RNA

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RNAs
Eine neue RNA-Welt
Uralte RNA-Welt
Am Anfang der Entstehung des
Lebens
Bekannte RNA-Welt
Protein-Synthese
Neue RNA-Welt
Regulatorische RNA-Moleküle
1.
2.
Eine neue RNA-Welt
die Anzahl der nicht-kodierenden RNAs nimmt exponentiell zu
(1) Regulatorische Funktion der nichtkodierenden-RNAs
(2) Mindestens 85% des menschlichen Genoms Transkriptionell aktiv ist
(3) Multigenisch Transkription, ein RNA mit mehreren Gene
(4) ~70% der menschlichen Gene werden bidirektionell transkribiert
(5) Konservative, langsam veränderliche RNA-Gene
A Zellen nicht mehr als Protein-, sondern RNAMaschienen interpretiert werden können
Uralte RNA-Welt
RNA
Nucleotide
Ribozym-katalysierte RNA Replikation
3.
4.
Das Henne und Ei Paradoxon
RNA-Autokatalyse ermöglichte RNA als Doppelfunktion-Träger zu sein: Genetisches
Material und Enzym für selbst-Reproduktion gleichzeitig
Informationsträger DNA ist, DNA-Replikation ermöglichen Enzyme
Evolution in einem Schritt: RNA
RNA-Welt-Hypothese
Carl Woese
Alexander Rich
RNA und DNA
5
6
ATP
6.
Typen von RNAs
RNA Typen
Nicht
kodierende
RNA
Kodierende
RNA
ProteinSynthese
mRNA
Genetische
Regulation
rRNA
Proteinsynthese
RNA Reifung
tRNA
Export
DNA Synthese
Kontroll von
Transposonen
Enzym*
Die RNA von Proteinsynthese
RNA -Typen
Nicht kodierende
Kodierende
Proteinsynthese
mRNA

Protein
synthese
rRNA
tRNA
7.
8.
mRNA, tRNA, rRNA in der
Proteinsynthese
Boten-RNA
Prokaryonten
Eukaryonten
Prokaryonten:
Transkription und Translation laufen zeitlich-räumlich gekoppelt
Instabilität: Die Durchschnittlebenszeit der prokaryontischen botenRNAs ist 1-3 Min.
Polycistronische boten-RNAs (Operon-Modell).
Eukaryonten:
Allgemein, die eukaryontischen Gene bilden kein Operon, werden einzelln
transkribiert
Primärtranskripte werden gebildet, die durch Kappung, Spleissen und
Polyadenylierung reifen
9.
Ribosomale (r)RNA
•Beteiligt sich - zusammen mit Proteinen – in dem Struktur des Ribosoms
• einzelsträngige, manchmal von selbst eine Basenpaare bildet
• der Tertiärstruktur wird von Proteinen, die mit ihm verbunden sind gebildet
•Molekül hat eine komplizierte Sekundär- und Tertiärstruktur
Eukaryotische ribosomale RNAs:
Mitochondrien: 12S, 16S
Citoplazma:
- Grössere Einheit: 28S, 5.8S, 5S
- Kleine Einheit: 18S
16S RNA
Ribosom
10.
Adaptor/ (t)RNA
11.
Akzeptor Arm
Francis Crick:
Adaptor -Hypotese
• freien Aminosäuren führt zu den Ribosomen >>transfer
• Länge: zwischen 60 und 95 Nucleotiden

T(CG) Schleife
D -Schleife
Variabel Schleife
Antikodon Arm
• einzelsträngig, aber an einigen Stellen bildet sich
Basenpaare mit selbst: Kleeblatt Sekundärstruktur
Ein Beispiel:tRNALeu
UUG
Leucil-tRNA Synthase
leucil-tRNALeu
UUG
• in dem eigenem Proteinsynthesesystem der Mitochondrien sind die Zahl:22 (39 fehlt)
• im menschlichen Genom: 516 tRNA in 49 Familien - 12 antikodon fehlt!
