollpunkt: Transkription von DNA in RNA, aber auch viele andere Menge von RNA bestimmt zumeist Menge von Protein in einer Zelle

Kombinatorische Kontrolle der Genregulation 

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Transkriptionsfaktoren: Proteine, die an genregulatorische Sequenzen (z.B. der Promoter) binden und die Transkription aktivieren/hemmen. Ermöglichen Zelle, Gene an- oder abzuschalten. Aktivator: Transkriptionsfaktor, der die Bindung der RNA-Polymerase fördert Repressor: Transkriptionsfaktor, der die Bindung der RNA-Polymerase hemmt

-> Kombinatorische Kontrolle bestimmt wieviel RNA zur richtigen Zeit und in der richtigen Zelle exprimiert wird (Erklärung für die große Menge nichtkodierender DNA in Eukaryonten).

Promotor Abschnitt der DNA, der direkt vor dem Transkriptionsstart des jeweiligen Gens liegt und Information darüber enthält, wann und in welchem Zelltyp das jeweilige Gen exprimiert werden soll

TATA-Box    

DNA-Sequenz in der Promotorregion eines Gens Dient der Genregulation der Transkription Für Transkription muss Teil vor der codierenden Sequenz im Promotor bestimmte „Markierungen“ aufweisen. Sequenzen der TATA-Box sind genregulatorisch, dienen als Bindungspunkte für Genregulatorproteine, die Geschwindigkeit der Initiation der RNA-Polymerase beeinflussen

Epigenetische Fixierung Nach der Befruchtung teilt sich die Eizelle. Bis zum 8-Zell-Stadium sind alle Tochterzellen gleichwertig. Man bezeichnet sie als totipotent, weil jede von ihnen noch alleine in der Lage ist, einen kompletten Organismus hervorzubringen. Danach finden sich Zellen mit einem unterschiedlichen inneren Programm, deren Entwicklungspotenzial von nun an eingeschränkt – d. h. mehr und mehr spezialisiert – wird. Wenn der Körper fertig ausgebildet ist, sind die meisten Körperzellen für ihre Funktion fest programmiert (lediglich die sogenannten adulten Stammzellen bewahren sich eine gewisse Flexibilität). Dabei bleibt die Sequenz des Erbgutes unverändert (abgesehen von wenigen zufälligen, genetischen Veränderungen = Mutationen). Die funktionelle Festlegung erfolgt durch verschiedene Mechanismen, einer davon beruht auf biochemischen Modifikationen an einzelnen Basen der Sequenz oder der die DNA verpackenden Histone oder beiden. Solche Veränderungen führen dazu, dass bestimmte Bereiche des Erbgutes „stillgelegt“, andere dafür leichter transkribiert (in RNA für Proteine umgeschrieben) werden können.

Stress Granules Stress granules sind dichte Aggregationen im Cytosol aus Proteinen und RNAs. Tritt auf, wenn die Zelle unter Stress steht. Die gespeicherten RNA-Moleküle sind blockierte Translations-VorinitiationsKomplexe: gescheiterte Versuche, Protein aus mRNA herzustellen.

P-Bodies Die processing bodies (P-bodies) Abgegrenzte Strukturen (Aggregate), bestehend aus Enzymen, die im mRNA-Abbau eine wichtige Rolle spielen. Da in P-bodies mRNAs festgehalten werden, können sie so der Translations-Maschinerie entzogen werden.

Gen Silencing Das Gen-Silencing ist ein Vorgang, bei dem die Genexpression gemindert wird. Beim Gen-Silencing erfolgt die Genregulation durch eine Hemmung der Übertragung (Transkription) einer genetischen Information von der DNA auf die mRNA (transkriptionelles Gen-Silencing) oder der nachfolgenden Übersetzung (Translation) der auf der mRNA gespeicherten Information in ein Protein (posttranskriptionelles Gen-Silencing).

miRNA  

microRNA (miRNA) sind kurze, nichtcodierende RNAs, die eine wichtige Rolle in dem komplexen Netzwerk der Genregulation, insbesondere beim Gen-Silencing spielen. Regulation der Stabilität und Translationsrate der mRNA

Heterochromatisierung Heterochromatisierung, die zeitlich begrenzte oder dauerhafe Umwandlung von Euchromatin in Heterochromatin, wie sie z.B. bei der Inaktivierung des väterlichen Chromosomensatzes in männlichen Schildläusen oder bei der Bildung der Barr-Körperchen in weiblichen Säugerzellen stattfindet.  

Chromosomenabschnitte oder ganze Chromosomen können durch Heterochromatisierung inaktiviert werden. Inaktivierung eines der beiden X-Chromosomen im weiblichen Säuger.

Geschlechtschromosomen (Gonosomen) Barr-Körperchen: Das Barr-Körperchen tritt bei Frauen auf. Es handelt sich um ein weitgehend inaktives X-Chromosom, das heterochromatinisiert ist und dadurch nachweisbar wird (XInaktivierung). Frauen besitzen normalerweise zwei X-Chromosomen, von denen eines inaktiviert wird und dann in vielen Zellen als Barr-Körperchen nachweisbar ist. Männer haben neben dem YChromosom nur ein X-Chromosom und daher kein Barr-Körperchen. Bei dem XY-System besitzen Weibchen zweimal das gleiche Geschlechtschromosom, nämlich zwei XChromosomen. Sie sind daher bezüglich der Gonosomen homozygot. Männchen haben dagegen ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom. Diesen Zustand nennt man hemizygot. Von der Mutter wird also immer ein X-Chromosom weitergegeben, vom Vater entweder ein X- oder ein Y-Chromosom. Alle anderen Chromosomen, die Autosomen, sind in jeweils zwei Kopien vorhanden. Während die Weibchen der Säugetiere zwei X-Chromosomen haben, haben die Männchen wie soeben beschrieben nur je ein X- und ein Y-Chromosom, sie sind hemizygot. Dies führt dazu, dass bei einem Gendefekt auf dem einzigen vorhandenen X-Chromosom dieser nicht wie bei den Weibchen durch eine funktionierende Kopie auf dem anderen Chromosom aufgefangen werden kann. Daher gibt es beim Menschen eine Reihe von Erbkrankheiten, die praktisch nur bei Männern aufreten. Die bekanntesten Beispiele sind eine Form der Bluterkrankheit, die Duchenne-Muskeldystrophie und die Rot-GrünBlindheit.

Katzenbeispiel Das schwarz-rote Schildpattmuster bei manchen weiblichen Katzen wird durch X-Inaktivierung verursacht: Das verantwortliche Gen liegt auf dem XChromosom und kommt in verschiedenen Ausprägungen (Allelen) vor. Je nachdem welches X-Chromosom in den entsprechenden Zellen aktiv ist, tritt entweder die rote oder die schwarze Fellfarbe auf. Da die zufällige Auswahl

des inaktivierten X-Chromosoms in der frühen Embryonalentwicklung erfolgt und dann an alle Tochterzellen weitergegeben wird, entstehen Fellflecken mit gleichartiger Färbung....