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.