• Die Größe, Struktur, Teilen der tRNA:
"Akzeptor Arm", am 3’-Ende die CCA-Sequenz
"Antikodon Arm,„ in ihrem Schleife
D-Schleife und T(ΨCG)-Schleife
Viele enthalten modifizierte Basen, die nach der Transkription gebildet werden
S
c
h
l
o
t
t
r
i
g
/
w
o
b
b
l
e
12.
Die Elemente der Translationsmaschinerie: tRNAs (Adaptermoleküle)
- Transfer RNA (tRNA)
- Länge: zwischen 65 und 95 Nucleotiden
- Jede tRNA bindet mit ihrem einen Ende an ein bestimmtes Codon in der mRNA
und mit dem anderen an die Aminosäure, die diesem Codon entspricht
- Bindung mit dem Codon erfolgt durch das Anticodon, eine Sequenz der tRNA
aus drei Nucleotiden die komplementär zu dem ebenfalls drei Nucleotide langen
Codon im mRNA-Molekül ist
- Durch die Basenpaarung zwischen Codon und Anticodon kann jede Aminosäure
so in die wachsende Proteinkette eingefügt werden, wie es die Nucleotidsequenz
der mRNA verlangt
- Jede tRNA kann nur eine der 20 an der Proteinsynthese beteiligten Aminosäuren
aufnehmen, tRNAs sind spezifisch (tRNALeu, tRNASer, usw.)
- Jeder der 20 Aminosäuren entspricht mindestens eine tRNA, oft sind es aber auch
mehrere
1.
Eine Neue RNA-Welt
Nicht kodierende RNA: Der größere Teil des
Genoms wird transkribiert
Funktion ist kaum bekannt
Nichtkodierende-RNAs
Ribozyme: Überreste der RNA-Urwelt
Spliceosomale snRNA
Nicht-Spliceosomale snRNA
Klein nucleolare RNA
Klein Cajal-Körper RNAs
Micro RNAs (miRNAs)
Endogene klein interferierende RNA
Überlappende RNAs
HAR
11.
12.
Nicht kodierende
RNA
Nicht kodierende RNA– 3-6
DNA
Synthese
TERC
Y RNS
Export
Rnase MRP
7SL RNS
Transzpozon
kontroll
piRNS
Endo-siRNS
Enzym
Funktion
Ribosim*
Ribozyme: Überreste der
RNA-Urwelt?
13.
Hammerkopfribozym
Funktion:
1. spalten eigene Phosphodiesterbindungen oder die selben Bindungen anderer RNAs
2. Peptidyltransferase-Aktivität der Ribosomen
3. spleissen eigener Intronsequenzen autokatalytisch
Ribozym
RNA
Spalten
gespaltene RNAs
14.
Kleine Kern-RNAs
(snRNAs)
U7
(1) Spliceosomale snRNA
9 RNA (106-186 Nt)- 5: Grosspliceosom
- 4: Kleinspliceosom
(U1, U2, U4, U5, U6): GU-AG Intronen (U1: 16 gén, U6: 46 gén
(U4atac, U6atac, U11, U12) : AU-AC intronok
(2) Nicht-Spliceosomale snRNA-Gene
Die U7 snRNA modifiziert 3’ Ende der Histongene; die 7SK RNA negativ Regulator der PolII pTEFn
Elongationsfaktor ist; die Y RNA-Familie besteht aus 3 Moleküle, die die DNA-Replikation und Zellteilung
regulieren.
(3) Klein nucleolare RNA
chemische Modifizierung der rRNA
(4) Klein Cajal-Körper RNAs
modifizieren die spliceosomale snRNAs chemisch
4.
