Genregulation bei Eukaryoten

Genregulation beiEukaryoten

1. Allgemeines über Genregulation2. Aufbau der DNA3. Enhancer4. Aktivierung und Repression5. System, das Östrogene wahrnimmt und auf sie anspricht- DNA- Bindungsdomäne- Ligandenbindungs- Domänen- Coaktivatoren6. Steroidhormonrezeptoren als Angriffspunkte fürMedikamente7. Acetylierung der Histone8. Repression der Transkription9. Regulation der Transkription bei Bakterien10. Eisen als Regulationsfaktor bei Eukaryonten

1. Allgemeines über GenregulationDie Genregulation bei Eukaryonten ist komplizierter als beiProkaryonten aus den folgenden Gründen: das Genom, welches reguliert werden muß, ist bedeutend größer so besitzt das E.coli nur ein einzelnes ringförmiges Chromosom mit4,6 Mb, welches rund 2000 Proteine codiert in einer menschlichen Zelle verteilt sich das Genom auf 23Chromosomenpaare, wobei die Größe der Chromosomen von 50 bis250 Mb reichtes gibt verschieden Zelltypen bei höheren Organismen (dasbedeutet verschieden stark exprimierte Gene in den jeweiligenZellen)eukaryotische Gene sind in der Regel nicht in Operons organisiertTranskription und Translation sind nicht gekoppelt

2. Aufbau der DNADNA besteht ausHistonen und bpje vier Histon-Dimeren bilden einoctameres,scheibenförmigesNucleosomencore-Partikeldie Verbindungs-DNA zwischen denNucleosomen ist inder Regel 50- 60 bplang und mit demHiston H1 assoziiert

Histone

jedes Histon besitzt an seinem Aminoende einenSchwanz, der aus der Core-Struktur herausragt;wichtig für Affinität der Histone zur DNA Nucleosomen bilden sich bevorzugt anbestimmten Stellen der DNA Histon H1 „ verschließt“ Nucleosom an der Stelle,wo die Verbindungs-DNA in es eintritt und verlässt die Windung der DNA verringert ihreLängsabmessungen, trägt so zu ihrer Verpackungbei zusätzlich bilden die Nucleosomen spiralförmigeAnordnungen, welche noch zu Schleifenzusammen gefasst werden

Spielt die Chromatinstruktur eine Rollefür die Regulation der Genexpression? hypersensitive Stellen in DNA könnenleichter von Enzymen angegriffen werden Diese entsprechen Bereichen, in denNucleosomen entweder ganz fehlen oder ineiner veränderten Konformation vorliegen hypersensitiven Stellen sindzelltypspezifisch; werdenentwicklungsbedingt reguliert Lockerung der Chromatinstruktur ist eineVorrausetzung für die Genexpression

Bindungsstelle für GAL4Bsp: In der Hefegibt es rund 4000potenzielleBindungsstellen fürGAL4. ImExperiment fandman heraus, dassnur 10 davon Generegulieren.

3. EnhancerDNA-Sequenzen, die keine Promotoraktivität besitzenSteigern die Aktivität vieler Promotor bei EukaryontenIn vielen Fällen beeinflussen solche DNA-bindendenProteine die Initiation der Transkription, indem sie räumlichbegrenzt die Chromatinstruktur stören und so ein Gen oderseine Regulationsstelle freilegenDie Modifikation der DNA ist ein Mechanismus, mit dem dieGenexpression in bestimmten Zelltypen spezifischunterdrückt werden kann.

4. Aktivierung und RepressionProtein-Protein-Wechselwirkungen spielen bei derGenregulation der Eukaryonten die beherrschende RolleTranskriptionsfaktoren haben bei den Eukaryonten alleinenur in seltenen Fällen Auswirkungen auf die TranskriptionJeder Faktor zieht andere Proteine heran, sodass großeKomplexe entstehen, die mit dem Transkriptionsapparat inWW treten und so die Transkription aktivieren oderunterdrückenVorteil dieser Regulation: ein einzelnes Regulationsproteinkann unterschiedliche Wirkungen entfalten, je nachdemwas für andere Proteine in derselben Zelle vorhanden sind= kombinatorische Kontrolle

5. System, das Östrogene wahrnimmtund auf sie ansprichtÖstrogene sind hydrophobe Molekülediffundieren durch Zellmembranheften sich dort an hochspezifische, lösliche RezeptorproteineWirkmechanismus ist bei all diesen Rezeptoren ähnlich:Ligand bindet an den Rezeptor,Komplex bildet sich aus Ligand und Rezeptor,Komplex heftet sich an Kontrollelemente in der DNAdamit kann spezifisch die Expression einzelner Genebeeinflusst werden werden als Zellkernhormonrezeptoren bezeichnet

Zellkernhormonrezeptor DomänenDNA-Bindungsdomäne; binden ansogenannte Cis-Elemente der DNAEnhancer sorgt für diesequenzspezifische Aktivität desRezeptors an der DNAAcht der neun Cysteinreste sindkonserviert, weil sie Zinkionenbinden, welche die Strukturstabilisieren; ohne sie entfaltet sichdie ProteinketteZinkfingerdomänenLigandenbinduns-Domänenenthalten im Aufbau sehrunterschiedliche ElementenIn Experimenten mit gereinigtenZellkernhormonrezeptoren stelltesich heraus, das die Affinität undSpezifität der DNA-Bindung, durchAnheftung des Liganden, sich nichtnennenswert verändern

