Vorlesung Allgemeine und Molekulare Genetik Transkription und Genregulation Erwin R. Schmidt

Ähnliche Dokumente
Thema: Eukaryotische Genregulation und RNA- Prozessierung. Spleißen, Capping, Polyadenylierung, RNA-Editieren Erwin R. Schmidt

Thema Transkription und Genregulation Erwin R. Schmidt Institut für Molekulargenetik Gentechnologische Sicherheitsforschung & Beratung

Genstruktur der Eukaryoten

Posttranskriptionale RNA-Prozessierung

Eukaryotische messenger-rna

Bei Eukaryoten ist die DNA während der Replikation als Chromatin verpackt

Übung 11 Genregulation bei Prokaryoten

Entwicklungs /gewebespezifische Genexpression. Coexpression funktional überlappender Gene

Elektronenmikroskopie zeigte die Existenz der A-, P- und E- trna-bindungsstellen. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Promotor kodierende Sequenz Terminator

DNA mrna Protein. Initiation Elongation Termination. RNA Prozessierung. Unterschiede Pro /Eukaryoten

Übung 11 Genregulation bei Prokaryoten

DNA mrna Protein. Initiation Elongation Termination. RNA Prozessierung. Unterschiede Pro /Eukaryoten

Transkription und Translation sind in Eukaryoten räumlich und zeitlich getrennt. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

DNA mrna Protein. Initiation Elongation Termination. RNA Prozessierung. Unterschiede Pro /Eukaryoten

KV: Translation Michael Altmann

Thema Transkription und Genregulation Erwin R. Schmidt Institut für Molekulargenetik Gentechnologische Sicherheitsforschung & Beratung

DNA Replikation ist semikonservativ. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie:

Bei der Translation wird die Aminosäuresequenz eines Polypeptids durch die Sequenz der Nukleotide in einem mrna- Molekül festgelegt

Molekularbiologie 6c Proteinbiosynthese. Bei der Proteinbiosynthese geht es darum, wie die Information der DNA konkret in ein Protein umgesetzt wird

Transkription Teil 2. - Transkription bei Eukaryoten -

1. Skizzieren Sie schematisch ein Gen mit flankierender Region. Bezeichnen und beschriften Sie:

Expressionskontrolle in Eukaryonten

Genstruktur der Eukaryoten

KV: Genexpression und Transkription Michael Altmann

Genaktivierung und Genexpression

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

Transkription 3. Teil. Posttranskriptionale Modifikationen

Transkription und Regulation der Genexpression

Biologie I/B: Klassische und molekulare Genetik, molekulare Grundlagen der Entwicklung Theoretische Übungen SS 2016

Versuch von Beadle und Tatum Verändertes Gen -> veränderter Phänotyp

Musterlösung - Übung 5 Vorlesung Bio-Engineering Sommersemester 2008

Eukaryontische DNA-Bindedomänen

Expression der genetischen Information Skript: Kapitel 5

RNA und Expression RNA

05_10_Genes_info.jpg

Proteinbiosynthese. Prof. Dr. Albert Duschl

Informationsgehalt von DNA

Translation benötigt trnas und Ribosomen. Genetischer Code. Initiation Elongation Termination

1. Welche Auswirkungen auf die Expression des lac-operons haben die folgenden Mutationen:

Molekulargenetik der Eukaryoten WS 2014/15, VL 12. Erwin R. Schmidt Institut für Molekulargenetik

Praktikum Biochemie B.Sc. Water Science WS Enzymregulation. Marinja Niggemann, Denise Schäfer

Genexpression. Introns, T7-Typ DNA Polymerase, RNA Editing, Transsplicing

Molekulargenetik Biologie am Inhaltsverzeichnis Die Begriffe DNA, Nukleotid, Gen, Chromosom und Epigenom definieren...

