1b. Genetische Regulation.word.pdf
1b. Genetische Regulation.word.pdf
1b. Genetische Regulation.word.pdf
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>1b</strong>. <strong>Regulation</strong> der Transkription bei Eukaryoten1. <strong>Regulation</strong> der TranskriptionDIA 1 <strong>Regulation</strong> der TranskriptionDie Transkription von Genen wird in zwei Hauptstufen reguliert: (1) Regulierung auf derChromatin - Stufe (anders ausgedrückt die epigenetische Regulierung) bedeutet Regulierungdie Genexpression durch Histone und durch Methylierung der DNA. Die Dichte der Histone,die die DNA binden, und die Methylierung der DNA bestimmen die Intensität derTranskription. (2) Cis (Promotor, Silencer, Enahancer) und Trans Elemente(Transkriptionsfaktoren) und ihre Wechselwirkungen repräsentieren die andere<strong>Regulation</strong>sstufe der Genexpression. Die Expression eines Gens in einem bestimmten Zelltypwird also von drei Faktoren bestimmt:(i) Die Anwesenheit der benötigten Regulatorsequenzen(ii) Die Anwesenheit der Transkriptionsfaktoren, die die Regulatorsequenzen erkennen(iii)Die Zugänglichkeit der Regulatorsequezen für die Transkriptionsfaktoren. DNA mussalso von Methylierung und von Histonen frei sein.DIA 2 Promotor (Slides: 10-11) <strong>Regulation</strong> der Transkription ist mit Abstand der wichtigsteModus zur Kontrolle der eukaryotischen Genexpression. Die Cis-Regulatorsequenzenbedeuten Regulator-DNA-Motive, die durch spezifische Transkriptionsfaktoren erkanntwerden. Basale Promoterelemente, genannt TATA-Boxen, befinden zwischen 20 und 30Basen stromaufwärts der transkriptionalen Startsstelle der eukaryotischen Gene. Zur einigenGenen gehören keine TATA-Boxen, sondern sogenannte Inr-Sequenzen (initiatorsequences). Proximale (upstream) Promotorelemente, wie z.B. CAAT-Box und GC-Box,befinden sich innerhalb 30 bis 250 Basen stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle. Dieunterschiedlichen “Boxen” sind sogenannte Konsensussequenzen, d.h. das diese sich nichtoder nur leicht über große evolutionäre Distanzen unterscheiden. Vermischen wir dietranskriptionelle und translationelle Start-Seite nicht miteinander! Transkriptionsstart und –stopsequenzen sind die Beginn- und Endseite der mRNA, die translationsstart (AUG) und –stopsequenzen (UAA, UGA, UAG) sind die Start – und Stopkodone der mRNA.DIA 3Die Tabelle zeigt unterschiedliche Promotormodule mit den dazugehörigenTranskriptionsfaktoren. Die Expression eines Gens (sie zeigt ein Expressionprofil = wieviele mRNA, in welchen Zellen, wann exprimiert) wird durch eine Kombination vonModulen bestimmt. Anmerkung: Die Anwesenheit eines Moduls reicht für die Expressionnicht aus, es muss für die Transkriptionsfaktoren zugänglich sein. Dasselbe Gen wird inverschiedenen Geweben verschiedene Modulen verwenden, nämlich die regulatorische DNASequnzen erkennende Transkriptionsfaktoren unterschiedlich sind. Symbolen in der Tabelle:N: A, G, T, C W: A oder TDIA 4 Enhancer und Silencer Die Enhancer/Silencer-Regulatorsequenzen sind in der Regelstromaufwärts des jeweiligen Gens lokalisiert, obwohl es auch einige Elemente stromabwärtsoder innerhalb der Introns geben kann. Enhancersequenzen können bis zu 300.000Basenpaare von der eigentlichen kodierenden Region entfernt sein. Die Regulatorsequenzeneines durchschnittlichen Gens befinden sich innerhalb von 10.000 Basenpaaren. Die AnzahlGRUNDANFORDERUNG Vorlesung 8. Boldogkői Zsolt ©
