Eine neue RNA-Welt. Uralte RNA-Welt Am Anfang der Entstehung des Lebens. Bekannte RNA-Welt Protein-Synthese. Neue RNA-Welt Regulatorische RNA-Moleküle

Transkript

1 RNAs

2 Eine neue RNA-Welt 1. Uralte RNA-Welt Am Anfang der Entstehung des Lebens Bekannte RNA-Welt Protein-Synthese Neue RNA-Welt Regulatorische RNA-Moleküle

3 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 RNA- Maschienen interpretiert werden können

4 Uralte RNA-Welt 3. RNA Nucleotide Ribozym-katalysierte RNA Replikation

5 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

6 RNA und DNA 5

7 ATP 6

8 Typen von RNAs 6. RNA Typen Kodierende RNA Nicht kodierende RNA Protein- Synthese Genetische Regulation RNA Reifung Export DNA Synthese Kontroll von Transposonen Enzym* mrna rrna trna Proteinsynthese

9 Die RNA von Proteinsynthese 7. RNA -Typen Kodierende Nicht kodierende Proteinsynthese Protein synthese mrna rrna trna

10 8. mrna, trna, rrna in der Proteinsynthese

11 Boten-RNA 9. Prokaryonten Eukaryonten Prokaryonten: Transkription und Translation laufen zeitlich-räumlich gekoppelt Instabilität: Die Durchschnittlebenszeit der prokaryontischen boten- RNAs 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

12 Ribosomale (r)rna 10. 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

13 Adaptor/ (t)rna 11. Akzeptor Arm D -Schleife T( CG) Schleife Variabel Schleife freien Aminosäuren führt zu den Ribosomen >>transfer Länge: zwischen 60 und 95 Nucleotiden einzelsträngig, aber an einigen Stellen bildet sich Basenpaare mit selbst: Kleeblatt Sekundärstruktur Francis Crick: Adaptor -Hypotese Antikodon Arm Ein Beispiel: trna Leu UUG Leucil-tRNA Synthase leucil-trna Leu 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

14 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 (trna Leu, trna Ser, usw.) - Jeder der 20 Aminosäuren entspricht mindestens eine trna, oft sind es aber auch mehrere 12.

15 Eine Neue RNA-Welt 1. Nicht kodierende RNA: Der größere Teil des Genoms wird transkribiert Funktion ist kaum bekannt

16 Nichtkodierende-RNAs 11. 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

17 Nicht kodierende 12. RNA Nicht kodierende RNA 3-6 DNA Synthese Export Transzpozon kontroll Enzym Funktion TERC Y RNS Rnase MRP 7SL RNS pirns Endo-siRNS Ribosim*

18 Ribozyme: Überreste der 13. RNA-Urwelt? Funktion: Hammerkopfribozym 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

19 Kleine Kern-RNAs (snrnas) U7 14. (1) Spliceosomale snrna 9 RNA ( Nt)- 5: Grosspliceosom (U1, U2, U4, U5, U6): GU-AG Intronen (U1: 16 gén, U6: 46 gén - 4: Kleinspliceosom (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

20 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

21 Antisense RNAs 5. 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

22 Mikro RNAs 13.

23 Victor Ambros Micro RNAs (trans-antisense RNAs) Gary Ruvkun Transkription Drosha Nukleus pre-mirna exportin-5 4 pri-mirna DICER Blockiert mrna 5 Reife mirna RISC Entdeckt in 2000 Lin-4 Gen

24 Die Mechanismen der mirna Aktivität 15. pre-mirna mirna degradation translation block Die Funktion von mirnas: - Ontogenese (timing Zeiteinteilung), Apoptose, Zellproliferation, Onkogenese

25 Endogene klein interferierende RNA (sirna) 16. Dicer doppelsträngige RNA sirnas (21-23 Basen paare) RISC Helicase RISC* (aktiviert) Slicer mrna RNase sirna: small interfering RNA RISC: RNAi silencing complex RISC*: activated RISC Slicer: es schneidet mrna RNase: Ribonuclease

26 Endogen sirnas Zellkern RNA Duplikation Retrotransposition Duplikation und Inversion mrna Antisense Transkript ZYTOPLASMA Dicer Haarnadel sirns si: small interfering; kleine interferierende RISC mrna Schneidung

27 Piwi-Protein-wechselwirkende RNAs (pirnas) 17. (A) DETEKtIERUNG primerpirnas sense Transposon antisense Transposon pirna-cluster (B) AMPLIFIZIERUNG Piwiprotein Tansposon- Transkript Geschnittene Tansposon- Transkript pirna-cluster-transkript DNA-METHYLIERUNG HISTON-MODIFIZIERUNG (METHYLIERUNG) (C) REPRESSZIÓ

28 Überlappende RNAs (cis-antisense RNAs) 18. DNA DNA mrna mrna Kodierende DNA Strang Nicht kodierende DNA Strang (antisense) Überlappende RNAs

29 Überlappende RNAs (cis-antisense RNAs) 19. FUNCTION 1. Das Blockieren der Translationsverlängerung Ribosom 2. Blockieren der Translationsinitiation RNA interferencie (?) RNase RNase RISC 5

30 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 7-17 th Tragezeit) 20. HAR1 118 bp DNA stretch: 2 bp Unterschied zwischen Huhn und Schimpansen, aber 18 bp Unterschied zwischen Schimpansen und Menschen