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KW05: Regulation Genexpression Fr. Sadeghi
KW05: Regulation Genexpression Fr. Sadeghi
Warum ist die Regulation der Genexpression wichtig?
Weil in jeder Zelle die DNA und somit die gleichen Gene vorhanden sind. Die unterschiedlichen Gene müssen in verschiedenen Zelltypen „an-„ und „ausgeschaltet“ sein.
Das menschliche Erbgut ist also so verpackt, dass alle Gene ruhen und Mechanismen zu deren Aktivierung eingeleitet werden müssen. So entstehen spezialisierte Zellen
Genregulation ist wichtig
- Während der Entwicklung
- Um Krankheiten, Geburtsdefekte und Evolution zw. Individuen auszugleichen.
Prozesse der Genexpression: siehe „zentrales Dogma“
Wo in der Molekularbiologie hat die genetische Regulation grosse Bedeutung?
- Molekuläre Diagnostik
- Gentherapie
- Individuelle Medizin
Welches sind die grundlegenden Mechanismen des zentralen Dogma der Molekularbiologie?
Die grundlegenden Mechansimen des zentralen Dogma sind:
- Replikation
- Transkription
- Translation
Das Zentrale Dogma (eigentlich Hypothese) bedeutet dass DNA-Moleküle als Vorlage dienen, entweder für DNA-Stränge während der Replikation oder RNA bei der Transkription.
RNA Moleküle dienen wiederum als Vorlage für die „Bestellung“ von AS durch Ribosome während der Proteinsynthese
DNA-Replikation: Welchen Zweck hat sie? Wie läuft sie ab?
Zweck:
- DNA-Duplikation
- Transfer der genetischen Information von einem Elternteil zu einer Tochterzelle
- Basensequenzen der DNA werden präzise kopiert
Ablauf: (siehe Bild)
Hauptenzym: DNA polymerase, Replikation ist semikonservativ:
- DNA-Helix wird von Helikase geöffnet und abgewickelt
- DNA-Polymerase kann nur Basen an die 3‘-OH-Gruppe an einer bereits vorhandenen Nukleinsäure hängen (was dann zu einer Replikation von 5‘3‘ führt)
- Die DNA-Polymerase kann ausschliesslich neue Basen an 3‘ Enden hinzufügen. Ein Strang (Leitstrang) wird also kontinuierlich synthetisiert, der andere aus Fragmenten gebaut.
- Die kurzen (100-1000 basenpaare) DNA-Fragmente (Okazakifragmente) stückweise abgeschrieben und dann durch DNA-Ligase verbunden
Was ist die post-replikative Modifikation der DNA?
- Methylierung: eine der Hauptreaktionen, die nach der Replikation stattfindet
- Ort der Methylierung der eukariotischen DNA ist immer auf Cytostinresten in CG-Dinukleotiden
- Die DNA-Methylierung spielt eine wichtige Rolle für epigenetische Genregulation in Entwicklung und Erkrankung
Was ist die Transkription?
- Ein Grossteil der Kontrolle der Genexpression geschieht bei der Transkription
- Aus einem kurzen Abschnittes der DNA wird eine RNA-Kopie gefertigt
- Ein transkribierter Bereich wird Transkriptionseinheit (transcription unit) genannt
- Dieser entspricht ungefähr einem Gen
- Die meisten transcription units codieren für Proteine
- Manche codieren für funktionale RNA, die nie in Proteine translatiert werden (RNA-Gene)
- Bei der Transkription wird nur ein einzelner Strang der DNA als Vorlage für die RNA verwendet
Wie funktioniert die Transkription?
Primärenzym: RNA-Polymerase
- Gibt 3 Arten der RNA-Polymerase: pol1 bis pol3
- Pol2 ist die „wichtigste“, für mRNA zuständig, ertellt also die proteincodierenden Gene
- Pol1 und pol3 erstellen ribisomale RNA und andere strukturelle RNA-Gene
Ablauf
- RNA-Polymerase bindet sich an eine Promotor-Sequenz, oberhalb des Transkriptionsanfangspunktes. Beteiligt sind auch Transkriptionsfaktoren (proteine)
- RNA-Polymerase bewegt sich in Richtung 3‘ und fügt dem wachsenden RNA-Molekül neue RNA-Nukleotide hinzu
- hier wird in die RNA Uracil anstatt Thymin eingebaut
- Auch ersetzt Ribosezucker die Desoxyribose
Was ist die RNA? Welche 3 Hauptarten gibt es? Für was ist die mRNA?
