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2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25 - Biologie

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25 - Biologie


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Lernziele im Zusammenhang mit 2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25

  • Schlagen Sie angesichts des zentralen Dogmas eine Begründung für die Notwendigkeit vor, jeden Schritt, einschließlich des Abbaus von Biomolekülen, zu regulieren.
  • Voraussage anhand von Informationen über die allosterische Regulation eines DNA-bindenden Proteins, welchen Effekt eine Änderung der Konzentration des allosterischen Regulators auf die Bindung eines Transkriptionsfaktors an ein regulatorisches Element haben würde.
  • Beschreiben Sie die Rolle sowohl positiver als auch negativer Transkriptionsregulatoren bei der Kontrolle der Genexpression.
  • Zeichnen Sie Modelle, die helfen zu erklären, wie die allosterische Bindung kleiner Moleküle an sowohl positiv als auch negativ wirkende Transkriptionsfaktoren in beiden Fällen ihre Fähigkeit erklären kann, die Transkription in Abhängigkeit von der Konzentration kleiner Moleküle entweder zu „hochdrehen“ oder „herunterzudrehen“.

Beispiele für die bakterielle Genregulation

Dieser Abschnitt beschreibt zwei Beispiele der Transkriptionsregulation in Bakterien. Halten Sie im Unterricht, in Diskussionen und in den Studienführern Ausschau nach Erweiterungen dieser Ideen und erklären Sie anhand dieser die Regulationsmechanismen, die zur Regulierung anderer Gene verwendet werden.

Beispiele für Genregulation in E coli

Die DNA von Bakterien undArchaeensind in der Regel organisiertin ein oder mehrere zirkuläre Chromosomen im Zytoplasma. Das dichte Aggregat von DNA, dasgesehen werdenin elektronenmikroskopischen Aufnahmenwird genanntdas Nukleoid. Bei Bakterien und ArchaeenGene,wessen Ausdruck musseng abgestimmt sein(z. B. Gene, die Proteine ​​kodieren, die am gleichen biochemischen Stoffwechselweg beteiligt sind)werden oft gruppiertim Genom eng beieinander. Wenn die Expression mehrerer Geneist kontrolliertdurch denselben Promotor und ein einziges Transkriptist hergestelltdiese Ausdruckseinheitenwerden genanntOperons. Zum Beispiel im Bakterium Escherichia coli alle benötigten Gene, um Laktose zu verwertensind verschlüsseltnebeneinander im Genom. Wir nennen diese Anordnung die Laktose (oder lac) Oper. In vielen Bakterien und Archaeen sind fast 50 % aller Genesind verschlüsseltin Operons von zwei oder mehr Genen.

Die Rolle des Promoters

Die erste Kontrollebene der Genexpression liegt beim Promotor selbst. Einige Promotoren rekrutieren RNA-Polymerase und wandeln diese DNA-Protein-Bindungsereignisse effizienter in Transkripte um als andere Promotoren. Diese intrinsische Eigenschaft eines Promotors, seine Fähigkeit, Transkripte mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu produzieren,wird verwiesenalsPromoterStärke. Je stärker der Promoter,desto mehr RNA wird hergestelltin einem beliebigen Zeitraum. Die Stärke des Promoters kannsei "gestimmt""von der Natur insehr kleinoder sehr große Schritte durch Ändern der Nukleotidsequenz des Promotors (z. B. Mutation des Promotors). Dies führt zu Familien von Promotoren mit unterschiedlichen Stärken, diegewöhnt sein andie maximale Genexpressionsrate für bestimmte Gene kontrollieren.

UC Davis Undergraduate-Verbindung:

Eine Gruppe von Studenten der UC Davis, die sich für synthetische Biologie interessierten, nutzte diese Idee, um synthetischePromoterBibliotheken für technische Mikroben im Rahmen ihres Designprojekts für das Jahr 2011 iGEM Wettbewerb.

