Translationsrepression (Beispiele) Spermatogenese Drosophila twine mRNAund Cell Zyklus Regulation Protamin mRNA in der Spermatogenese von Säugern Stoffwechsel.

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1 Translationsrepression (Beispiele) Spermatogenese Drosophila twine mRNAund Cell Zyklus Regulation Protamin mRNA in der Spermatogenese von Säugern Stoffwechsel Eisenstoffwechsel in der Physiologie von Säugern Oogenese Organismen (Wirbeltiere und Wirbellose) speichern mRNA in der Eizelle, die erst nach der Befruchtung translatiert wird (Säuger weniger)

2 Fig.1aus: Steger, Klaus (1999) Transcriptional and translational regulation of gene expression in haploid spermatids. Anat. Embryol. 199, 471-487. Von Nucleosomen zu Doughnuts

3 Aus Campbell S. 1034 Testes: Säuger Transkription der Protamine: in haploider Phase, aber mRNAs einige Tage nicht translatiert! Wie wird das reguliert?

4 Regulation der Transkription Tafel a)Sequenzanalyse b)Dort bindende Transkritionsregulatoren

5 Fig. 7 aus: Dadoune, JP (1999) Expression of Mammalian Spermatozoal Nucleoproteins. Microscopy Research and Technique 61, 56-75. Genregulation des Protamine 2 Gens der Maus HRE: Steroid hormone responsive element CRE: cAMP responsive element

6 Translationskontrolle Abkürzungen: Prm: protamine 1 hGH: human growth hormone 5´UTR: 5´untranslatierte Region einer mRNA 3´UTR: 3´untranslatierte Region einer mRNA RNA PolymeraseI: transkribiert rRNA RNA PolymeraseII: transkribiert Protein kodierende Gene RNA Polymerase III: transkribiert u.a. tRNA

7 Welcher Bereich der mRNA vermittelt die Repression der Translation Test: Austausch von Teilen der mRNA gegen Bereiche einer anderen mRNA (ohne Translationskontrolle), die im Testes normalerweise nicht vorkommt! Reportergen Assay an der Tafel erklären! Machen Sie z.Z. im Praktikum!

8 Fig. 8 aus: Dadoune, JP (1999) Expression of Mammalian Spermatozoal Nucleoproteins. Microscopy Research and Technique 61, 56-75. Protamin 1 der Maus: Translationsinhibition der mRNA

9 Wie könnte man vom 3´UTR aus die Translation inhibieren? Nächste Folie: Model aus Drosophila Oogenese! Es geht ums Prinzip, nicht die Abkürzungen auswendig lernen!

10 Aus: Lasko, Paul (2003) Cup lining oskar RNA localization and translational control. J. Cell Biol. 163 (6), 1189-1191. Model für die Translationsrepression vom 3´UTR aus 5´ 3´ Proteine „koppeln“ 5´und 3´und blockieren dadurch den Translationsfakor 4E

11 Translationsrepression/ mRNA Degradation Eisen in der Zelle muss reguliert werden, weil Eisen einerseits essentiel für die reaktiven Zentren vieler Enzyme ist, andererseits zuviel Eisen toxisch auf die Zellen wirkt! Wie funktioniert das? Zwei wichtige Moleküle heute: Ferretin: Eisenspeicher in der Zelle: Transferrinrezeptor: über diesen wird Eisen in die Zelle aufgenommen, wenn viel Fe 2+ in der Zelle ist, wäre es sinnvoll keinen Rezeptor mehr zu synthetisieren

12 Eisenstoffwechsel-Säuger Eisenaufnahme: Duodenum Speicherorgan: hauptsächlich: Leber Eisentransport: über Transferrin über die Blutbahn Aufnahme in die Zelle über den Transferrin-Rezeptor: per Endozytose siehe Vorlesung Prof. Maier Speicherung von Eisen über Ferritin in der Zelle

13 Eisen und Eisenparameter F. Matzkies, F. Tokmak, L. C. Rump und O. Mick Physiologie des Eisenstoffwechs e ls Eisen ist ein wesentlicher Bestandteil unserer Stoffwechselsysteme. Neben der Aufgabe des Sauerstofftransports ist Eisen für viele Enzymsysteme essentiell an der Oxidation und Reduktion beteiligt. Erwachsene Männer haben einen Eisengehalt von 35 - 45 mg pro Kg Körpergewicht. Der größte Anteil des Eisens liegt an Erythrozyten gebunden in Form von Hämoglobin im Körper vor. Ca. 1,8 g entfallen dabei auf das zirkulierende Blutvolumen und 300 mg auf die im Knochenmark vorrätigen Hämoglobinreserven. Das retikuloendotheliale System als Hauptabbauort der Erythrozyten enthält ca. 600 mg Eisen in Form von Myoglobin. Die Leber als größtes parenchymatöses Organ und Hauptspeicherort des Eisens enthält ca. 1 g bezogen auf den Gesamteisenhaushalt eines Mannes. Transferrin als entscheidendes Transportprotein enthält dabei nur 3 mg des Gesamteisenhausha l t s.