- tRNA (transfer)
- rRNA (ribosomal)
- mRNA (messenger)
- Kopien von strukturellen Gene
- Codieren der Information, die für die Synthese der Polypeptide von Proteinen notwendig ist
- Intermediäre Träger der genetischen Information > liefern genetische Info an Cytoplasma
RNA ist immer ein Einzelstrang (nicht wie DNA Doppelhelix). Uracil erstzt Thymin und Ribose ersetzt Desoxyribose.
Was ist die Translation?
Im Cytoplasma (also ausserhalb des Zellkerns!) werden die Moleküle der mRNA durch Ribosomen in Polypeptide translatiert.
- Ribosom wandert entlang der mRNA bis zum Startcodon
- Ribosom zusammengesetzt aus ribosomaler RNA (rRNA) und ribosomalen Proteine (RNP)
- AUG (Startcodon): tRNA-Moleküls setzt an die mRNA an, das Ribosom „leitet“ den Prozess
- UAA, UAG od UGA (Stopcodon), tRNA translatiert die mRNA bis zum Stopcodon
- tRNA ist dafür zuständig, die basentripplets in die richtigen AS zu übersetzen
- auf der Anticodonschleife, befindet sich ein Basentripplet, das Anticodon
- dieses Anticodon liest die mRNA ab
- hat eine Kleeblattähnliche Sekundärstruktur
- Protein wird vom N-terminus zu C-terminus synthetisiert…(?) wieder von 3‘ zu 5‘ -Ende
- Die meisten mRNAs werden mehrere Male translatiert
- Video schauen: https://www.youtube.com/watch?v=3wFfj6D0_nQ
Beschreibe die grundlegenden Konzepte der Regulation der Genexpression: Regulierung der Transkription
- Chromatinregulierung
- Methylation
- Acetylation
- Interaktion zw. Regulatorelementen
- Cis-Elemente: Promotoren, Enhancers und Silencers
- Lokalisiert auf dem gleichen DNA-Strang wie das Gen (gehören also zur DNA
- Bindungstellen für den Transkriptionsfaktor
- Trans-Elemente: RNA-Polymerase, Transkriptionsfaktoren und Co-Faktoren
- Lokalisiert im Cytoplasma (gehören nicht zur DNA, aber wichtig für Transkription)
Genregulation: Typen von cis-agierenden-Sequenzen?
- Promotoren: mehrere kurze Abschnitte innerhalb 100 bp vom Beginn der Transkription.
- Wichtig: TATA-Box ist die „Bar“ alles fügt sich dort zusammen.
- Ort, wo RNA-Polymerase und sich general transcription factors verbinden
- Ist eine DNA-Sequenz, die um den Startpunkt der Trankription angesiedelt ist.
- Enhancers: können bis zu mehrere Kilobasen vom Gen entfernt liegen, entweder aufwärts oder abwärts.- Erhöhen die Transkriptionsrate
- Silencers: ähnlich wie die Verstärker, aber umgekehrter Effekt
RNA Processing: was wird darunter verstanden?
- Prä-mRNA (im Zellkern) enthält Introns und Exons
- Die Introns (bis zu 99% der Gene) sind nicht-codierende Regionen
- Diese werden noch im Zellkern herausgeschnitten
- Die Exons (protein-codierende Regionen) werden zusammengefügt
- Dieser Prozess wird als Splicing bezeichnet
- mRNA entsteht, wird ins Cytoplasma transportiert
Was sind Histone?
- Histone sind Basisproteine
- DNA ist auf Histone aufgewickelt
- Sind Päckchen von 8 Histone
- DNA+Histone = Nukleosome
- Chromatin kann nicht Trankribiert werden, muss zuerst von Histonen-Packet abgewickelt werden
- Die Chromatinregulation (Methylation und Acetylation) setzt dort an.