Regulation der Genexpression: regulierbare Promotoren, Proteine und sirna

Biochemie Tutorium 9. RNA, Transkription

Proteinbiosynthese. Prof. Dr. Albert Duschl

Translation benötigt trnas und Ribosomen. Genetischer Code. Initiation Elongation Termination

Biochemie Vorlesung Die ersten 100 Seiten

Kapitel 8 Ò Chromosomen und Genregulation

Genregulation bei Eukaryoten II

Genexpression und Genregulation in Prokaryoten

Das Lactose (lac) Operon. - Ein Beispiel für prokaryotische Genregulation

Funktion. Transkriptionsfaktor in der Ethylen-Signaltransduktion

Informationsgehalt von DNA

Vom Gen zum Protein. Zusammenfassung Kapitel 17. Die Verbindung zwischen Gen und Protein. Gene spezifizieren Proteine

Inhalt Genexpression Microarrays E-Northern

In den Proteinen der Lebewesen treten in der Regel 20 verschiedene Aminosäuren auf. Deren Reihenfolge muss in der Nucleotidsequenz der mrna und damit

Übertragung der in der DNA gespeicherten Information

Die DNA Replikation. Exakte Verdopplung des genetischen Materials. Musterstrang. Neuer Strang. Neuer Strang. Eltern-DNA-Doppelstrang.

Translation. Auflesung- Proteinsynthese

Proteinbiosynthese: Transkripion:

Zentrales Dogma der Biochemie Zyklus eines Retrovirus Der Fluss der genetischen Information verläuft von der DNA zur RNA zum Protein. Zumindest bis 19

"Molekulare Genetik Proteinbiosynthese" (Biologie Sek. II)

Biochemie Tutorium 10. Genetischer Code, Translation & Regulation der Proteinbiosynthese

Biologie I/B: Klassische und molekulare Genetik, molekulare Grundlagen der Entwicklung Theoretische Übungen SS 2014

Genstruktur und Genregulation bei Pro- und Eukaryoten (Pt.2)

VORANSICHT II/B2. Studien an eineiigen Zwillingen. Der zweite Code die DNA ist nicht die ganze Antwort Reihe 13 Verlauf Material S 4

8. Translation. Konzepte: Translation benötigt trnas und Ribosomen. Genetischer Code. Initiation - Elongation - Termination

TRANSKRIPTION I. Die Herstellung von RNA bei E-Coli

Einleitung. Replikation

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

7. Regulation der Genexpression

Beschreiben Sie in Stichworten zwei der drei Suppressormutationen, die man in Hefe charakterisiert hat. Starzinski-Powitz, 6 Fragen, 53 Punkte Name

Biologie für Mediziner

Q1 B1 KW 49. Genregulation

1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Bereiche auf der DNA und beschreiben Sie ihre Funktion! nicht-codogener Strang.

mrna S/D UTR: untranslated region orf: open reading frame S/D: Shine-Dalgarno Sequenz

Transkription bei Prokaryoten

Was ist der Promotor? Antwort: Eine spezielle Nucleotidsequenz auf der DNA, an der die RNA-Polymerase bindet um die Transkription zu starten.

Vorlesung Molekulare Humangenetik

Genexpressionsregulation

Gen Protein Aufgaben: Edel LK-Bio BI-3

6. Induktion der Galactosidase von Escherichia coli

Aufbau und Funktion des Genoms: Von der Genstruktur zur Funktion

Struktur und Funktion der DNA

Vertiefendes Seminar zur Vorlesung Biochemie I

15.2 Transkription bei E. coli

Überblick von DNA zu Protein. Biochemie-Seminar WS 04/05

Vorlesungsthemen Mikrobiologie

1. Regulation der Transkription

BCDS - Biochemische Datenbanken und Software

Von der DNA zum Eiweißmolekül Die Proteinbiosynthese. Ribosom

Thematik der molekularen Zellbiologie Studienjahr 2004/05. I. Semester

Dr. Jens Kurreck. Otto-Hahn-Bau, Thielallee 63, Raum 029 Tel.:

Genregulation in Bakterien. Das LAC Operon

Transkript:

Vorlesung Allgemeine und Molekulare Genetik Transkription und Genregulation Erwin R. Schmidt 16. 01. 2015

Gen für Lac-Repressor Lac(tose)-Operon Lac-Repressor Ohne Lactose bindet der Repressor an den Operator und verhindert die Transkription

Ist Lactose (bzw. Allolactose) als Induktor vorhanden, bindet dieser an den Lac-Repressor und verändert dessen DNA-Binde-Eigenschaft so, dass sich der Repressor von der DNA löst und die Lac-Gene zur Transkription freigibt

Der eigentliche Induktor ist Allolactose

Die Aktivität des Lac-Operons wird aber nicht nur durch Lactose, sondern auch durch Glucose gesteuert : Ist Glucose ausreichend im Medium vorhanden, werden die Lac-Gene nur schwach transkribiert. Dies macht Sinn, denn Glucose ist für das Bakterium eine sehr viel günstigere Kohlenstoffquelle als Lactose. Wie funktioniert das?

