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

RNA (Ribonucleic Acid) RNA-Struktur RNA-Spleißen RNA-Synthese RNA-Turnover

DNA RNA 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

Die Bausteine der RNA

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

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‘ RNA-Polymerase 5‘ 3‘ 5‘

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

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

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

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

Die Synthese der RNA

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 der RNA-Polymerase abgeschrieben (= transcribiert) wird besteht 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 P2 ORF 2 T2 RNA-Transkripte 3‘ 5‘ 3‘ 5‘ 3’-UTR 5’-UTR AUG UAA AUG UGA RNA (1) RNA (2)

RNA RNA-Polymerase Holoenzym a b‘ b a DNA-Matrizenstrang 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...

Aufbau eines E. coli Promoters 2 wiederkehrende Motive -35 Region -10 Region (Pribnow-Box) RNA-Polymerase Consensus-Sequenz Promotoren für: +1 Stelle Initiation UUGUGAGCGG… mRNA Aufbau eines E. coli Promoters 2 wiederkehrende Motive > 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

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

Die gesamte RNA in Eukaryonten wird von drei verschiedenen RNA-Polymerasen synthetisiert E. coli hat nur 1 RNA-Polymerase für die verschiedenen Transkripte Mensch hat RNA-Polymerase I, II und III (Pol I, II, III) mit speziellen Aufgaben Typ Lokalisation zelluläre Transkripte Hemmung durch a-Amanitin 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)

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

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

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

DNA RNA-Polymerase DNA Promotoren von eukaryontischen Genen enthalten TATA-Box und zusätzliche 5‘-stromaufwärts liegende DNA-Sequenzen, die für die Bindung der RNA-Polymerasen benötigt werden 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 Prokaryont Promoter Eukaryont 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

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

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. coli Sigma-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

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

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 Drosophila entdeckt > Körperteile an falschen Stellen z. B. die Antennapedia Mutante > Beine am Kopf Normaler Kopf einer Drosophila Fliege Antennapedia Mutante

Homeodomain-Transkriptionsfaktoren

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

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

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

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

Adrenalin (Epinephrin)-induzierte Gen-Expression 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

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

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung

Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung