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Das Zentrale Dogma des Lebens QuickTime™ and a Cinepak decompressor are needed to see this picture. Die Expression der genetischen Information eines Gen-Abschnitts auf der DNA ist immer mit der Synthese eines RNA-Moleküls gekoppelt (Ribonucleic Acid) QuickTime™ and a Cinepak decompressor are needed to see this picture. RNA-Struktur RNA-Spleißen RNA-Synthese RNA-Turnover 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 DNA RNA RNA-Struktur > in der Regel einzelsträngig (v.a. mRNA) > doppelsträngige Abschnitte (stem loop;hairpin) sind möglich (tRNA, rRNA, miRNA) QuickTime™ and a MPEG-4 Video decompressor are needed to see this picture. Die Biochemie der RNA-Transkription Ribonucleosid-5‘-Triphosphate ATP, CTP, GTP, TTP sind die aktivierten Vorstufen bei der RNA-Synthese (NMP)n + NTP RNA-Polymerase (NMP)n+1 + PPi RNA-Polymerasen besitzen eine 5‘>3‘ Polymerase-Aktivität und benötigen keinen Primer zum Start 3‘ 5' 3' A A T C G A T 5‘ A G A A C 3‘ A TG RNA-Polymerase T AC G T TC TAT C GA TT 5‘ Die Biochemie der RNA-Kettenverlängerung Wie werden die Ribonucleotid-Bausteine in die RNA eingebaut? Neu-eintretendes Ribonucleotid-Triphosphat o 5‘ > 3‘ Verknüpfung Nukleophiler Angriff (Phospho-Diester-Brücken) der 3‘-OH Gruppe o 5‘-Ende mit Phosphat-Gruppe am a-Phosphoatom o 3‘-Ende mit freier OH-Gruppe O + RNA-Polymerase neuer RNA-Strang DNA-Matritze 5‘ Ribonucleotid-Triphosphate Transkriptionsgeschwindigkeit ca. 50 Nukleotide pro sec 3‘ Richtung der Transkription RNA-Polymerase kann zwischen (+) und (-) Strang unterscheiden 3‘ 3‘ 3‘ 5‘ DNA-Nichtmatritzenstrang (+) (Sinnstrang, kodierender Strang) mRNA-Transkript DNA-Matritzenstrang (-) Codogener Strang Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung QuickTime™ and a Cinepak decompressor are needed to see this picture. Die RNA-Transkription beginnt an spezifischen PromoterStellen auf der DNA auf dem E. coli Chromosom befinden sich ca. 2000 Gene, wobei es einige hunderte Startstellen Ein Gen, das von der RNA-Polymerase abgeschrieben (= transcribiert) wird besteht (Promotoren) für die RNA-Polymerase gibt (Operons) aus: Promoter (P) = Startstelle die RNA-Polymerase das1. menschliche Genom hat ca. 25.für 000 Gene , entsprechend mehr Promotoren auf den Chromosomen gibt es es ist die Zelle möglich, Promotoren regulieren (an- bzw. abzuschalten). 2. für ORF = “open reading frame“ zu (offener Leseraster), was dem DNA-Abschnitt >> regulierte Genexpression der für das entsprechende Protein kodiert entspricht, Regulierte Genexpression ist essentiell für die Differenzierung von Zellen oder im Zellzyklus 3. Terminations-Sequenzen (T) für die Beendigung der Transkription Bei Mißregulation > Krankheits-Entstehung (Krebs; siehe „Transkriptions-Faktoren“) Gen 1 Gen2 DNA P1 RNA-Transkripte ORF 1 5‘ AUG 5’-UTR RNA (1) T1 UAA 3‘ 3’-UTR P2 5‘ AUG ORF 2 T2 UGA RNA (2) 3‘ RNA-Polymerase Holoenzym a b‘ b Promoter a Sigma-Untereinheit hat eine wichtige Rolle beim Erkennen der Promotoren RNA-Polymerase bindet lose an den Promoter und bildet -35 “geschlossenen“ Komplex Entlangwandern an der DNA RNA-Polymerase bindet noch fester an den Promoter, wandert zu -10 und die DNA wird entwunden, um den “offenen“ Komplex zu bilden. >> RNA-Synthese beginnt Purin-Nukleotid Triphosphat DNA-Matrizenstrang Sigma-Untereinheit wird freigesetzt, sobald die RNA-Polymerase mit der Transkription beginnt AUCC... RNA Aufbau eines E. coli Promoters 2 wiederkehrende Motive Consensus-Sequenz +1 Stelle Promotoren für: -35 Region -10 Region (Pribnow-Box) Initiation UUGUGAGCGG… mRNA > je stärker ein Promoter ist, desto ähnlicher ist die -35/-10 Sequenz RNA-Polymerase 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 synthetisiert E. coli hat nur 1 RNA-Polymerase für die verschiedenen Transkripte Mensch hat RNA-Polymerase I, II und III (Pol