Die Steuerung der Transkriptionsrate erfolgt über den camp- Spiegel, der wiederum von der Glucosekonzentration abhängig ist. Es gilt: Hoher Glucosespiegel niedrige camp Konzentration Niedriger Glucosespiegel hohe camp Konzentration denin

camp bindet an ein Aktivator-Protein, das CAP (Catabolic activator protein), camp-cap aktiviert (positiv!) die Transkription

Zusammenfassung

Nur für Interessierte: Die Struktur der Lac-Repressionsschleife Die Unterdrückung der Transkription erfolgt durch Erzeugung einer raffinierten Sekundärstruktur, der Repressionschleife. Zwei Repressordimere binden symmetrisch vor und hinter der Promotorregion und zwingen damit die Promotor-DNA in ein geschlossene Schleife (blau), so dass die RNA-Polymerase keine Chance für eine Transkription hat.

Struktur des Tryptophan-Operons Aus Hartl und Jones, Genetics

Tryptophan -Operon Beispiel für negative Rückkopplung: Die Transkription der Strukturgene für die Tryptophansynthese wird durch die Tryptophankonzentration gesteuert. Das Regulatorprotein liegt als inaktiver Aporepressor vor. Erst durch Bindung von Tryptophan wird aus dem inaktiven Aporepressor der aktive Repressor, der an den Operator bindet und die Transkription stoppt

Unabhängig von der Steuerung durch Aporepressor/Repressor hat das Tryptophan-Operon einen weiteren Steuerungsmechanismus, Attenuation. Die Attenuation (Verringerung) ist eine Art Feinregulation, mithilfe derer die Synthese der Trp-RNAs verringert werden kann, ohne das Trp-Operon ganz abzuschalten. Der Mechanismus ist ein faszinierendes Beispiel dafür, welche raffinierten Möglichkeiten die Natur nutzt, um Organismen den optimalen Umgang mit ihren Ressourcen zu erlauben.

Bei hoher Trp-Konzentration finden sich besonders viele Leader-RNA-Moleküle

Feinstruktur der Leader-Region des Trp-Operons Aus Hartl und Jones, Genetics

Mechanismus der Attenuation im Trp- Operon Aus Hartl und Jones, Genetics

Termination durch hohe Tryptophankonzentration

Thema: Eukaryotische Genregulation und RNA-Prozessierung Spleißen, Capping, Polyadenylierung, RNA- Editieren

Transkription der Gene im Zellkern(ZK) als Primärtranskripte (hnrna), Prozessierung der RNA im ZK, reife mrna und Translation im Cytoplasma Cytoplasma hnrna: heterogene nukleäre RNA mrna: messenger RNA DNA hnrna ZK mrna

Genstruktur der Eukaryoten je nach Genklasse ist die Struktur verschieden: 1. RNA Pol I Gene für 18S, 5,8S, 28S rrna 2. RNA Pol II Gene für alle mrnas 3. RNA Pol III Gene für trnas, 5S rrna, einige snrnas 4. RNA Pol IV mi/sirnas

RNA-Polymerase I-Gene sind tandem-repetitiv organisiert

Elektronenmikropische Darstellung der rdna-transkription durch RNA-Pol I

RNA-Polymerase I Gene: 5,8 5,8 S

RNA-Polymerase I Gene Promotor 5 stromaufwärts Primärtranskript enthält 18S, 5,8S und 28S rrna sowie interne spacer RNA Gene immer repetitiv vorhanden Gene in Gruppen ( cluster ) tandemartig angeordnet (i. d. Regel head to tail ) nur bei manchen Organismen: Gen-Amplifikation ( = zusätzliche, extrachromosomale Genkopien in speziellen Geweben)