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Warum ist die Regulation der Genexpression wichtig?
Weil in jeder Zelle die DNA und somit die gleichen Gene vorhanden sind. Die unterschiedlichen Gene müssen in verschiedenen Zelltypen „an-„ und „ausgeschaltet“ sein.
Das menschliche Erbgut ist also so verpackt, dass alle Gene ruhen und Mechanismen zu deren Aktivierung eingeleitet werden müssen. So entstehen spezialisierte Zellen
Genregulation ist wichtig
- Während der Entwicklung
- Um Krankheiten, Geburtsdefekte und Evolution zw. Individuen auszugleichen.
Prozesse der Genexpression: siehe „zentrales Dogma“
Wo in der Molekularbiologie hat die genetische Regulation grosse Bedeutung?
- Molekuläre Diagnostik
- Gentherapie
- Individuelle Medizin
Welches sind die grundlegenden Mechanismen des zentralen Dogma der Molekularbiologie?
Die grundlegenden Mechansimen des zentralen Dogma sind:
- Replikation
- Transkription
- Translation
Das Zentrale Dogma (eigentlich Hypothese) bedeutet dass DNA-Moleküle als Vorlage dienen, entweder für DNA-Stränge während der Replikation oder RNA bei der Transkription.
RNA Moleküle dienen wiederum als Vorlage für die „Bestellung“ von AS durch Ribosome während der Proteinsynthese
DNA-Replikation: Welchen Zweck hat sie? Wie läuft sie ab?
Zweck:
- DNA-Duplikation
- Transfer der genetischen Information von einem Elternteil zu einer Tochterzelle
- Basensequenzen der DNA werden präzise kopiert
Ablauf: (siehe Bild)
Hauptenzym: DNA polymerase, Replikation ist semikonservativ:
- DNA-Helix wird von Helikase geöffnet und abgewickelt
- DNA-Polymerase kann nur Basen an die 3‘-OH-Gruppe an einer bereits vorhandenen Nukleinsäure hängen (was dann zu einer Replikation von 5‘3‘ führt)
- Die DNA-Polymerase kann ausschliesslich neue Basen an 3‘ Enden hinzufügen. Ein Strang (Leitstrang) wird also kontinuierlich synthetisiert, der andere aus Fragmenten gebaut.
- Die kurzen (100-1000 basenpaare) DNA-Fragmente (Okazakifragmente) stückweise abgeschrieben und dann durch DNA-Ligase verbunden
Was ist die post-replikative Modifikation der DNA?
- Methylierung: eine der Hauptreaktionen, die nach der Replikation stattfindet
- Ort der Methylierung der eukariotischen DNA ist immer auf Cytostinresten in CG-Dinukleotiden
- Die DNA-Methylierung spielt eine wichtige Rolle für epigenetische Genregulation in Entwicklung und Erkrankung
Was ist die Transkription?
- Ein Grossteil der Kontrolle der Genexpression geschieht bei der Transkription
- Aus einem kurzen Abschnittes der DNA wird eine RNA-Kopie gefertigt
- Ein transkribierter Bereich wird Transkriptionseinheit (transcription unit) genannt
- Dieser entspricht ungefähr einem Gen
- Die meisten transcription units codieren für Proteine
- Manche codieren für funktionale RNA, die nie in Proteine translatiert werden (RNA-Gene)
- Bei der Transkription wird nur ein einzelner Strang der DNA als Vorlage für die RNA verwendet
Wie funktioniert die Transkription?
Primärenzym: RNA-Polymerase
- Gibt 3 Arten der RNA-Polymerase: pol1 bis pol3
- Pol2 ist die „wichtigste“, für mRNA zuständig, ertellt also die proteincodierenden Gene
- Pol1 und pol3 erstellen ribisomale RNA und andere strukturelle RNA-Gene
Ablauf
- RNA-Polymerase bindet sich an eine Promotor-Sequenz, oberhalb des Transkriptionsanfangspunktes. Beteiligt sind auch Transkriptionsfaktoren (proteine)
- RNA-Polymerase bewegt sich in Richtung 3‘ und fügt dem wachsenden RNA-Molekül neue RNA-Nukleotide hinzu
- hier wird in die RNA Uracil anstatt Thymin eingebaut
- Auch ersetzt Ribosezucker die Desoxyribose
Was ist die RNA? Welche 3 Hauptarten gibt es? Für was ist die mRNA?
