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Das Zentrale Dogma des Lebens

DNA. DNA. RNA. Protein. Protein. Das Zentrale Dogma des Lebens. Die Expression der genetischen Information eines Gen-Abschnitts auf der DNA ist immer mit der Synthese eines RNA-Moleküls gekoppelt. RNA. ( R ibo n ucleic A cid). RNA-Struktur. RNA-Spleißen. RNA-Synthese. RNA-Turnover.

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Presentation Transcript

  1. DNA DNA RNA Protein Protein Das Zentrale Dogma des Lebens Die Expression der genetischen Information eines Gen-Abschnitts auf der DNA ist immermit der Synthese eines RNA-Moleküls gekoppelt

  2. RNA (RibonucleicAcid) RNA-Struktur RNA-Spleißen RNA-Synthese RNA-Turnover

  3. Im Unterschied zur DNA ist die RNA in der Regel (1) einzelsträngig (manchmal doppelsträngig) (2) OH-Gruppe an der 2‘-Stelle des Ribose-Rings (3) Thymin (T) ist durch Uracil (U) ersetzt DNA RNA

  4. Die Bausteine der RNA

  5. RNA-Struktur > in der Regel einzelsträngig (v.a. mRNA) > doppelsträngige Abschnitte (stem loop;hairpin) sind möglich (tRNA, rRNA, miRNA)

  6. 5‘ RNA-Polymerase 3‘ Die Biochemie der RNA-Transkription Ribonucleosid-5‘-Triphosphate ATP, CTP, GTP, TTP sind die aktivierten Vorstufen bei der RNA-Synthese (NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi RNA-Polymerase RNA-Polymerasen besitzen eine 5‘>3‘ Polymerase-Aktivität und benötigen keinen Primer zum Start 3‘ 5‘

  7. Neu-eintretendes Ribonucleotid-Triphosphat Nukleophiler Angriff der 3‘-OH Gruppe am a-Phosphoatom + O Die Biochemie der RNA-Kettenverlängerung Wie werden die Ribonucleotid-Bausteine in die RNA eingebaut? o 5‘ > 3‘ Verknüpfung (Phospho-Diester-Brücken) o 5‘-Ende mit Phosphat-Gruppe o 3‘-Ende mit freier OH-Gruppe

  8. Die Synthese der RNA RNA-Polymerase neuer RNA-Strang Ribonucleotid-Triphosphate DNA-Matritze 5‘ Transkriptionsgeschwindigkeit ca. 50 Nukleotide pro sec 3‘ Richtung der Transkription

  9. RNA-Polymerase kann zwischen (+) und (-) Strang unterscheiden DNA-Nichtmatritzenstrang (+) (Sinnstrang, kodierender Strang) 3‘ mRNA-Transkript 3‘ DNA-Matritzenstrang (-) Codogener Strang 3‘ 5‘

  10. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

  11. Die Synthese der RNA

  12. P2 ORF 2 T2 5’-UTR 3’-UTR Die RNA-Transkription beginnt an spezifischen Promoter-Stellen auf der DNA auf dem E. coli Chromosom befinden sich ca. 2000 Gene, wobei es einige hunderte Startstellen (Promotoren) für die RNA-Polymerase gibt (Operons) das menschliche Genom hat ca. 25. 000 Gene, entsprechend mehr Promotoren auf den Chromosomen gibt es es ist für die Zelle möglich, Promotoren zu regulieren (an- bzw. abzuschalten). >> regulierte Genexpression Regulierte Genexpression ist essentiell für die Differenzierung von Zellen oder im Zellzyklus Bei Mißregulation > Krankheits-Entstehung (Krebs; siehe „Transkriptions-Faktoren“) Ein Gen, das von derRNA-Polymeraseabgeschrieben (= transcribiert) wirdbesteht aus: 1. Promoter (P) = Startstelle für die RNA-Polymerase 2. ORF = “open reading frame“ (offener Leseraster), was dem DNA-Abschnitt entspricht, der für das entsprechende Protein kodiert 3. Terminations-Sequenzen (T) für die Beendigung der Transkription Gen 1 Gen2 DNA P1 ORF 1 T1 3‘ 3‘ RNA-Transkripte 5‘ 5‘ AUG UGA AUG UAA RNA (1) RNA (2)

  13. RNA-Polymerase Holoenzym Sigma-Untereinheit hat eine wichtige Rolle beim Erkennen der Promotoren Promoter a b‘ b a RNA-Polymerase bindet lose an den Promoter und bildet -35 “geschlossenen“ Komplex Entlangwandern an der DNA RNA-Polymerase bindet noch fester an den Promoter, wandert zu -10 und die DNA wird entwunden, um den “offenen“ Komplex zu bilden. >> RNA-Synthese beginnt Purin-Nukleotid Triphosphat DNA-Matrizenstrang Sigma-Untereinheit wird freigesetzt, sobald die RNA-Polymerase mit der Transkription beginnt RNA AUCC...