Bindung des Liganden an einenZellkernhormonrezeptor

Coaktivatorensind Proteine die sich nur dann mit dem Rezeptorzusammenlagern, wenn der Ligand vorhanden ist; Bsp.dafür sind SRC-1, GRIP-1 und NcoA-1Jedes Coaktivatorprotein enthält in seiner Mitte in einemAbschnitt aus 200 AS drei Sequenzen der Form Leu-X-X-Leu–Leu, bilden kurze α-Helices, die an einemhydrophoben Abschnitt auf der Oberfläche derLigandenbindungsdomäne eines Zellkernhormonrezeptorsbinden

Struktur einesCoaktivators

- Manche Proteine aus der Familie der Zellkernhormonrezeptorenunterdrücken die Transkription, solange Ligand nicht vorhandenist Repressoreffekt- wird durch die Ligandenbindungsdomäne verursacht- Solange Ligand fehlt, verbinden sich die Ligandenbindungsdomänendieser Rezeptoren mit Corepressorproteinen- Corepressoren binden an eine Stelle, die mit der Bindungsstellefür Coaktivatoren überlappt- Dockt sich Ligand an, bewirkt er die Loslösung des CorepressorsLigandenbindungsdomäne wird frei kann Coaktivator binden

6. Steroidhormonrezeptoren sindAngriffspunkte für MedikamenteAgonisten : Wirkstoffe, die an Rezeptor binden und Signaltransduktionswegin Gang setzenÜbermäßige Anwendung von Agonisten zur Stimulation desMuskelaufbaus (anabole Steroide) rufen Nebenwirkungen hervor:Mann:- verminderte Ausschüttung von Testosteron- Hodenatrophie- Brustvergrößerung (Gynäkomastie)Frau:- Ausbleiben des Eisprungs- verminderten Östrogenausschüttung- Rückbildung der weiblichen Brust- Wachstum der Gesichtsbehaarung

Antagonisten:binden an Zellkernhormonrezeptoren, ohne eineSignalübertragungsweg zu erzeugenz.B.: Antagonisten , die auf den Östrogenrezeptor zielen, wieTamoxifen und RaloxifenTamoxifen bindet an die gleiche Stelle wie das Östradiol, besitztaber chem. Gruppen, die sich bis in die ligandenbindendeVertiefung erstreckenBlockierung der Bindung von Coaktivatoren und damit auch derAktivierung der Genexpression.

Komplex aus Östrogenrezeptor undTamoxifen

7. Welche Folge hat die Acetylierungder Histone?Aminogruppe des Lysins wird durch Acetylierung zumAmid Verringerung der Affinität des gesamtenHistonkomplexes zur DNA; dadurch Auflockerung derBindung und Freilegung zusätzlicher DNA-Abschnitteacetylierten Lysinreste treten mit einer spezifischenAcetyllysin-Bindungsdomäne in WW ( Bromodomäne)Proteine mit Bromodomänen sind Bestandteile von zweigroßen Komplexen (z.B. TATA-Box-Bindeprotein), die fürdie Transkription unentbehrlich sindDie Acetylierung der Histone aktiviert die Transkriptionüber insgesamt drei Mechanismen:1. Affinität der Histone für die DNA vermindert sich2. weitere Bestandteile des Transkriptionsapparates werdenhinzugezogen3. die aktive Umformung der Chromatinstruktur wird in Ganggesetzt

8. Repression der Transkription( am Beispiel von Adrenalin )Bindung von Adrenalin an Membranrezeptor führt überPhosphorylierungskaskade zur Deacetylierung des Lysin Regulation der Transkription

9. Regulation der Transkription beiBakterienBei Bakterien sind sogenannte Attenuatoren vorhanden(RNA-Abschnitte die alternativ mehrere Strukturenausbilden)sind ein elegantes Mittel, mit dem die Zelle die zur PBSnotwendige AS-Versorgung misst, z.B.: TryptophanBei zu geringen Konzentrationen von trp wird dieTranskription nicht sinnvoll beendet, sondern bleibtstehen; Ausbildung einer alternativen Struktur, die einWeiterlesen der Polymerase über den Attenuator hinausermöglicht nicht terminiertes Protein

DNA besteht ausHistonen und bpje vier Histon-Dimeren bilden einoctameres,scheibenförmigesNucleosomencore-Partikeldie Verbindungs-DNA zwischen denNucleosomen ist inder Regel 50- 60 bplang und mit demHiston H1 assoziiert

ZusammenfassungWelche Regulationsmöglichkeiten gibt es:Welche Regulationsmöglichkeiten gibt es: Konzentration einer Substanz verändern (Eisen,AS (Tryptophan)) über Coaktivatoren über Rezeptorbindung kann die Transkriptionverhindert werden (Adrenalin) Acetylierung der Histone übt Aktivierung derTranskription aus Enhancer Chromatinstruktur