Genregulation bei Eukaryoten

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1 Genregulation bei Eukaryoten

2 1. Allgemeines über Genregulation 2. Aufbau der DNA 3. Enhancer 4. Aktivierung und Repression 5. 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

3 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

4 2. Aufbau der DNA DNA besteht aus Histonen und bp je vier Histon- Dimeren bilden ein octameres, scheibenförmiges Nucleosomencore -Partikel die Verbindungs- DNA zwischen den Nucleosomen ist in der Regel bp lang und mit dem Histon H1 assoziiert

5 Histone

6 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

7 Spielt die Chromatinstruktur eine Rolle für die Regulation der Genexpression? 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

8 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.

9 3. Enhancer DNA-Sequenzen, die keine Promotoraktivität besitzen Steigern die Aktivität vieler Promotor bei Eukaryonten 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 Die Modifikation der DNA ist ein Mechanismus, mit dem die Genexpression in bestimmten Zelltypen spezifisch unterdrückt werden kann.

10 4. Aktivierung und Repression 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

11 5. System, das Östrogene wahrnimmt und auf sie anspricht 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 damit kann spezifisch die Expression einzelner Gene beeinflusst werden werden als Zellkernhormonrezeptoren bezeichnet

12 Zellkernhormonrezeptor Domänen 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

13 Bindung des Liganden an einen Zellkernhormonrezeptor

14 Coaktivatoren 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 Jedes Coaktivatorprotein enthält in seiner Mitte in einem Abschnitt aus 200 AS drei Sequenzen der Form Leu-X-X- Leu Leu, bilden kurze α-helices, die an einem hydrophoben Abschnitt auf der Oberfläche der Ligandenbindungsdomäne eines Zellkernhormonrezeptors binden

15 Struktur eines Coaktivators

16 - 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

17 6. Steroidhormonrezeptoren sind Angriffspunkte für Medikamente Agonisten : Wirkstoffe, die an Rezeptor binden und Signaltransduktionsweg 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

18 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.

19 Komplex aus Östrogenrezeptor und Tamoxifen

20 7. Welche Folge hat die Acetylierung der Histone? 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

21 8. Repression der Transkription ( am Beispiel von Adrenalin ) Bindung von Adrenalin an Membranrezeptor führt über Phosphorylierungskaskade zur Deacetylierung des Lysin Regulation der Transkription

22 9. Regulation der Transkription bei Bakterien 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

23 DNA besteht aus Histonen und bp je vier Histon- Dimeren bilden ein octameres, scheibenförmiges Nucleosomencore -Partikel die Verbindungs- DNA zwischen den Nucleosomen ist in der Regel bp lang und mit dem Histon H1 assoziiert

24 Zusammenfassung Welche Regulationsmöglichkeiten gibt es: Welche Regulationsmöglichkeiten gibt es: 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

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