Beispiel #1: Trp Operon

Logik zur Regulierung der Tryptophan-Biosynthese

E coli, wie alle Organismen, muss Aminosäuren entweder synthetisieren oder verbrauchen, um zu überleben. Die Aminosäure Tryptophan ist eine solche Aminosäure. E. coli kann entweder Tryptophan aus der Umwelt importieren (essen, was es aus der Welt um sich herum aufnehmen kann) oder Tryptophan synthetisieren de novo unter Verwendung von Enzymen, die von fünf Genen kodiert werden. Diese fünf Genewohnennebeneinander im E coli Genom in dem, was wir das nennen Tryptophan (trp) Oper (Abbildung unten). Wenn Tryptophan in der Umwelt vorhanden ist, dann E coli muss es nicht synthetisieren und der Schalter, der die Aktivierung der Gene im trp Operon schaltet ab. Wenn jedoch die Verfügbarkeit von Tryptophan in der Umgebung gering ist, kann der Schalter, der das Operon steuert,Wird gedrehtAn,Transkription wird eingeleitet, die GeneWerden ausgedrückt, und der Organismus synthetisiert Tryptophan. Siehe die Abbildung und die Absätze unten für eine mechanistische Erklärung.

Organisation der trp Operon

Die fünf Gene, die für Tryptophan-Biosyntheseenzyme kodieren

sind arrangiert

sequentiell auf dem Chromosom und stehen unter der Kontrolle eines einzigen Promotors – d. h. der natürlichen Selektion

organisierte dieseGene

in ein Operon. Kurz vor der kodierenden Region befindet sich die Transkriptionsstartseite. Dies ist, wie der Name schon sagt, der Ort, an dem die RNA-Polymerase ein neues Transkript beginnt. Die Promotorsequenz befindet sich weiter stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle.

Eine DNA-Sequenz, die als "Operator" bezeichnet wird

ist auch verschlüsselt

zwischen dem Promoter und dem ersten trp codierendes Gen. Dies Operator ist die DNA-Sequenz, an die das Transkriptionsfaktorprotein bindet.

Noch ein paar Details zu den TF-Bindungsstellen

Anzumerken ist, dass die Verwendung des Begriffs "Operator" auf wenige regulatorische Systeme beschränkt ist und sich fast immer auf die Bindungsstelle für einen negativ wirkenden Transkriptionsfaktor bezieht. Konzeptuell müssen Sie sich daran erinnern, dass es Stellen auf der DNA gibt, die mit regulatorischen Proteinen interagieren, die es ihnen ermöglichen, ihre entsprechende Funktion auszuführen (z. B. die Transkription zu unterdrücken oder zu aktivieren). Dieses Thema wird sich überall in der Biologie wiederholen, egal ob der Begriff "Betreiber"

wird genutzt

.

Während die spezifischen Beispiele, die Ihnen gezeigt werden, TF-Bindungsstellen an ihren bekannten Orten darstellen, sind diese Orte nicht für alle Systeme universell. Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen können bezüglich der Position relativ zum Promotor variieren. Es gibt einige Muster (z. B. positive Regulatoren sind oft stromaufwärts des Promotors und negative Regulatoren binden stromabwärts), aber diese Verallgemeinerungen treffen nicht auf alle Fälle zu. Auch hier ist zu beachten, dass Transkriptionsfaktoren (sowohl positiv als auch negativ wirkende) Bindungsstellen haben, mit denen sie interagieren, um die Initiation der Transkription durch die RNA-Polymerase zu regulieren.

Die fünf Gene, die zur Synthese von Tryptophan in E. coli erforderlich sind, liegen nebeneinander in dertrpOperon. Wenn Tryptophan reichlich vorhanden ist, binden zwei Tryptophanmoleküle an den Transkriptionsfaktor und ermöglichen dem TF-Tryptophan-Komplex, an die Operatorsequenz zu binden. Dadurch wird die RNA-Polymerase physikalisch daran gehindert, die Tryptophan-Biosynthesegene zu transkribieren. Wenn Tryptophan fehlt, bindet der Transkriptionsfaktor nicht an den Operator unddie Gene werden transkribiert.
Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Regulierung der trp Operon