Antisense RNAs
1. trans-antisense RNAs (nicht perfekte-Homologie): micro-RNAs
2. cis-antisense RNAs (vollkommene Homologie): overlapping (überlappende) -RNAs
antisense RNAs
cis
trans
DNA
Gen
Cis Position:
nah (Überlappung) zum Zielgen
Trans Position: weit vom Zielgen
Antisense RNAs
Natürlich gebildete Antisense-Transkripte (natürliche Antisense transcrips; NATS)
Trans-antisense RNAs
- Micro RNAs (miRNAs) kontrolliert bedeutende Teile von Genen:
1 miRNA  mehrere Gene; 1 Gen  mehrere miRNA
Cis-antisense RNAs
- Ein bedeutendes Anteil von Genen wird von überlappende antisense RNAs
kontrolliert
5.
Mikro RNAs
13.
55.
14.
Micro RNAs
(trans-antisense RNAs)
Gary Ruvkun
Victor Ambros
Nukleus
pre-miRNA
Transkription Drosha
1
3
2
exportin-5
4
pri-miRNA
DICER
Blockiert mRNA
RISC
5
Reife miRNA
Entdeckt in 2000
Lin-4 Gen
15.
Die Mechanismen der miRNA Aktivität
pre-miRNA
miRNA
degradation
translation block
Die Funktion von miRNAs: - Ontogenese (timing Zeiteinteilung), Apoptose,
Zellproliferation, Onkogenese
Endogene klein interferierende RNA (siRNA)
Dicer
16.
doppelsträngige RNA
siRNAs
(21-23 Basen paare)
RISC
Helicase
Slicer
RNase
RISC* (aktiviert)
mRNA
siRNA: small interfering RNA
RISC: RNAi silencing complex
RISC*: activated RISC
Slicer: es schneidet mRNA
RNase: Ribonuclease
Endogen siRNAs
Zellkern
RNA
Duplikation
Retrotransposition
Duplikation und
Inversion
ZYTOPLASMA
mRNA
Antisense Transkript
Haarnadel
Dicer
siRNS
RISC
mRNA Schneidung
si: small interfering; kleine interferierende
Piwi-Protein-wechselwirkende RNAs (piRNAs)
(A) DETEKtIERUNG
primerpiRNAs
sense
Transposon
antisense
Transposon
piRNA-Cluster
(B) AMPLIFIZIERUNG
Piwiprotein
TansposonTranskript
Geschnittene TansposonTranskript
piRNA-Cluster-Transkript
DNA-METHYLIERUNG
(C) REPRESSZIÓ
HISTON-MODIFIZIERUNG
(METHYLIERUNG)
17.
Überlappende RNAs
mRNA
mRNA 5’
Überlappende
RNAs
(cis-antisense RNAs)
3’
3’
5’
5’
3’
DNADNA
8.
18.
3’
3’
5’5’
3’
3’
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
5’
Kodierende DNA Strang
Nicht kodierende
DNA Strang
(antisense)
5’
3’
5’
Überlappende RNAs
19.
(cis-antisense RNAs)
FUNCTION
1. Das Blockieren der Translationsverlängerung
5’
3’
3’
5’
Ribosom
2. Blockieren der Translationsinitiation
5’
3’
5’
3’
3. RNA interferencie (?)
RNase
5’
3’
RISC
RNase
3’
5’
HAR
- Die Nichtcodierende RNAs machte uns Menschen?
Human Accelerated Regions
(Menschliche Beschleunigte Gebiete)
-49 HARs – Evolutionsmäßig konserviert in Wirbeltieren,
aber schnell geändert im Menschen, 12 von den werden im
Gehirn expressiert
49 "human accelerated regions" (HAR), die beim Menschen eine besonders
schnelle Veränderung erfuhren im Vergleich zur Schimpansen-Sequenz.
Es spielt eine Rolle in der Entwicklung des Kortexes des Gehirns
(expressiert in der 7-17th Tragezeit)
HAR1
118 bp DNA stretch: 2 bp Unterschied zwischen Huhn und
Schimpansen, aber 18 bp Unterschied zwischen Schimpansen und
Menschen
20.
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