<strong>1b</strong>. <strong>Regulation</strong> der Transkription bei Eukaryotenund Typen der Regulatorelemente variieren in jedem Gen. Die Grenzen der Gene werdendurch Insulatorsequenzen bestimmt, deren Funktion die Einschränkung des Effektes derRegulatorsequenzen der Gene ist.Wie ist es möglich, dass Enhancer-Elemente weit entfernt von den regulierten Genenliegen und trotzdem die Genexpression beeinflussen? Die Regulierung wird durchSchleifenbildung der DNA ermöglicht, wodurch, die Enhancer-gebundeneTranskriptionsfaktoren, in nächster Nähe des Promotorgebundene Transkriptionsfaktorengebracht werden. Enhancer können manchmal die gleichen motive enthalten, als diePromotoren, aber in anderen Kombinationen. Die Enhancer steigern die Transkription auf die100-fache. Die Enhancer und die Transkriptionsfaktoren, die an die Enhancer gebunden sindkönnen in drei Gruppen geteilt werden:1 allgemein (funktioniert in jeder Zelle)2, zelltyp-spezifisch3, induzierbarDie Silencer hemmen die Transkription. Sie können entweder (1) die Kompaktierung desChromatins durchadas Anlocken von Histon-Deacethylasen verursachen oder (2) hemmen dieRNA-Polymerase.Der Pro-Initiationskomplex: Der Pro-Initiationskomplex erleichtert das Anheften der RNAPolymerase II zu dem Promoter, und damit die Transkription. Die RNA Polymerase bestehtaus 12 Untereinheiten. Die Befestigung verschiedener Transkriptionsfaktoren an denPromoter oder an die Polymerase selbst muss der Bindung der RNA Polymerase an denPromoter vorausgehen. Der Pro-Initiationskomplex kann nur ein basales Expressionsleveleines spezifischen Gens initiieren.DIA 5 TranskriptionsfaktorenDie Trans- Faktoren der Transkription beeinflussen direkt die Genexpression, diese Faktorensind die folgenden: RNA Polymerase, Transkriptionsfaktoren, Transkriptions-Kofaktoren.Fünf bis zehn Prozent der Gene der Eukaryoten kodiert Transkriptionsfaktoren, was dieWichtigkeit der genetischen <strong>Regulation</strong> zeigt. In den Eukaryoten gibt es drei Typen von RNAPolymerasen. RNA PolymeraseI transkribiert rRNAs, RNA PolymeraseII transkribiertmRNAs, RNA PolymeraseIII transkribiert tRNAs. Manche Transkriptionsfaktoren bindendirekt an das TATA-Box (zB. TFIID), andere binden es indirekt (z.B TFIIA). AndereTranskriptionsfaktoren binden an RNA PolymeraseII. Das C/EBP Protein bindet an CAAT-Box, das SP1 Protein an das GC-Box.Viele Transkriptionsfaktoren erkennen die Enhancer-Elemente. Verschiedene Zellen habeneine Kombination von verschiedenen Transkriptionsfaktoren, die Zelltyp-spezifischeTranskription ermöglichen. Transkriptionsfaktoren bestehen aus mehreren Untereinheiten, diesind meistens Homo- oder Heterodimäre. Heterodimäre ermöglichen eine weitere Möglichkeitder <strong>Regulation</strong>, da jede Kombination von Transkriptionsfaktoren unterschiedliche Folgen fürdie Transkription eines Gens hat. Die Aktivität der Transkriptionsfaktoren wird durchKofaktoren beeinflusst. Posttranslationale Modifikationen (zB. Phosphorylierung)beeinflussen auch die Aktivität der Transkriptionsfaktoren.Viele Transkriptionsfaktoren sichern die Bindung des weit entfernten Enhancers an denPromotor. (Siehe Bild)GRUNDANFORDERUNG Vorlesung 8. Boldogkői Zsolt ©
<strong>1b</strong>. <strong>Regulation</strong> der Transkription bei EukaryotenDIA 6 Transkriptionsfaktoren: DNA-Erkennungsmotive: Transkriptionsfaktorenbinden das DNA durch verschiedene DNA-bindende Motive:(1) Helix-loop-helix (z.B. solche Transkriptionsfaktoren die die Gene des Immunsystemsregulieren)(2) Zn-Finger (z.B. die Steroid Hormone, die alsTranskriptionsfaktoren auch funktionieren)(3) Leuzin-Zipper (z.B. die Zellteilung regulierende Transkriptionsfaktoren)(4) Helix-turn-helix (z.B. die Faktoren die in der Ontogenese wichtige Rolle spielen)Diese Transkriptionsfaktoren interagieren miteinander und mit dem DNA als Dimäre.DIA 7 DNA-bindende und Aktivator-Domäne: Transkriptionsfaktoren binden dasDNA und andere Transkriptionsfaktore und Kofaktore. Die meisten Transkriptionsfaktorenhaben nicht nur ein DNA-bindende Domäne, sondern auch eineTranskriptionsaktivatordomäne. Eine Ausnahme ist Oct1. Es hat nur ein DNA-Bindungsdomäne, aber kann die Transkription selbst nicht aktivieren. Dazu ist VP16Transkriptionsfaktor notwendig (es ist ein virales Protein von Herpes simplex), das aberalleine kein DNA binden