Wenn Tryptophan in der Zelle vorhanden ist: Zwei Tryptophanmoleküle binden an die trp Repressorprotein. Wenn Tryptophan an den Transkriptionsfaktor bindet, führt dies zu einer Konformationsänderung im Protein, die es nun dem TF-Tryptophan-Komplex ermöglicht, an den trp Operator-Reihenfolge. Die Bindung des Tryptophan-Repressor-Komplexes an den Operator verhindert physikalisch, dass die RNA-Polymerase die nachgeschalteten Gene bindet und transkribiert. Wenn kein Tryptophan in der Zelle vorhanden ist, bindet der Transkriptionsfaktor nicht an den Operator; daher schreitet die Transkription fort, die Tryptophan-Nutzungsgene

sind transkribiert

und übersetzt und Tryptophan

wird so synthetisiert

.

Da der Transkriptionsfaktor aktiv an den Operator bindet, um die Gene ausgeschaltet zu halten, trp Operon

Ich sagte

zu

"negativ reguliert" sein

" und die Proteine, die an den Operator binden, um zu schweigen trp ausdruck sind negative Regulatoren.


Mögliche NB-Diskussion Punkt

Angenommen, die Natur verfolgt einen anderen Ansatz zur Regulierung des trp-Operons. Schlagen Sie eine Methode zur Regulierung der Expression von vor trp Operon mit positivem Regler statt negativem Regler. Beschreiben Sie, wie dies funktionieren könnte. (Hinweis: wir stellen diese Art von Fragen bei Prüfungen)


Externer Link

Sehen Sie sich dieses Video an, um mehr über die zu erfahren trp Operon.

Beispiel #2: Die lac Operon

Begründung für das Studium der lac Operon

In diesem Beispiel untersuchen wir die Regulation von Genen, die Proteine ​​kodieren, deren physiologische Aufgabe darin besteht, das Disaccharid Lactose, das lac Operon. Die Geschichte der Regulierung lac Operon ist ein häufiges Beispiel, das in vielen einführenden Biologieklassen verwendet wird, um die Grundprinzipien der induzierbaren Genregulation zu veranschaulichen. Wir beschreiben dieses Beispiel an zweiter Stelle, weil es unserer Meinung nach komplizierter ist als das vorherige Beispiel mit der Aktivität eines einzelnen negativ wirkenden Transkriptionsfaktors.

Im Gegensatz dazu ist die

Regulierung der lac Operon ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie die koordinierte Aktivität sowohl positiver als auch negativer Regulatoren um denselben Promotor mehrere verschiedene Quellen zellulärer Informationen integrieren kann, um die Expression von Genen zu regulieren.

Denken Sie beim Durcharbeiten dieses Beispiels an den letzten Punkt. Für viele Bis2a-Lehrer ist es wichtiger, dass Sie die lac Operon Geschichte und Leitprinzipien, als Sie sich die unten dargestellte Logiktabelle merken müssen. Wenn dies der Fall ist, wird der Lehrer Sie in der Regel darüber informieren. Diese Dozenten enthalten oft bewusst KEINE Prüfungsfragen zu den lac Operon. Sie werden Sie vielmehr testen, ob Sie die grundlegenden Prinzipien verstanden haben, die den Regulationsmechanismen zugrunde liegen, die Sie am Beispiel des lac-Operons untersuchen. Wenn nicht klar ist, was der Lehrer will, fragen Sie nach.

Die Verwertung von Laktose

Lactose ist ein Disaccharid, das sich aus den Hexosen Glucose und Galactose zusammensetzt. Laktose kommt häufig in Milch und einigen Milchprodukten vor. Wie man sich vorstellen kann, kann das Disaccharid ein wichtiges Nahrungsmittel für Mikroben sein, die seine beiden Hexosen nutzen können. coli kann mehrere verschiedene Zucker als Energie- und Kohlenstoffquellen verwenden, einschließlich

Laktose

und der lac Operon ist eine Struktur, die die Gene kodiert, die für

erwerben

und Laktose aus der lokalen Umgebung verarbeiten. coliLaktose kommt jedoch nicht häufig vor, und daher sind die Gene der lac Operon muss typischerweise

unterdrückt werden

(d. h. "ausgeschaltet"), wenn Laktose fehlt. Die Transkription dieser Gene bei fehlender Laktose voranzutreiben, würde wertvolle Zellenergie verschwenden.

