Genregulation bei Eukaryoten

Genregulation bei
Eukaryoten
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Allgemeines über Genregulation
Aufbau der DNA
Enhancer
Aktivierung und Repression
System, das Östrogene wahrnimmt und auf sie anspricht
- DNA- Bindungsdomäne
- Ligandenbindungs- Domänen
- Coaktivatoren
6. Steroidhormonrezeptoren als Angriffspunkte für
Medikamente
7. Acetylierung der Histone
8. Repression der Transkription
9. Regulation der Transkription bei Bakterien
10. Eisen als Regulationsfaktor bei Eukaryonten
1. Allgemeines über Genregulation
Die Genregulation bei Eukaryonten ist komplizierter als bei
Prokaryonten aus den folgenden Gründen:
 das Genom, welches reguliert werden muß, ist bedeutend größer
 so besitzt das E.coli nur ein einzelnes ringförmiges Chromosom mit
4,6 Mb, welches rund 2000 Proteine codiert
 in einer menschlichen Zelle verteilt sich das Genom auf 23
Chromosomenpaare, wobei die Größe der Chromosomen von 50 bis
250 Mb reicht
 es gibt verschieden Zelltypen bei höheren Organismen (das
bedeutet verschieden stark exprimierte Gene in den jeweiligen
Zellen)
 eukaryotische Gene sind in der Regel nicht in Operons organisiert
 Transkription und Translation sind nicht gekoppelt
2. Aufbau der DNA
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DNA besteht aus
Histonen und bp
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je vier HistonDimeren bilden ein
octameres,
scheibenförmiges
Nucleosomencore
-Partikel
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die VerbindungsDNA zwischen den
Nucleosomen ist in
der Regel 50- 60 bp
lang und mit dem
Histon H1 assoziiert
Histone
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jedes Histon besitzt an seinem Aminoende einen
Schwanz, der aus der Core-Struktur herausragt;
wichtig für Affinität der Histone zur DNA
Nucleosomen bilden sich bevorzugt an
bestimmten Stellen der DNA
Histon H1 „ verschließt“ Nucleosom an der Stelle,
wo die Verbindungs-DNA in es eintritt und verlässt
die Windung der DNA verringert ihre
Längsabmessungen, trägt so zu ihrer Verpackung
bei
zusätzlich bilden die Nucleosomen spiralförmige
Anordnungen, welche noch zu Schleifen
zusammen gefasst werden
Spielt die Chromatinstruktur eine Rolle
für die Regulation der Genexpression?
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hypersensitive Stellen in DNA können
leichter von Enzymen angegriffen werden
Diese entsprechen Bereichen, in den
Nucleosomen entweder ganz fehlen oder in
einer veränderten Konformation vorliegen
hypersensitiven Stellen sind
zelltypspezifisch; werden
entwicklungsbedingt reguliert
Lockerung der Chromatinstruktur ist eine
Vorrausetzung für die Genexpression
Bindungsstelle für GAL4
Bsp: In der Hefe
gibt es rund 4000
potenzielle
Bindungsstellen für
GAL4. Im
Experiment fand
man heraus, dass
nur 10 davon Gene
regulieren.
3. Enhancer
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DNA-Sequenzen, die keine Promotoraktivität besitzen
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Steigern die Aktivität vieler Promotor bei Eukaryonten
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In vielen Fällen beeinflussen solche DNA-bindenden
Proteine die Initiation der Transkription, indem sie räumlich
begrenzt die Chromatinstruktur stören und so ein Gen oder
seine Regulationsstelle freilegen
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Die Modifikation der DNA ist ein Mechanismus, mit dem die
Genexpression in bestimmten Zelltypen spezifisch
unterdrückt werden kann.
4. Aktivierung und Repression
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Protein-Protein-Wechselwirkungen spielen bei der
Genregulation der Eukaryonten die beherrschende Rolle
Transkriptionsfaktoren haben bei den Eukaryonten alleine
nur in seltenen Fällen Auswirkungen auf die Transkription
Jeder Faktor zieht andere Proteine heran, sodass große
Komplexe entstehen, die mit dem Transkriptionsapparat in
WW treten und so die Transkription aktivieren oder
unterdrücken
Vorteil dieser Regulation: ein einzelnes Regulationsprotein
kann unterschiedliche Wirkungen entfalten, je nachdem
was für andere Proteine in derselben Zelle vorhanden sind
= kombinatorische Kontrolle
5. System, das Östrogene wahrnimmt
und auf sie anspricht
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Östrogene sind hydrophobe Moleküle
diffundieren durch Zellmembran
heften sich dort an hochspezifische, lösliche Rezeptorproteine
Wirkmechanismus ist bei all diesen Rezeptoren ähnlich:
Ligand bindet an den Rezeptor,
Komplex bildet sich aus Ligand und Rezeptor,
Komplex heftet sich an Kontrollelemente in der DNA
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damit kann spezifisch die Expression einzelner Gene
beeinflusst werden
 werden als Zellkernhormonrezeptoren bezeichnet
Zellkernhormonrezeptor Domänen
DNA-Bindungsdomäne;
DNA-Bindungsdomäne
binden an
sogenannte Cis-Elemente der DNA
Enhancer sorgt für die
sequenzspezifische Aktivität des
Rezeptors an der DNA
Acht der neun Cysteinreste sind
konserviert, weil sie Zinkionen
binden, welche die Struktur
stabilisieren; ohne sie entfaltet sich
die Proteinkette
Zinkfingerdomänen
Ligandenbinduns-Domänen
enthalten im Aufbau sehr
unterschiedliche Elementen
In Experimenten mit gereinigten
Zellkernhormonrezeptoren stellte
sich heraus, das die Affinität und
Spezifität der DNA-Bindung, durch
Anheftung des Liganden, sich nicht
nennenswert verändern
Bindung des Liganden an einen
Zellkernhormonrezeptor
Coaktivatoren
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sind Proteine die sich nur dann mit dem Rezeptor
zusammenlagern, wenn der Ligand vorhanden ist; Bsp.