kann. Oct1 und VP16 ergänzen also einander und können nurzusammen die Transkription bestimmter Gene aktivieren: entweder die Zusammensetzung,oder die Funktionierung des Pre-Initiationskomplexes. Andere Transkriptionsfaktoren dieTranskription nicht aktivieren sondern hemmen.DIA 8 Zelltyp-spezifische GenexpressionObwohl fast alle unserer Zellen über den gleichen genetischen Inhalt verfügen, gibt e seineMenge unterschiedlicher Zelltypen, und jeder dieser Typen exprimiert andere Gene. DieFrage ist, wie die unterschiedlichen Zelltypen entstehen und wieso sie ihre spezifischeProteine exprimieren. Die verschiedenen Zelltypen entwickelten sich durch Differenzierung.Die genetische Basis der Differenzierung ist die Entstehung von unterschiedlichenepigenetischen Prozessen, wie Chromatinmethylierung- und Acetilierungsmustern in deneinzelnen Geweben. Das Histonmuster bestimmt somit den Typ der exprimiertenTranskriptionsfaktoren in der jeweiligen Zelle und eben diese Transkriptionsfaktorenbestimmen, ob eine Gen ein- oder ausgeschaltet wird. Normalerweise benötigt man mehrereTranskriptionsfaktoren und Kofaktoren zur Genkontrolle. Wenn einer dieser Faktoren fehlt,gibt es keine Transkription! Weiterhin findet keine Genexpression statt, obwohl der passendeTranskriptionsfaktor anwesend ist, aber die Regulatorregion durch Histone blockiert wird.Induzierte GenexpressionÄußere Wirkungen können die Expression bestimmter Gene auslösen. Signalwege,Stressfaktoren, Onthogenese usw. haben eine wichtige rolle in der Regulierung derGenexpression.DIA 9 Transkriptionsfabriken (Extra)In den nicht-teilenden Zellen ist der Chromatin nicht zufälligerweise verteilt, und die Transkription findet imKern an bestimmten Stellen statt. Die Heterochromatin zB. ist dicht an der Oberfläche der inneren Kernmembranund in der Nähe des Nucleolus zu finden.Die DNA-Abschnitte von Genen die aktiv transkribiert werden, sind in der Nähe der Kernporen. Dies bedeutet,dass durch die Aktivierung eines Gens die Verteilung des Chromatins im Zellkern umgeordnet wird.Interessanterweise, die Gene die in den gleichen Prozessen involviert sind, liegen im Zellkern dichtnebeneinander obwohl sie auf verschiedenen Chromosomen lokalisiert sind. Im Kern existieren eine ArtGRUNDANFORDERUNG Vorlesung 8. Boldogkői Zsolt ©
<strong>1b</strong>. <strong>Regulation</strong> der Transkription bei EukaryotenTranskriptionsfabriken, in denen die aktiven Gene verschiedener Chromosomen und die Regulatorproteine ineinem definierten Ort des Kerns nahe beieinander befinden. zB. TFF1 Gen befindet sich auf Chromosom 21 undGREB1 Gen auf dem Chromosom 22 aber wenn die Zelle mit Östrogen Hormon stimuliert wird, sie werden angleicher Stelle im Zellkern transkribiert. Die biologische Bedeutung dieser Erscheinung ist, dass dietranskribierten mRNAs so schnell wie möglich Zugang aus dem Zellkern in das Zytoplasma haben.DIA 11 Koordination der Replikation und der Transkription. Die Replikation der DNA begint an mehrerenStellen des Chromosoms. DNA-Polimerase bindet an die Replikationorigos (ori) der DNA. Der DNA-Abschnittzwischen zwei Origos heisst Replikon. Es gibt zwei Möglichkeiten die Replikation und die Transkription zukoordinieren.(1) Das Entfernen der Nukleosomen. In der S-Phase werden die Nukleusomen von der Umgebung derReplikationorigos entfernt. Das ermöglicht eine ungestörte Replikation, aber auch die Transkriprion kann indiesen Regionenungestört stattfinden. Gene, die in der Nähe der ori-Regionen liegen, können in der frühen S-Phase transkibiert werden. Gene in der Nähe der Mitte des Replikons können in der späten S-Phase transkibiertwerden. Eine nächste Stufe der Komplexität bedeute, dass sie verschiedene ori-Regionen eines Chromosomesnicht gleichzeitig aktiviert werden. Ein bestimmtes ori bindet die DNA-Plymerase in verschiedenen Zelltypen inverschiedenen Zeitpunkten der S-Phase , was wegen der Koordiniertheit der Transkrition un der Translation zuzelltyp-spezifischen Expression führt.