Im Gegensatz dazu, wenn

Laktose vorhanden ist, wäre es logisch, dass die Gene, die für die Verwendung des Zuckers verantwortlich sind,

ausgedrückt werden

(d. h. "eingeschaltet"). Bisher ist die Geschichte der des oben beschriebenen Tryptophan-Operons sehr ähnlich.

Es gibt jedoch einen Haken. Experimente in der

50er Jahre

von Jacob und Monod hat das gezeigt E coli zieht es vor, die gesamte in der Umwelt vorhandene Glukose zu verwenden, bevor Laktose verwendet wird. Dies bedeutet, dass der zur Entscheidung verwendete Mechanismus

ob oder nicht

Um die Lactoseverwertungsgene zu exprimieren, müssen zwei Arten von Informationen integriert werden können (1) die Glucosekonzentration und (2) die Lactosekonzentration. Das könnte zwar theoretisch

erreicht werden

auf verschiedene Weise werden wir untersuchen, wie die lac Operon erreicht dies durch die Verwendung mehrerer Transkriptionsfaktoren.

Die Transkriptionsregulatoren der lac Operon

Die lac Repressor - ein direkter Sensor für Laktose

Wie bereits erwähnt, lac Operon hat normalerweise in Abwesenheit von Lactose eine sehr geringe bis keine transkriptionelle Ausgabe. Dies ist auf zwei Faktoren zurückzuführen: (1) die konstitutive Promotorstärke für das Operon ist relativ gering und (2) die konstante Anwesenheit des LacI-Repressorproteins beeinflusst die Transkription negativ. Dieses Protein bindet an die Operatorstelle in der Nähe des Promotors und blockiert die Transkription der RNA-Polymerase lac Operon-Gene.Im Gegensatz dazu, wennLactose vorhanden ist, bindet Lactose an das LacI-Protein und induziert eine Konformationsänderung, die verhindert, dass der LacI-Lactose-Komplex an seine Bindungsstellen bindet. Wenn Lactose vorhanden ist, wird daher das negative regulatorische LacIist nicht gebundenzu seiner Bindungsstelle und die Transkription von Lactose unter Verwendung von Genen kann fortschreiten.

CAP-Protein - ein indirekter Sensor für Glukose

In E coli, wenn der Glukosespiegel sinkt, das kleine Molekül zyklischer AMP (Lager) sammelt sich in der Zelle an.

Lager

ist ein gemeinsames Signalmolekül, das

ist involviert

im Glukose- und Energiestoffwechsel vieler Organismen. Wenn der Glukosespiegel in der Zelle sinkt, steigen die Konzentrationen von

Lager

ermöglichen dieser Verbindung, an den positiven Transkriptionsregulator namens . zu binden Katabolit-Aktivatorprotein (CAP) - auch als CRP bezeichnet.

Lager

-CAP-Komplex hat viele Standorte in der gesamten E coli Genom und viele dieser Seiten

befinden sich

in der Nähe der Promotoren vieler Operons, die die Verarbeitung verschiedener Zucker steuern.

In dem lac Operon, das

Lager

-CAP-Bindungsstelle

befindet sich

vor dem Promoter. Bindung von

Lager

-CAP an die DNA hilft, RNA-Polymerase an den Promotor zu rekrutieren und zu halten. Die erhöhte Besetzung der RNA-Polymerase mit ihrem Promotor

, im Gegenzug,

führt zu einer erhöhten Transkriptionsleistung. Hier wirkt das CAP-Protein als positiver Regulator.