I, II, III) mit speziellen Aufgaben Hemmung durch a-Amanitin Typ Lokalisation zelluläre Transkripte 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 a-Amanitin, das Gift des Knollenblätterpilzes (zyklisches Oktapeptid), blockiert die 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 I II III b‘ und b-ähnliche Untereinheiten a-ähnliche Untereinheiten gemeinsame Untereinheiten Pol-spezifische Untereinheiten Prokaryont Promoter Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-Bindung TranskriptionsStart Codierende Sequenz DNA Eukaryont Promoter RNA-Polymerase TranskriptionsStart GC GC-Box DNA Promotoren von eukaryontischen Genen enthalten TATA-Box und zusätzliche 5‘-stromaufwärts liegende DNA-Sequenzen, die für die Bindung der RNA-Polymerasen benötigt werden Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-Bindung Prokaryont -25 Box (TATA-Box) kommt in nahezu allen eukaryontischen Promotorenvor Promoter verantwortlich für die Transription durch Pol II Transkriptions Mutationen in der TATA-Box hemmen die Promoter-Aktivität und mRNA-Transkription Start TATA-Box notwendig für Promoter-Aktivität (TATA-bindenes Protein) > Zusätzliche Elemente: CAAT-Box und GC-Box zwischen -110 und -40 DNA Eukaryont Promoter RNA-Polymerase TranskriptionsStart GC GC-Box DNA Codierende Sequenz Die RNA-Polymerase benötigt zahlreiche Basal-Transkriptionsfatoren, die an die TATA-Box binden: die TFII-Faktoren QuickTime™ and a MPEG-4 Video decompressor are needed to see this picture. TATA Bindendes Protein Die Wirkung von Transkriptionsaktivatoren > Transkriptionsaktivatoren binden an DNA-Elemente, die mehr als 100 Basenpaare von 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 TranskriptionsFaktor von 60 kDa, der spezifisch die CAATBox erkennt Verschiedene Struktur-Motife von Transkriptionsfaktoren Zink-Finger Helix-Turn-Helix Zink-Ionen Finger Große Furche DNA-bindende Helices Helix-Loop-Helix Leucin Zipper Helix Leucine Loop DNA-bindende Helix DNA-bindende Helix Homeodomain-Proteine gehören zur Familie der “HelixTurn-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 QuickTime™ and a MPEG-4 Video decompressor are needed to see this picture. Vorgänge beim Übergang zur Elongationsphase der Transkription CTD Übergang: Initiation > Elongation Phosphorylierung des C-terminalen repetitiven Heptapeptides (CTD) der RNA-Polymerase II > Loslösung der Transkriptions-Faktoren QuickTime™ and a Sorenson Video 3 decompressor are needed to see this picture. Transkription vom Chromatin Aktivator DNA um das Nukleosom gewunden Promoter und ORF “Chromatin-Remodeling Factor“ Nukleosom wird vom Promoter verdrängt mRNA Bindung und Wanderung der Transkriptions-Maschinerie Hepatozyten-spezifische Genexpression Leber-spezifisch ubiquitär Leberspezifisch ubiquitär ubiquitär Aktivatoren Transcriptosome (molekulare Maschine) Leber-spezifische Gen-Expression durch Hepatozyten-spezifische bzw. Intestinalzellen-spezifischeTranskriptionsfaktoren QuickTime™ and a Animation decompressor are needed to see this picture. Glucose-6Phosphatase Adrenalin (Epinephrin)-induzierte Gen-Expression von Gluconeogenese-Enzymen in Leberzellen Fructose-1,6Bisphosphatase Transcriptionsfaktor PEPCarboxykinase DNA Pyruvatcarboxylase CREB = cAMP responsive element binding protein Glucose-6Phosphatase Epinephrin (Adrenalin)-induzierte Gen-Expression von Gluconeogenese-Enzymen in Leberzellen Fructose-1,6Bisphosphatase QuickTime™ and a Animation decompressor are needed to see this picture. PEPCarboxykinase Pyruvatcarboxylase Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung Welche Aussage zu Promotoren trifft z u? (A) Sie steue rn un mitt elbar die Translation von Genen (B) Sie werden transk ribiert. (C) Sie enth alten eine Ribosomen- Bindungs stelle . (D) Sie legen den Startort der Transkription fest. (E) Sie sind au f einem Exon lokalisi ert.