(2) Kollision der Transkription und der Replikation. Die Replikation geht von einer ori-Region gleichzeitigin beide Richtungen los.DIA 12 Fakulultatives Material Transkriptioneller Interferenz Netzwerk (TranscriptionIntereference Network; TIN) Es ist ein wichtiger Teil unserer Forschungsthemen im Institut…Zusammenfassung1. <strong>Regulation</strong> des Chromatins durch- Methylierung- Acetylierung- “Histone-repulsing sequences” =Histon-abstoßende Sequenzen2. Interaktionen zwischen Regulatorelementen● Cis-Elemente:Promotor, Enhancer und Silencer● Trans-Elemente: RNA Polymerase, Transkriptionsfaktoren und CofaktorenGlossarCis-Elemente:Strang wie das Gen)Promotor, Enhancer und Silencer (befinden sich auf dem gleichen DNAChromatin ist ein Komplex aus DNA und Protein, den man im Inneren des Nukleus einereukaryotischen Zelle findet. Die meisten Proteine, die im Chromatin vorkommen, sindHistonproteine. Die Funktionen des Chromatins sind das Packen von DNA in ein kleineres Volumen,die Verstärkung der DNA um Mitose und Meiose zu ermöglichen und ein Kontrollmechanismus fürGRUNDANFORDERUNG Vorlesung 8. Boldogkői Zsolt ©
<strong>1b</strong>. <strong>Regulation</strong> der Transkription bei Eukaryotendie Expression. Veränderungen in der Chromatinstruktur werden hauptsächlich durch Methylierungund Acetylierung beeinflusst. Einfach betrachtet, gibt es drei Ebenen der Chromatinorganisation: 1.DNA Wicklung um Nukleosome. 2. Eine 30 nm kondensierte Chromatinfaser besteht ausNukleosomen in ihrer kompaktesten Form. 3. H DNA Kondensation auf hoher Ebene in einmetaphasen Chromosom.DNA Chips: Wissenschaftler verwenden DNA Microarrays, um das Expressionslevel einer grossenMenge Gene simultan zu messen.Epigenetische Vererbung: der gleiche genetische Inhalt kann mehr als einen Phenotyp als Folge desz.B. maternalen Effekts bestimmen.Exon shuffling(Mixen): Gewinn neuer Proteindomänen durch Erhalt eines neuen Exons von einemanderen Gen, das sich an einer anderen Stelle des Genoms befand.Forward genetics: Die experimentelle Prozedur , die mit einer Zufallsmutation beginnt und zu eineranschließenden Suche zur Bestimmung des veränderten Phenotypen bzw. mutierten Gens wird.Funktionelle Genomik nützt hohe Durchsatztechniken wie z. B. DNA microarrays* und Proteomik*um die Funktion und Interaktion der Gene zu beschreiben. Diese Techniken ermöglicht diegleichzeitige Analyse des Expressionslevels einer gewaltigen Menge Gene.Genexpression ist ein vielschrittiger Prozess, der mit der Transkription beginnt und vonposttranskriptionaler Modifikation und Translation gefolgt wird.Gennetzwerke sind genetische Module und bestehen aus funltionell verbundenen Genen, welche dieEntwicklung und Funktion bestimmter Merkmale, physiologischer Prozesse oder Verhaltenbeeinflussen.Das Genom eines Organismus ist die gesamte Erbinformation des Organismus, die in der DNAkodiert wird (oder, bei einigen Viren, RNA). Dies schließt sowohl die Gene als auch nichtkodierendeSequenzen ein.Genomik ist die Erforschung eines Genoms eines(r) Organismus/Spezies.Ein knockout Tier ist ein genetisch verändertes Tier (Maus), bei dem ein oder mehrere Gene zerstörtwurden. Dabei können wir lernen, welche Funktion/-en die jeweiligen Gene haben , die ausgeschaltetwurden.Phenotyp: alles, was wir an Struktur , Funktion oder Verhalten an einem Organismus beobachtenkönnen.Protein chips (= protein microarrays) sind Messeinrichtungen, mit denen wir bei biomedizinischenAnwendungen den Proteingehalt bestimmen können.Proteom: Die Gesamtheit der Proteine, die in einem Organismus existieren. Besonders wichtig ist,dass, während das Genom* eher eine konstante Größe ist, das Proteom von Zelle zu Zelle variiert undandauernd während der biochemischen Interaktionen mit dem Genom und der Umwelt sich verändert.Proteomik ist eine großangelegte Studie von Proteinen (simultane Analyse einer großen AnzahlProteinen). Dieser Begriff wurde als Analogie zur Genomik* eingeführt. Proteomik scheint deutlichkomplizierter als Genomik zu sein und wird als nächstes Level nach der Genomik betrachtet.GRUNDANFORDERUNG Vorlesung 8. Boldogkői Zsolt ©