Beachten Sie, dass die GAP-

Lager

Komplex kann in anderen Operons auch als negativer Regulator wirken, je nachdem, wo die Bindungsstelle für CAP-

Lager

Komplex

befindet sich

relativ zur RNA-Polymerase-Bindungsstelle.

Alles zusammen: Induzieren der Expression des lac-Operons

Für die lac Operon zuaktiviert werden,zwei Bedingungen müssen erfüllt sein. Erstens muss der Glukosespiegel sehr niedrig oder nicht vorhanden sein. Zweitens muss Laktose vorhanden sein. Nur wenn Glukose fehlt und Laktose vorhanden ist, wirddaslacOperontranskribiert werden. Wenn dieser ZustanderreichtdasLacI-Lactose-Komplex dissoziiert den negativen Regulator aus der Nähe des Promotors, wodurch die RNA-Polymerase freigesetzt wird, um die Gene des Operons zu transkribieren. HochLager(indirekter Hinweis auf niedrige Glukosewerte) lösen die Bildung des CAP-LagerKomplex. Dieses TF-Induktor-Paar bindet nun in der Nähe des Promotors und wirktpositiv rekrutierendie RNA-Polymerase. Dieser zusätzliche positive Einfluss steigert die TranskriptionsleistungundLaktose kanneffizient genutzt werden.Der mechanistische Output anderer Kombinationen von binären Glucose- und Lactose-Bedingungen wird beschriebenin der Tabelle unten und in der folgenden Abbildung.

Wahrheitstabelle für Lac Operon

Transkription des lac-Operonsist sorgfältig geregeltso dass seine Expression nur auftritt, wenn Glukoseist begrenztund Laktose ist vorhanden, um als alternative Brennstoffquelle zu dienen.
Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Signale, die die Transkription des induzieren oder unterdrücken lac Operon
GlucoseCAP bindetLaktoseRepressor bindetTranskription
+--+Nein
+-+-Etwas
-+-+Nein
-++-Jawohl

Eine differenziertere Ansicht der Lac-Repressor-Funktion

Die Beschreibung der Funktion des Lac-Repressors beschreibt korrekt die Logik des Kontrollmechanismus, der um denlacPromoter. Allerdings ist die molekulare Beschreibung der Bindungsstellen etwas zu stark vereinfacht. In Wirklichkeit hat der lac-Repressor drei ähnliche, aber nicht identische Bindungsstellen, die Operator 1, Operator 2 und Operator 3 genannt werden. Operator 1 befindet sich sehr nahe an der Transkript-Startstelle (bezeichnet +1).Betreiber 2 befindet sichca. +400nt in die kodierende Region desLacZProtein.Betreiber 3 befindet sichetwa -80nt vor der Transkriptstartstelle (gerade "außerhalb" der CAP-Bindungsstelle).

Die regulatorische Region des lac-Operons, die den Promotor, drei lac-Operatoren und die CAP-Bindungsstelle darstellt.Die kodierende Region für das Lac Z-Protein ist ebenfalls gezeigtrelativ zu den Operatorsequenzen. Beachten Sie, dass sich zwei der Operatoren in der proteinkodierenden Region befinden - es gibt mehrere verschiedeneArten vonInformationen, die gleichzeitig in der DNA kodiert sind.
Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Das lac-Repressor-Tetramer (blau) zeigte die Bindung von zwei Operatoren an einen DNA-Schleifenstrang (orange).
Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit) - Adaptiert von Goodsell (https://pdb101.rcsb.org/motm/39)

Eukaryotische Genregulation

Regulierungsübersicht

Wie bereits erwähnt, dreht sich bei der Regulierung alles um die Entscheidungsfindung. Genregulation als allgemeines Thema bezieht sich auf

entscheiden

über die funktionelle Expression von genetischem Material. Unabhängig davon, ob das Endprodukt eine RNA-Spezies oder ein Protein ist, erfordert die Herstellung des exprimierten Endprodukts mehrere Schritte. Wir haben einige Zeit damit verbracht, einige dieser Schritte (d. h. Transkription und Translation) und einige Mechanismen zu diskutieren, die die Natur verwendet, um zelluläre und Umweltinformationen zu erfassen, um die Initiation der Transkription zu regulieren.