TATAAA RNA Polymerase II Gene -100-25 +1 ATG GT A AG TAA TGA TAG AATAAA DNA Promotor Exon 1 5 - UTR Intron1 Exon2 3 - UTR Primärtranskript mrna UAA G m7 AUG UGA AAUAAA UAG Poly A UTR = untranslatierte Region Termination? ERS

RNA Polymerase II Gene 5- stromaufwärts Promotor (oft TATA-Box bei -25) Intron Exon Struktur (i. d. Regel) Primärtranskript ( hnrna ) enthält 5 UTR, alle Exons und Introns, 3 - UTR Transkriptionsstart = +1, = Cap-Site An Intron/Exongrenzen consensus splice sites (Exon/ GT..Intron..AG/Exon) Polyadenylierungssignal Termination oft ungenau definiert Regulation durch Enhancer

RNA Pol II Promotorelemente Sequenz: Position: Funktion Name Sequenz Position Funktion TATA-Box Hogness- Box TATAAA -25 bis -30 Definiert Transkriptstartpunkt CAT-Box GGCCAATC -60 bis -80 Polymerase- Bindung via CBP GC-Box GGGCG Variabel und mehrfach -1 bis -167 Definiert RNA- Pol Bindungstelle

Regulierte und unregulierte Gene Luxusgene und Haushaltsgene

Promotor Elemente RNA-Pol II UCE: upstream control element DPE: downstream promotor element

Beispiele für eukaryotische Promotoren

Enhancer sind cis-regulatorische Kontrollelemente, die unabhängig von ihrer Orientierung, Lage oder Distanz zum Gen die Aktivität eines Gens steigern können Silencer Wirkungsweise wie negativer Enhancer, setzt Genaktivität herab

Vergleich Prokaryoten - Eukaryoten

Schema der eukaryotischen Genregulation ( loop -Modell)

Typische Aktivatorproteine sind DNA-Bindeproteine mit mehreren Domänen DNA-Bindung Protein-Bindung Liganden-Bind. Aktivierung DNA-binde-Domäne Dimerisierungsdomäne Aktivatordomäne Liganden-binde-Domäne

An der Aktivierung von Pol II-Genen beteiligte Komplexe Funktion= Chromatin-remodelling The multiprotein Mediator complex is a coactivator required for transcriptional activation of RNA polymerase II transcribed genes by DNA binding transcription factors. SAGA:Spt-Ada-Gcn5-Acetyltransferase SRB: Suppressor of RNA-PolymeraseII SWI/SNF = Switch/SucroseNonFermenting

Untereinheiten der Präinitiationskoplexproteine

Hormon induzierte Genaktivität Beispiel für Genaktivierung durch externe Signale Hsp90/Hsp70 FKBP52 GRE GRE: Glucocorticoid-Response-Element

HAT = Histon-Acetyl-Transferase HADC = Histondeacetylase HMT = Histon-Methyl-Transferase

Nach der Transkription: posttranskriptionelle Modifikationen typisch für eukaryotische mrna: Capping, Splicing, Polyadenylierung,

Capping der mrna + CH3 - - -

Funktion der Cap-Struktur erhöht Stabilität der mrna induziert Splicing fördert Export aus dem Nukleus vermittelt Bindung der Ribosomen an mrna und macht Translation möglich

Poly-Adenylierung am 3 Ende der mrna 1. Trimmen des Primärtranskripts an definierter Stelle (23-24 Basen stromabwärts des Poly A-Signals AAUAAA) 2. Anfügen von ca. 100-250 Adenin-Nukleotiden

Polyadenylierung : Trimmen der mrna und Anhängen von mehreren Adeninnukleotiden

Die Polyadenylierung ist ähnlich komplex wie die Initiation! Aus: Strange bedfellows: polyadenylation factors at the promoter Olga Calvo1 and James L. Manley, GENES & DEVELOPMENT 17:1321 1327 2003

