Institut für Biochemie und Molekulare Medizin. Lecture 1 Translational components. Michael Altmann FS 2011

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1 Institut für Biochemie und Molekulare Medizin Lecture 1 Translational components Michael Altmann FS 2011

2 Gene Expression Fliessdiagramm der eukaryotischen Genexpression Die Expression eines Gens kann auf sehr verschiedenen Ebenen reguliert werden: Stabilität des DNS-Histonkomplexes Bildung des Initiationskomplexes der Transkription RNA-Prozessierung (vor allem Splicing), RNA-Export in das Cytoplasma Halbwertslebenszeit der RNA im Cytoplasma Effizienz der Translation (vor allem der Initiation) Posttraslationelle Modifikationen Proteinfaltung Halbwertslebenszeit der Proteinkette Die in der Regel signifikanteste Ebene der Regulation der Genexpression ist die Transkription, es können aber auch mehrere regulatorische Vorgänge gleichzeitig stattfinden, die eine Feinabstimmung der Aktivität eines bestimmten Genes zu einem gegebenen Zeitpunkt erlauben. Äussere Faktoren (Nahrungsmittel, Wachstumsfaktoren, etc.) und innere Bedingungen (Zellstadium, Differenzierung) bestimmen schlussendlich darüber, wieviel von einem bestimmten Genprodukt in jeder Zelle vorliegt. Aus: Genomes (2002), T.A. Brown

3 The number of proteins is much larger than the number of genes Auch wenn die Zahl der proteincodierenden menschlichen Gene auf ca beschränkt, ist die Gesamtzahl der daraus entstehenden Proteine (das Proteom) mindestens 40-50x grösser. Grund dafür sind posttranskriptionelle und posttranslationelle Modifikationen. Wichtigste posttranskriptionelle Modifikation: alternatives Splicing (zb. Exon1 wird nicht mit Exon2 sondern mit Exon3 fusioniert), das oft gewebe-spezifisch geschieht. Wichtigste posttranslationelle Modifikationen sind: - Limitierte Proteolyse (zb. bei der Aktivierung von pankreatischen Proteasen) - Chemische Modifikationen: es gibt mehr als 500 bekannte chemische Modifikationen von Proteinketten (zb. Phosphorylierung von Serin-, Threonin- oder Tyrosin-Resten), die deren Eigenschaften massgeblich prägen.

4 Reference: G. Löffler & P. Petrides 7. Auflage, 2003 Protein metabolism in humans

5 Translational components Translational apparatus upregulation in growing cells high energy demand Components mrna trna aminoacyl-trna synthetases ribosomes, ca per cell, depending on cell type and activity translation factors: eef1 can reach about 5% of total protein

6 mrna synthesis O +1 ATG TAA Promoter Exon 1 Intron Exon 2 ATG TAA +1 Transcription cap AUG UAA Polyadenylierung cap AUG UAA AAAAA n Splicing cap AUG UAA AAAAA n Proteine z.b. Transkriptionsfaktoren

7 Cap structure and cap-binding protein (eif4e) Blue: eif4g fragment Reference: T. von der Haar et al. Nature Struct. Biol. 11: , 2004

8 Export of eukaryotic mrna Reference: MJ Moore: Science 309: , 2005

9 Transport of eukaryotic mrna Reference: L Chang, J. Cell Biol. 172: , 2006

10 Transfer-RNA (trna)

11 Synthesis of trna Reference: AK Hopper & EM Phizicky, Genes & Dev. 17: , 2003

12 Ribosomes (EM)

13 Ribosomes (EM) 80S-Ribosom (eukaryotic) MW: rrnas (5S, 5.8S, 28S, 18S) ca 85 proteins (40% of weight) 70S-Ribosom (prokaryotic) MW: rrnas (5S, 23S, 16S) ca 55 Proteine (34% of weight)

14 Model of the procaryotic 50S ribosomal subunit peptidyltransferase-center (green) The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution Nenad Ban et al. (2000) Science 289,

15 Polyribosomen: mehrere Ribosomen decodieren simultan die mrna Decodierung der Globin mrna durch Reticulocyten-Ribosomen

16 Nobelpreis Chemie 2009

17 Reference: W. Müller-Esterl Spektrum, 1. Auflage, 2004 Synthesis of ribosomes

18 Reference: M. Fromont-Racine et al. Gene 313: 17-42, 2003 rrna processing (in yeast)

19 Reference: M. Fromont-Racine et al. Gene 313: 17-42, 2003 Ribosome assembly

20 Reference: M. Fromont-Racine et al. Gene 313: 17-42, 2003 Ribosome export

21 Seminar 1 - What are the biol. consequences of mrna transport and localized translation? - Inform yourself about CCA adding enzyme (trna)! - How many rrna genes does a cell need to make 10 6 ribosomes in 6 hours?