Als wir das Konzept von starken und schwachen Promotoren diskutierten, führten wir die Idee ein, dass die Regulierung der Menge (Anzahl der Moleküle) eines Transkripts, das von einem Promotor in einer bestimmten Zeiteinheit produziert wird, auch für die Funktion wichtig sein könnte. Dies sollte nicht völlig überraschend sein. Für ein proteinkodierendes Gen gilt: Je mehr Transkripte produziert werden, desto größer ist das Potenzial, mehr Protein herzustellen. Dies könnte wichtig sein, wenn die Herstellung einer großen Menge eines bestimmten Enzyms der Schlüssel zum Überleben ist. In anderen Fällen benötigt die Zelle nur wenig von einem bestimmten Protein, und eine zu große Menge wäre eine Verschwendung von zellulären Ressourcen.

Hier

, kann die Zelle niedrige Transkriptionsniveaus bevorzugen. Promoter mit unterschiedlichen Stärken können diesen unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht werden. In Bezug auf die Transkriptnummer haben wir auch kurz erwähnt, dass die Synthese nicht der einzige Weg ist, die Häufigkeit zu regulieren. Auch Abbauprozesse sind zu beachten.

In diesem Abschnitt ergänzen wir diese Themen, indem wir uns auf eukaryotische Regulationsprozesse konzentrieren. Insbesondere untersuchen wir – und manchmal erneut – die mehreren Schritte, die erforderlich sind, um genetisches Material in eukaryotischen Organismen in eukaryontischen Organismen zu exprimieren

der Kontext von

Verordnung. Wir möchten, dass Sie nicht nur über die Prozesse nachdenken, sondern auch erkennen, dass jeder Schritt im Expressionsprozess auch eine Gelegenheit ist, nicht nur die Häufigkeit eines Transkripts oder Proteins, sondern auch seinen funktionellen Zustand, seine Form (oder Variante) zu verfeinern. und/oder Stabilität. Jeder dieser zusätzlichen Faktoren kann auch für die Beeinflussung der Fülle bedingt spezifischer funktioneller Varianten von entscheidender Bedeutung sein.

Strukturelle Unterschiede zwischen bakteriellen und eukaryontischen Zellen beeinflussen die Genregulation

Das entscheidende Kennzeichen der eukaryontischen Zelle ist der Zellkern, eine Doppelmembran, die das Erbmaterial der Zelle umschließt. Um die DNA des Organismus effizient in den engen Raum des Zellkerns einzupassen, wird die DNA zunächst verpackt und nach Proteinen in einer Struktur namens Chromatin organisiert. Diese Verpackung des Kernmaterials erschwert den Zugang zu bestimmten Teilen des Chromatins. Einige Elemente der DNA sind so dicht gepackt, dass die Transkriptionsmaschinerie nicht auf regulatorische Stellen wie Promotoren zugreifen kann. Dies bedeutet, dass einer der ersten Orte der Transkriptionsregulation in Eukaryoten der Kontrollzugang zur DNA selbst sein muss. Chromatinproteine ​​können einer enzymatischen Modifikation unterliegen, die beeinflussen kann, ob sie fest (begrenzter transkriptionaler Zugang) oder lockerer (größerer transkriptionaler Zugang) an ein DNA-Segment binden

.

Dieser Veränderungsprozess - egal in welche Richtung

gilt als

erstens - ist reversibel. Daher kann DNA

dynamisch sequestriert werden

und zur Verfügung gestellt, wenn die "Zeit reif ist".

Die Regulation der Genexpression in Eukaryoten umfasst auch

einige der

die gleichen zusätzlichen grundlegenden Mechanismen, die im Modul zur bakteriellen Regulation diskutiert wurden (d. h. die Verwendung von starken oder schwachen Promotoren, Transkriptionsfaktoren, Terminatoren usw.), aber die tatsächliche Anzahl der beteiligten Proteine ​​ist bei Eukaryoten typischerweise viel größer als bei Bakterien oder Archaeen.