- tRNA (transfer)
- rRNA (ribosomal)
- mRNA (messenger)
- Kopien von strukturellen Gene
- Codieren der Information, die für die Synthese der Polypeptide von Proteinen notwendig ist
- Intermediäre Träger der genetischen Information > liefern genetische Info an Cytoplasma
RNA ist immer ein Einzelstrang (nicht wie DNA Doppelhelix). Uracil erstzt Thymin und Ribose ersetzt Desoxyribose.
Was ist die Translation?
Im Cytoplasma (also ausserhalb des Zellkerns!) werden die Moleküle der mRNA durch Ribosomen in Polypeptide translatiert.
- Ribosom wandert entlang der mRNA bis zum Startcodon
- Ribosom zusammengesetzt aus ribosomaler RNA (rRNA) und ribosomalen Proteine (RNP)
- AUG (Startcodon): tRNA-Moleküls setzt an die mRNA an, das Ribosom „leitet“ den Prozess
- UAA, UAG od UGA (Stopcodon), tRNA translatiert die mRNA bis zum Stopcodon
- tRNA ist dafür zuständig, die basentripplets in die richtigen AS zu übersetzen
- auf der Anticodonschleife, befindet sich ein Basentripplet, das Anticodon
- dieses Anticodon liest die mRNA ab
- hat eine Kleeblattähnliche Sekundärstruktur
- Protein wird vom N-terminus zu C-terminus synthetisiert…(?) wieder von 3‘ zu 5‘ -Ende
- Die meisten mRNAs werden mehrere Male translatiert
- Video schauen: https://www.youtube.com/watch?v=3wFfj6D0_nQ
Beschreibe die grundlegenden Konzepte der Regulation der Genexpression: Regulierung der Transkription
- Chromatinregulierung
- Methylation
- Acetylation
- Interaktion zw. Regulatorelementen
- Cis-Elemente: Promotoren, Enhancers und Silencers
- Lokalisiert auf dem gleichen DNA-Strang wie das Gen (gehören also zur DNA
- Bindungstellen für den Transkriptionsfaktor
- Trans-Elemente: RNA-Polymerase, Transkriptionsfaktoren und Co-Faktoren
- Lokalisiert im Cytoplasma (gehören nicht zur DNA, aber wichtig für Transkription)
Genregulation: Typen von cis-agierenden-Sequenzen?
- Promotoren: mehrere kurze Abschnitte innerhalb 100 bp vom Beginn der Transkription.
- Wichtig: TATA-Box ist die „Bar“ alles fügt sich dort zusammen.
- Ort, wo RNA-Polymerase und sich general transcription factors verbinden
- Ist eine DNA-Sequenz, die um den Startpunkt der Trankription angesiedelt ist.
- Enhancers: können bis zu mehrere Kilobasen vom Gen entfernt liegen, entweder aufwärts oder abwärts.- Erhöhen die Transkriptionsrate
- Silencers: ähnlich wie die Verstärker, aber umgekehrter Effekt
RNA Processing: was wird darunter verstanden?
- Prä-mRNA (im Zellkern) enthält Introns und Exons
- Die Introns (bis zu 99% der Gene) sind nicht-codierende Regionen
- Diese werden noch im Zellkern herausgeschnitten
- Die Exons (protein-codierende Regionen) werden zusammengefügt
- Dieser Prozess wird als Splicing bezeichnet
- mRNA entsteht, wird ins Cytoplasma transportiert
Was sind Histone?
- Histone sind Basisproteine
- DNA ist auf Histone aufgewickelt
- Sind Päckchen von 8 Histone
- DNA+Histone = Nukleosome
- Chromatin kann nicht Trankribiert werden, muss zuerst von Histonen-Packet abgewickelt werden
- Die Chromatinregulation (Methylation und Acetylation) setzt dort an.