  14. Aufbau eines E. coli Promoters 2 wiederkehrende Motive Consensus-Sequenz +1 Stelle Initiation Promotoren für: -10 Region (Pribnow-Box) -35 Region UUGUGAGCGG… mRNA > je stärker ein Promoter ist, desto ähnlicher ist die -35/-10 Sequenz dem Consensus > dabei rufen starke Promotoren eine häufige Initiation der Transkription hervor (Bindung der RNA-Polymerase an den Promoter alle 2 sec), während schwache Promotoren nur alle 10 min eine Transkription herbeiführen. > Regulatorproteine können die Transkriptionsrate beeinflussen RNA-Polymerase

  15. Prokaryotischer Promoter Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-Bindung Transkriptions-Start Codierende Sequenz RNA-Polymerase

  16. Typ Lokalisation zelluläre Transkripte Hemmung durch a-Amanitin Die gesamte RNA in Eukaryonten wird von drei verschiedenen RNA-Polymerasen synthetisiert E. coli hat nur 1 RNA-Polymerase für die verschiedenen Transkripte Menschhat RNA-Polymerase I, II und III (Pol I, II, III) mit speziellen Aufgaben Pol I Nukleolus 18S, 5.8S und 28S rRNA - Pol II Nukleoplasma mRNA, snRNA, miRNA + Pol III Nukleoplasma tRNA, 5S rRNA +/- Katalytische Aktivität der eukaryontischen RNA-Polymerasen: 5‘ > 3‘ Synthese a-Amanitin, das Gift des Knollenblätterpilzes (zyklisches Oktapeptid), blockiert die Pol II (hemmt es die Elongation der RNA-Synthese)

  17. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

  18. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

  19. E. coli RNA Polymerase Eukaryontische RNA-Polymerasen I II III b‘ und b-ähnliche Untereinheiten a-ähnliche Untereinheiten gemeinsame Untereinheiten Pol-spezifische Untereinheiten

  20. Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-Bindung Prokaryont Promoter Transkriptions- Start Codierende Sequenz DNA RNA-Polymerase Eukaryont Promoter Transkriptions- Start GC GC-Box DNA

  21. Promotoren von eukaryontischen Genen enthalten TATA-Box und zusätzliche 5‘-stromaufwärts liegende DNA-Sequenzen, die für die Bindung der RNA-Polymerasen benötigt werden Prokaryont Promoter Eukaryont Promoter Consensus-Sequenz für RNA-Polymerase-Bindung • -25 Box (TATA-Box) kommt in nahezu allen eukaryontischen Promotorenvor • verantwortlich für die Transription durch Pol II • Mutationen in der TATA-Box hemmen die Promoter-Aktivität und mRNA-Transkription Transkriptions- Start TATA-Box notwendig für Promoter-Aktivität (TATA-bindenes Protein) > Zusätzliche Elemente: CAAT-Box und GC-Box zwischen -110 und -40 Codierende Sequenz DNA RNA-Polymerase Transkriptions- Start GC GC-Box DNA

  22. Die RNA-Polymerase benötigt zahlreiche Basal-Transkriptionsfatoren, die an die TATA-Box binden: die TFII-Faktoren TATA Bindendes Protein

  23. Die Wirkung von Transkriptionsaktivatoren > Transkriptionsaktivatoren binden an DNA-Elemente, die mehr als 100 Basenpaare von der Transkriptionsstartstelle entfernt liegen > Ungeachtet der Entfernung, kann eine direkte Assoziation der Transkriptionsaktivatoren mit dem Initiationskomplex der RNA-Polymerase erfolgen. > Erst durch Bindung dieser Transkriptionsfaktoren kann dieRNA-Polymerase II “loslegen“ (vgl. E. coliSigma-Faktor) Sp1 = 95 kDa Säugerprotein, das für die Transkription von Genen benötigt wird, die GC-Boxen enthalten (Zink-Finger-Protein) CTF1 = CAAT-bindender Transkriptions- Faktor von 60 kDa, der spezifisch die CAAT- Box erkennt

  24. Verschiedene Struktur-Motife von Transkriptionsfaktoren Zink-Finger Helix-Turn-Helix Große Furche DNA-bindende Helices Zink-Ionen Finger Helix-Loop-Helix Leucin Zipper Helix Leucine Loop DNA-bindende Helix DNA-bindende Helix

  25. Normaler Kopf einer Drosophila Fliege AntennapediaMutante Homeodomain-Proteine gehören zur Familie der “Helix-Turn-Helix“ Transkriptionsfaktoren > kritische Rolle bei der Regulation der Gen-Expression während der Embryonal-Enwicklung Homeodomain-Gene wurden zuerst als Entwicklungsmutanten bei Drosophilaentdeckt > Körperteile an falschen Stellen z. B. die Antennapedia Mutante > Beineam Kopf

  26. Homeodomain-Transkriptionsfaktoren

  27. Vorgänge beim Übergang zur Elongationsphase der Transkription CTD Übergang:Initiation > Elongation Phosphorylierung des C-terminalen repetitiven Heptapeptides (CTD) der RNA-Polymerase II > Loslösung der Transkriptions-Faktoren

  28. Promoter und ORF Transkription vom Chromatin Aktivator DNA um das Nukleosom gewunden “Chromatin-Remodeling Factor“ Nukleosom wird vom Promoter verdrängt mRNA Bindung und Wanderung der Transkriptions-Maschinerie

  29. Leber- spezifisch Hepatozyten-spezifische Genexpression Leber-spezifisch ubiquitär ubiquitär ubiquitär Aktivatoren Transcriptosome (molekulare Maschine)

  30. Leber-spezifische Gen-Expression durch Hepatozyten-spezifische bzw. Intestinalzellen-spezifischeTranskriptionsfaktoren

  31. Glucose-6- Phosphatase Adrenalin (Epinephrin)-induzierte Gen-Expression von Gluconeogenese-Enzymen in Leberzellen Fructose-1,6- Bisphosphatase Transcriptionsfaktor DNA PEP- Carboxykinase Pyruvat- carboxylase CREB = cAMP responsive element binding protein

  32. Glucose-6- Phosphatase Epinephrin (Adrenalin)-induzierte Gen-Expression von Gluconeogenese-Enzymen in Leberzellen Fructose-1,6- Bisphosphatase PEP- Carboxykinase Pyruvat- carboxylase

  33. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

  34. Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

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