Die posttranskriptionelle enzymatische Verarbeitung von RNA im Zellkern und der Export der reifen

mRNA

zum Zytosol sind zwei weitere Unterschiede zwischen bakterieller und eukaryontischer Genregulation. Auf diese Regulierungsebene gehen wir im Folgenden genauer ein.

Darstellung einiger wichtiger Unterschiede zwischen den Prozessen der bakteriellen und eukaryotischen Genexpression. Beachten Sie in diesem Falldas Vorhandensein vonHiston und Histonmodifikatoren, das Spleißen vonmRNA, und der Export der reifen RNA aus dem Zellkern als wichtige Unterscheidungsmerkmale zwischen den bakteriellen und eukaryotischen Systemen.
Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

DNA-Packung und epigenetische Marker

Die DNA in eukaryotischen Zellenist genau gewickelt, gefaltet und zu Chromosomen verdichtet, damit es in den Zellkern passt. Der Kernorganisiert auch die DNAalso Schlüsselproteinekann leicht auf bestimmte Abschnitte der Chromosomen zugreifenwie benötigt. Bereiche der Chromosomen, die stärker kompaktiert sind, werden für Proteine ​​schwieriger zu binden sein und führen daher zu einer verringerten Genexpression von Genen, die in diesen Bereichen kodiert werden. Locker verdichtete Regionen des Genoms werden für Proteine ​​leichter zugänglich sein, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dasseinGen wird transkribiert. Hier wird diskutiert, wie Zellen die Dichte der DNA-Kompaktierung regulieren.

DNA-Verpackung

Die erste Ebene der Organisation oder Verpackung ist das Wickeln von DNA-Strängen um histon Proteine. Histone verpacken und ordnen DNA in Struktureinheiten, die als bezeichnet werden Nukleosomen, die den Zugang von Proteinen zu bestimmten DNA-Regionen kontrollieren können. Unter dem Elektronenmikroskop sieht diese Wicklung von DNA um Histonproteine ​​zu Nukleosomen aus wie kleine Perlen an einer Schnur. Diese Kügelchen (Nukleosomenkomplexe) können sich entlang der Schnur (DNA) bewegen, um zu ändern, welche Bereiche der DNA für die Transkriptionsmaschinerie zugänglich sind. Während sich Nukleosomen bewegen können, um die Chromosomenstruktur zu öffnen, um ein DNA-Segment freizulegen, tun sie dies auf sehr kontrollierte Weise.

DNA faltet sich um Histonproteine, um (a) Nukleosomenkomplexe zu bilden. Diese Nukleosomen kontrollieren den Zugang von Proteinen zur darunterliegenden DNA. Bei Betrachtung durch ein Elektronenmikroskop (B), sehen die Nukleosomen aus wie Perlen an einer Schnur. (Gutschrift „Mikrobild“: Änderung der Arbeit von Chris Woodcock)

Histon-Modifikation

Wie sich die Histonproteine ​​bewegen, hängt von chemischen Signalen ab, die sowohl auf den Histonproteinen als auch auf der DNA gefunden werden. Diese chemischen Signale sind chemische Markierungen, die Histonproteinen und der DNA hinzugefügt werden, die den Histonen mitteilen, ob eine chromosomale Region "offen" oder "geschlossen" sein sollte. Die folgende Abbildung zeigt Modifikationen an Histonproteinen und DNA. Diese Tags sind nicht dauerhaft, können aberhinzugefügt werdenoder nach Bedarf entfernt. Sie sind chemische Modifikationen (Phosphat-, Methyl- oder Acetylgruppen), die an bestimmte Aminosäuren in den Histonproteinen oder an die Nukleotide der DNA anlagern. Die Tags verändern die DNA-Basensequenz nicht, aber sietunändern, wie eng die DNA um die Histonproteine ​​gewunden ist. DNA ist ein negativ geladenes Molekül; Daher ändern die Ladungsänderungen des Histons, wie fest das DNA-Molekül gewunden wird. Wenn sie nicht modifiziert sind, haben die Histonproteine ​​eine große positive Ladung; durch Hinzufügen chemischer Modifikationen wie Acetylgruppen wird die Ladung weniger positiv.