dafür sind SRC-1, GRIP-1 und NcoA-1
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Jedes Coaktivatorprotein enthält in seiner Mitte in einem
Abschnitt aus 200 AS drei Sequenzen der Form Leu-X-XLeu–Leu, bilden kurze α-Helices, die an einem
hydrophoben Abschnitt auf der Oberfläche der
Ligandenbindungsdomäne eines Zellkernhormonrezeptors
binden
Struktur eines
Coaktivators
- Manche Proteine aus der Familie der Zellkernhormonrezeptoren
unterdrücken die Transkription, solange Ligand nicht vorhanden
ist
 Repressoreffekt
- wird durch die Ligandenbindungsdomäne verursacht
- Solange Ligand fehlt, verbinden sich die Ligandenbindungsdomänen dieser Rezeptoren mit Corepressorproteinen
- Corepressoren binden an eine Stelle, die mit der Bindungsstelle
für Coaktivatoren überlappt
- Dockt sich Ligand an, bewirkt er die Loslösung des Corepressors
Ligandenbindungsdomäne wird frei kann Coaktivator binden
6. Steroidhormonrezeptoren sind
Angriffspunkte für Medikamente
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Agonisten : Wirkstoffe, die an Rezeptor binden und Signal-
transduktionsweg in Gang setzen
Übermäßige Anwendung von Agonisten zur Stimulation des
Muskelaufbaus (anabole Steroide) rufen Nebenwirkungen hervor:
Mann:
- verminderte Ausschüttung von Testosteron
- Hodenatrophie
- Brustvergrößerung (Gynäkomastie)
Frau:
- Ausbleiben des Eisprungs
- verminderten Östrogenausschüttung
- Rückbildung der weiblichen Brust
- Wachstum der Gesichtsbehaarung
Antagonisten:
binden an Zellkernhormonrezeptoren, ohne eine
Signalübertragungsweg zu erzeugen
z.B.: Antagonisten , die auf den Östrogenrezeptor zielen, wie
Tamoxifen und Raloxifen
Tamoxifen bindet an die gleiche Stelle wie das Östradiol, besitzt
aber chem. Gruppen, die sich bis in die ligandenbindende
Vertiefung erstrecken
Blockierung der Bindung von Coaktivatoren und damit auch der
Aktivierung der Genexpression.
Komplex aus Östrogenrezeptor und
Tamoxifen
7. Welche Folge hat die Acetylierung
der Histone?
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Aminogruppe des Lysins wird durch Acetylierung zum
Amid  Verringerung der Affinität des gesamten
Histonkomplexes zur DNA; dadurch Auflockerung der
Bindung und Freilegung zusätzlicher DNA-Abschnitte
acetylierten Lysinreste treten mit einer spezifischen
Acetyllysin-Bindungsdomäne in WW ( Bromodomäne)
Proteine mit Bromodomänen sind Bestandteile von zwei
großen Komplexen (z.B. TATA-Box-Bindeprotein), die für
die Transkription unentbehrlich sind
Die Acetylierung der Histone aktiviert die Transkription
über insgesamt drei Mechanismen:
1. Affinität der Histone für die DNA vermindert sich
2. weitere Bestandteile des Transkriptionsapparates werden
hinzugezogen
3. die aktive Umformung der Chromatinstruktur wird in Gang
gesetzt
8. Repression der Transkription
( am Beispiel von Adrenalin )
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Bindung von Adrenalin an Membranrezeptor führt über
Phosphorylierungskaskade zur Deacetylierung des Lysin
 Regulation der Transkription
9. Regulation der Transkription bei
Bakterien
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Bei Bakterien sind sogenannte Attenuatoren vorhanden
(RNA-Abschnitte die alternativ mehrere Strukturen
ausbilden)
sind ein elegantes Mittel, mit dem die Zelle die zur PBS
notwendige AS-Versorgung misst, z.B.: Tryptophan
Bei zu geringen Konzentrationen von trp wird die
Transkription nicht sinnvoll beendet, sondern bleibt
stehen; Ausbildung einer alternativen Struktur, die ein
Weiterlesen der Polymerase über den Attenuator hinaus
ermöglicht  nicht terminiertes Protein
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DNA besteht aus
Histonen und bp
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je vier HistonDimeren bilden ein
octameres,
scheibenförmiges
Nucleosomencore
-Partikel

die VerbindungsDNA zwischen den
Nucleosomen ist in
der Regel 50- 60 bp
lang und mit dem
Histon H1 assoziiert
Zusammenfassung
Welche Regulationsmöglichkeiten gibt es:
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Konzentration einer Substanz verändern (Eisen,
AS (Tryptophan))
über Coaktivatoren
über Rezeptorbindung kann die Transkription
verhindert werden (Adrenalin)
Acetylierung der Histone übt Aktivierung der
Transkription aus
Enhancer
Chromatinstruktur