prä-mRNA

Genaktivierung und Genexpression
Unter Genexpression versteht man ganz allgemein die Ausprägung des
Genotyps zum Phänotyp einer Zelle oder eines ganzen Organismus.
Genotyp: Gesamtheit der Informationen im Genom eines Organismus
Phänotyp: Gesamtheit aller Merkmale eines Organismus, d.h. dessen Erscheinung
Proteom: Gesamtheit aller Proteine eines Organismus
Die Genexpression ist ein hochgradig regulierter Vorgang
• Jede Zelle enthält jeweils das komplette Genom des Organismus
• Damit sich der Organismus „normal“ entwickeln und jede Zelle ihre spezielle
Funktion übernehmen kann, müssen bestimmte Proteine zum richtigen Zeitpunkt
und in den richtigen Zellen in der richtigen Menge synthetisiert werden
 Unterschied zur Replikation: Replikation funktioniert nach dem Prinzip
„Alles oder Nichts“
Genexpression ist hochgradig selektiv
Wiederholung: Proteinbiosynthese
Gen  TRANSKRIPTION (mRNA)  TRANSLATION (rRNA, tRNA)  Proteinmolekül
Regulierung der Genexpression
Die Regulierung kann an mehreren Stellen der
Proteinbiosynthese reguliert werden
-
vor der Transkription
während der Transkription
nach der Transkription, aber vor der Translation
während der Translation
nach der Translation
Sinn:
Gehirnzellen und Leberzellen enthalten jeweils die
identischen Gene. Trotzdem unterscheiden sie sich
massiv in ihrer phänotypischen Ausprägung
Die Zellen einer Raupe und die Zellen eines Schmetterlings
enthalten jeweils identische Gene. Trotzdem ist das
Proteom beider Entwicklungsformen völlig unterschiedlich
Bei der Genregulation wird festgelegt, in welcher Konzentration ein bestimmtes,
synthetisiertes Protein in der Zelle vorliegen soll.
 bei Prokaryonten (und z.T. auch Protozoen) : Umweltanpassung
 bei Eukaryonten : zur Zelldifferenzierung - Zellentwicklung
Die Genregulation gewährleistet , daß zum richtigen Zeitpunkt im richtigen Gewebe in
den richtigen Zellen nur die jeweils notwendigen Gene aktiviert werden.
Leberzellen
Epithelzellen
Stufen der Regulation der Genexpression
Gen-Deaktivierung durch Chromatin-Umstrukturierung
Durch „Verpackung“ der DNA können Gene
für die Transkription unzugänglich gemacht
werden.
Nukleosomen hemmen die Initiation der
Transkription  Chromatin-Modeling
Phasen der
Transkription
prä-mRNA
(RNA-Kopie des Gens)
Initiation der Transkription
RNA-Polymerase muß auf dem DNA-Strang positioniert werden (bestimmtes Gen). Dazu
ist ein Initiationskomplex notwendig, der den Anfangspunkt der Transkription determiniert.
TF - Transkriptionsfaktoren
ENHANCER
PROMOTOR
Im humanen Genom sind bisher etwa 775 verschiedene Promotoren bekannt.
Sigma-Faktor
TATA-Box
Anlagerung eines TATAbindenden Proteins (TBP)
und eines Initiationskomplexes
Ergänzung durch weitere
Komplexe, die u.a. auch eine
Helikase (TFIIH) enthalten
Anlagerung der RNA-Polymerase
Initiierung der Translation
und fortschreitende
Elongation
Abstoßen der I-Komplexe
Beispiel: Regulation durch
äußere Einflüsse
Pflanzenzelle:
Trockenheit wird signalisiert
 Exprimierung von speziellen
Streßproteinen
Die Gene, die diese Streßproteine
codieren, liegen nicht hintereinander
auf der DNA, sondern sind über das
gesamte Genom verteilt
SRE – stress response elements
Das Ergebnis der Transkription ist eine prä-mRNA, welche sowohl Exon- als auch
Intron-Sequenzen enthält. Zur Stabilisierung erfolgt ein Capping (5‘ -Ende) und ein
Tailing (3‘ -Ende).
Regulation nach der Transkription – Spleißen der prä-mRNA
Exon – codierend
Intron – nicht-codierend
Vorgang des Spleißens – Das Spleisosom
kleine nukleäre
RibonucleoproteinPartikel - snRNP
Das Ergebnis des
Spleißvorgangs
ist eine gereifte
mRNA, die über
die Kernporen in
das ER ausgeschleust wird
und dort als
Matrize für die
Translation dient,
wodurch ein
spezifisches
Proteinmolekül
entsteht.
Regulationsvorgänge im Spleisosom – alternatives Spleißen
Bei Säugetieren (und damit auch Menschen) wird das Protein Tropomyosin durch ein Gen mit
11 Exons codiert. Durch alternatives Spleißen können mRNA‘s für 5 verschiedene Formen des
Proteins erzeugt werden
 ALTERNATIVES SPLEISSEN
Editieren von mRNA
Die mRNA kann auch post-transitional durch spezielle Enzyme verändert werden, was
als RNA-Editing bezeichnet wird.
 Einfügen von Nucleotiden
 Verändern von Nucleotiden
Prinzip: enzymatische Umwandlung von Cytosin in Uracil
Hinzufügen von n U-Nucleotidfolgen
Regulation der mRNA-Translation
 Ziel: Eingrenzung der Konzentration bestimmter Proteine im Cytoplasma
Zwei Beispiele:
1. Modifizierung der Cap-Gruppe der mRNA – verhindert Translation
2. Eiweißkomplexe (z.B. Hämoglobin), die nicht abgesättigt sind (zu viele freie
Bestandteile, z.B. Häm, im Cytoplasma), können die Globulin-Translation
verstärken, bis die Häm-Konzentration wieder gesunken ist
Prä-translatorische Regulation der „Haltbarkeit“
synthetisierter Proteine
Werden Proteine durch „Anheften“ eines anderen, speziellen Proteins (Ubiquitin) markiert, dann
werden sie durch einen speziellen Proteinkomplex (Proteasom) gebunden und hydrolisiert.
Zusammenfassung
Die Regulation der Genexpression ist ein äußerst komplexer und genau determinierter
biochemischer Vorgang. Er stellt sicher, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur
die Proteine synthetisiert werden, welche die Eigenschaften (Phänotyp) der Zelle
bestimmen und die zu dem Zeitpunkt gerade funktionell benötigt werden (z.B. Herstellung
von Histon-Proteinen in der Phase vor der Zellteilung).
Gene, die in jeder Zelle exprimiert werden, nennt man Haushalter-Gene.
Die Regulation kann während der Transkriptionsphase, zwischen der Transkription und
der Translation und nach der Translation der Proteinbiosynthese stattfinden.
Beim Vorgang des alternativen Spleißens der prä-mRNA können aus einem Gen mRNA‘s
für eine große Anzahl ähnlicher Proteine entstehen.
Bei der Steuerung der Regulation spielen auch Signale, die von Außen über Rezeptoren
in der Zellmembran in die Zelle gelangen, eine wichtige Rolle.
Nächstes Mal: Signalübertragung und Kommunikation zwischen Zellen