<strong>1b</strong>. <strong>Regulation</strong> der Transkription bei EukaryotenRegulator RNAs ein weitverbreitetes Synonym ist non-coding RNA, RNA Moleküle, die, ohnetransliert werden zu müssen, funktionieren. Ihre Funktionen beinhalten die <strong>Regulation</strong> derGenexpression auf dem Level der Transkription (Chromatin Modifikation) und Translation.Reverse genetics (Rückwärts Genetik) Der experimentelle Ansatz, der mit einem geklonten DNA-Segment beginnt und anschließend in ein Hostgenom eingefügt wird. Die fremde DNA kann sowohlals Transgen, welches in Wirtstieren überexprimiert ist, als auch als knock out Werkzeug genutztwerden, um ein endogens Wirtsgen auszuschalten. Das Ziel der reversen Genetik ist, einenveränderten Phenotype durch Genmanipulation zu erforschen.Ribonuklease (RNase) ist ein Enzym, das den Abbau der RNA in kleinere Bestandteile katalisiert.Signaltransduktion: ist jeder Vorgang, bei dem eine Zelle einen Stimulus in einen anderenumwandelt. Prozesse , die als Signaltransduktion bezeichnet werden, umfassen oft eine Sequenz vonbiochemischen Reaktionen innerhalb der Zelle, welche durch Enzyme und andere Proteine über einenSecond messenger miteinander verbunden sind.Stille Kodonpositionen. Der genetische Kode ist redundant, was in den meisten Fällen bedeutet, dassmehr als ein Kodon eine einzelne Aminosäure bestimmt. Solch Basenersatz, der nicht in eineÄnderung der Aminosäuren resultiert, wird stiller Wechsel genannt Die Positionen der Kodone (i.d.R.das dritte), welche ersetzbare Basen enthalten nennt man stille Kodonpositionen.Small interfering RNA (siRNA), bilden eine Klasse von 20-25 Nukleotide-langen RNA Molekülen,die die Genexpression stören. Diese werden auf natürlichem Wege produziert als Teil der RNAInterferenz (RNAi) durch das Enzym Dicer. Diese können auch exogen (künstlich) eingebrachtwerden, um eine Gen absichtlci auszuschalten. siRNAs haben eine ganz bestimmte Struktur. Es isteine kurze (für gewöhnlich 21-Nukleotide) doppelsträngige RNA (dsRNA) mit 2-Nukleotid Überhangan ihrem jeweiligen Ende, einschließlich eine 5' Phosphatgruppe und eine 3' hydroxy (-OH) Gruppe.Spliceosom ist ein Komplex aus RNA und vielen Proteinuntereinheiten, die die nichtkodierendenIntrons aus der Pro-mRNA entfernen. Die RNAs, aus denen die Spliceosome bestehen , werden alsU1, U2, U4, U5, und U6 bezeichnet, und partizipieren in mehreren RNA-RNA und RNA-ProteinVerbindungenTrans-Elemente:sich im Zytoplasma)RNA Polymerase, Transkriptionsfaktoren und Cofaktoren (befindenTranskriptionsfaktor: Ein Protein, das an die DNA bindet mithilfe eines Promoters und Enhancersoder anderen Transkriptionsfaktoren und dabei direct die Transkription kontrolliert.Transkriptionsfaktoren können selektiv aktiviert werden bzw. durch andere Proteine deaktiviertwerden, was oft als letzter Schritt in der Signaltransduktion* geschieht.Transgenischer Organismus: ein Organismus, der über integrierte fremde DNA verfügt, die in seineKeimbahn durch experimentelle DNA-Einfügung gelangte. Rekombinante DNA Techniken werdenoft verwendet, um transgenische Organismen zu produzieren.Ubiquitin ist ein Polypeptid, der aus 76 Aminosäureresten besteht, und an verschiedene spezifischeProteine konjugiert werden kann durch Mitglieder einer komplexen Familie vonEnzymkaskadensystemen, wobei signalisiert wird, dass das betroffene Protein für den Abbaubestimmt ist.GRUNDANFORDERUNG Vorlesung 8. Boldogkői Zsolt ©
<strong>1b</strong>. <strong>Regulation</strong> der Transkription bei EukaryotenNotizen:GRUNDANFORDERUNG Vorlesung 8. Boldogkői Zsolt ©