14 Eisenresorption und zellulärer Tra n sport Die tägliche Eisenaufnahme mit der Nahrung beträgt ca. 10 - 15 mg, davon werden im Duodenum jedoch nur lediglich 1 - 2 mg pro Tag aufgenommen. Die Eisenausscheidung beträgt ebenfalls 1 - 2 mg pro Tag und erfolgt durch Abschilferung epithelialer Darmzellen. Die Eisenresorption ist dabei an ein im Magen saures Milieu gebunden. Durch die Magensäure wird Eisen aus seinen enzymatischen Bindungen in der Nahrung gelöst und in seine zweiwertige Form durch eine membranständige Eisenreduktase überführt. Die Eisenresorption erfolgt dann über ein unselektives Eisentransportenzym DMT 1 (Divalent metal transporter 1), das neben Eisen in zweiwertiger Form auch Mangan, Kobalt, Zink und Blei transportiert. In der Zelle wird Eisen in seiner üblichen Speicherform an Ferritin gebunden gespeichert oder an Transferrin gebunden der Blutzirkulation zur Verfügung gestellt. Die innere zelluläre Aufnahme des Eisens erfolgt durch die Bindung des Transferrins an seinen zellulären Transferrin-Rezeptor. Der Transferrin-Rezeptor wird zusammen mit dem Eisentransportenzym DMT 1 als Endosom in die Zelle internalisiert. Durch eine Ansäuerung des Endosoms kommt es zu einer Lösung des Eisens von Transferrin, und über das Enzym DMT 1 wird Eisen an die Zelle abgegeben, das Endosom verschmilz mit der Zelloberfläche, das Transferrin löst sich von seinem Transferrin-Rezeptor und wird als nicht eisengebundenes Transferrin (Apotransferrin) in die Zirkulation freigesetzt. Der Transferrin-Rezeptor erscheint ebenfalls in freier Form auf der Zelloberfläche. Der Eisentransport erfolgt durch das Glykoprotein Transferrin. Es besteht aus 2 homologen Domänen, die bei einem normalen Plasma-pH von 7,4 eine starke Eisenbindungskapazität besitzen. Transferrin ist in der Lage, 2 Eisenatome zu binden, sind beide Resorptionsstellen besetzt, ändert sich die Konformation des Glykoproteins, und die Bindung an den Transferrin- Rezeptor wird dadurch ermöglicht. Ungefähr ein Drittel des Gesamt-Transferrins ist mit Eisen gesättigt, nur 10% des Transferrins liegen in zweifach gesättigter Form vor. Die Regulation der intrazellulären Eisenaufnahme erfolgt über den Transferrin-Rezeptor. Der Transferrin-Rezeptor ist ein membranständiges Glykoprotein, das in der Lage ist, jeweils 2 Transferrin-Moleküle zu binden. Die zelluläre Aufnahme des Eisens erfolgt - wie bereits zuvor beschrieben - durch Endozytose des an seinen Rezeptor gebundenen Transferrins, die Freisetzung des Eisens durch eine entsprechende Azidifizierung. Intrazellulär und extrazellulär wird Eisen durch Ferritin gespeichert.

15 TfR: Transferrin Rezeptor Transferrin und Eisenaufnahme: Endocytose (aus Maier-Teil) Tf: Transferrin

16 Fig. 2. Iron Delivery to Tissues Jerry Kaplan (2002). Mechanisms of Cellular Iron Acquisition: Another Iron in the Fire. Cell 111, 603-606. Im Zielgewebe wird Eisen über den Tf= Transferrin und den Transferinrezeptor endozytotisch aufgenommen Regulation: ist Eisen genug vorhanden: wird Tf mRNA degradiert

17 Fig. 1. Intestinal Iron Uptake Jerry Kaplan (2002). Mechanisms of Cellular Iron Acquisition: Another Iron in the Fire. Cell 111, 603-606. Eisenaufnahme im Dünndarm Die Ferritinmenge wird über die Translation der Ferritin-mRNA geregelt Eisen vorhanden= Translation der Ferretin mRNA, damit Fe 2+ gespeichert wird!

18 Translationsrepression: Eisenstoffwechsel-Säuger Über die Regulation der Translation der mRNAs kann schneller reagiert werden, als über Transkription! Aber Wo sitzt der Senor für die Eisenmenge, der die Translation reguliert??? Ferritin speichert Eisen außerhalb der Zelle und innerhalb der Zelle?! Ferretin sitzt auch als Fe Transporter am Transferrrin Rezeptor Ort der Translationskontolle ist natürlich Cytoplasma!

19 Wo sitzt der Sensor für die Eisenmenge? im 5´Bereich der mRNA für Ferritin im 3´Bereich der mRNA für Transferin bindet das gleiche Protein an eine Sekundärstrukur in der mRNA dieses ändert seine Konformation durch Eisenbindung und löst sich daraufhin von der mRNA Konsequenzen: für Ferretin mRNA: Translationsaktivierung----Eisen speichern für Transferrinrezeptor mRNA: Degradation--- kein weiteres Eisen importieren

20 Zwei Ebenen der Translationskontrolle in Abhängigkeit vom Eisenwert aus Alberts Fig. 9-86 - Fe + Fe