Funktion der Poly-Adenylierung? - Stabilität der mrna - Translatierbarkeit

Splicing /Spleißen Intronabschnitte werden aus dem Primärtranskript entfernt Die Exons werden miteinander zur funktionsfähigen RNA verbunden funktionsfähig kann aber auch bedeuten, dass ein nicht funktionsfähiges Protein gebildet wird

TATAAA RNA Polymerase II Gene -100-25 +1 ATG GT A AG TAA TGA TAG AATAAA DNA Promotor Exon 1 5 - UTR Intron1 Exon2 3 - UTR Primärtranskript mrna UAA G m7 AUG UGA AAUAAA UAG Poly A Termination? ERS

Je nach Spleißmechanismus werden vier verschiedene Gruppen von Introns unterschieden: trna Introns Autokatalytische Introns Gruppe I Autokatalytische Introns Gruppe II hn-/mrna Introns

Autokatalytisches Splicing/ Ribozyme Beim autokatalytischen Spleißen sorgt die Intron- RNA selbst (autokatalytisch) dafür, dass die RNA an den Intron-Exon-Grenzen geschnitten und die beiden Exon- Enden (3 -Ende von Exon n mit dem 5 -Ende von Exon m) über eine Phosphodiester-bindung verknüpft werden. Weil die RNA bei diesem Prozess wie ein Enzym katalytisch aktiv ist, werden diese RNAs auch als Ribozyme bezeichnet

Ribozym- Struktur Entdecker der Ribozyme Th. R. Cech; Sydney Altman Nobelpreis 1989

Autokatalytisches Spleißen der Gruppe I Introns bei Prä-rRNA von Tetrahymena

Mechanismus der autokatalytisch spleißenden Gruppe I Introns

Autokatalytisches Splicing Gruppe II Introns

Für mrnas gilt eine Consensus Splice Site http://themedicalbiochemistrypage.org/rna.php

mrna-spleißen an der Consensus Splice Site /GU...A..AG/

Beim Spleißen bildet sich ein Lariat (Lasso) im herausgelösten Intron über eine 2-5 -Phosphodiesterbindung

Am Spleißen von mrnas sind Spliceosomen mit SN(U)RPS beteiligt

snrnps (SNURPS) enthalten die snrnas (sn = small nuclear ) U1, U2, U4/6 und U5 (snrnps= small nuclear ribonucleoprotein)

Zusammenfassung

Warum überhaupt Introns? Erleichtern die Enstehung komplexer Gene! (mehrere Minigene = Exons werden zu Makrogene zusammengepackt) Exon shuffling (einzelne Exons kodieren für Proteindomämen ) Module, verschiedene Module ergeben zusammen immer wieder neue Proteine) Alternatives Spleißen (durch Kombination verschiedener Exons auf Ebene der RNA kann ein Gen für viele Proteine kodieren) Transspleißen

Prinzip des alternativen Spleißens

Alternatives oder differenzielles Spleißen erhöht die Zahl der Proteine: aus einem Aktivatorprotein kann sogar ein Repressor werden!! DNA-Bindung Ligandenbindung Aktivierung Dimerisierung Aktivatorprotein DNA-Bindung Ligandenbindung Aktivierung Dimerisierung DNA-Bindung Ligandenbindung Dimerisierung Repressorprotein

Beim DSCAM-Gen (115 Exons) gibt es bis zu 38.016 verschiedene Spleißvarianten DSCAM = Down Syndrom Cell Adhesion Molecule Besteht immer aus 24 Exons, aber A, B, C, D sind variabel

Genregulation durch mirna

Entstehung der mirna Quelle: http://www.dkfz.de/de/genetics/pages/projekte/funk_tumorgenetik/identifizierung_gene.html

RNA-Editierung http://dna.kdna.ucla.edu/rna/index.aspx Stop-Codon

RNA-Editierung http://dna.kdna.ucla.edu/rna/index.aspx Leber (APOBEC-Complexing Factor) Darm

RNA-Editierung bei ca. 5-6 % der menschlichen Gene der Fall "Nature Biotechnology" (Bd. 22, S. 1001, August 2004)

Vielen Dank für s Zuhören und vielleicht ein Wiedersehen in der Molekulargenetik (Modul 13) oder in der Gentechnologie (Master Modul 8)