Nukleosomen können entlang der DNA gleiten. Wenn Nukleosomensind beabstandeteng beieinander (oben), Transkriptionsfaktoren können nicht binden undGenexpression wird gedrehtaus. Wenn die Nukleosomensind beabstandetweit auseinander (unten),die DNA ist freigelegt. Transkriptionsfaktoren können binden, was die Genexpression ermöglicht. Modifikationen an den Histonen und der DNA beeinflussen den Nukleosomenabstand.


Mögliche NB-Diskussion Punkt

In der späteren Reifungsphase der Samenzellen werden Histone (die eine hohe Anzahl an Lysin-Aminosäuren enthalten) durch Protamine ersetzt, die kleine, nukleäre Proteine ​​​​sind, die sehr reich an Arginin-Aminosäuren sind. Dieser Prozess soll für die Verdichtung des Spermienkopfes und die DNA-Stabilisierung essentiell sein. Welche Vergleiche können Sie basierend auf diesen Informationen zwischen Protaminen und Histonen ziehen? Warum ist der hohe Anteil an Lysin und Arginin in Histonen und Protaminen von Bedeutung? Aus welchen Gründen, glauben Sie, ersetzen Protamine Histone in Spermien, aber nicht in anderen Zellen?


DNA-Modifikation

Das DNA-Molekül selbst kann auch modifiziert werden. Dies geschieht in ganz bestimmten Regionen, die als CpG-Inseln bezeichnet werden. Dies sind Abschnitte mit einer hohen Häufigkeit von Cytosin- und Guanindinukleotid-DNA-Paaren (CG), die häufig in den Promotorregionen von Genen gefunden werden. Wenn diese Konfiguration existiert, kann das Cytosin-Mitglied des Paares methyliert werden (eine Methylgruppe wird hinzugefügt). Diese Modifikation ändert, wie die DNA mit Proteinen interagiert, einschließlich der Histonproteine, die den Zugang zu der Region kontrollieren. Hochmethylierte (hypermethylierte) DNA-Regionen mit deacetylierten Histonen sind eng gewunden und transkriptionell inaktiv.

Epigenetische Veränderungen führen nicht zu dauerhaften Veränderungen der DNA-Sequenz. Epigenetische Veränderungen verändern die Chromatinstruktur (Protein-DNA-Komplex), um den Zugang zu Transkriptionsgenen zu ermöglichen oder zu verweigern. DNA-Modifikationen wie Methylierung an Cytosin-Nukleotiden können entweder Repressorproteine ​​rekrutieren, die den Zugang der RNA-Polymerase zum Transkribieren von a . blockierenGenoder sie können bei der Verdichtung der DNA helfen, um jeglichen Proteinzugang zu diesem Bereich des Genoms zu blockieren. Diese Veränderungen sind reversibel, Mutationen jedoch nicht, aber auch epigenetische Veränderungen des Chromosoms könnenvererbt werden.
Quelle:geändertvon https://researcherblogski.wordpress....R/dudiwarsito/

Regulation der Genexpression durch Chromatin-Remodelingwird genanntepigenetische Regulation. Epigenetisch bedeutet „rund um die Genetik“. Die an den Histonproteinen und der DNA auftretenden Veränderungen verändern die Nukleotidsequenz nicht und sind nicht dauerhaft. Stattdessen sind diese Veränderungen vorübergehend (obwohl sie oft über mehrere Zellteilungsrunden hinweg bestehen bleiben und könnenvererbt werden) und ändern Sie die chromosomale Struktur (offen oder geschlossen) nach Bedarf.

Externer Link

Sehen Sie sich dieses Video an, das beschreibt, wie die epigenetische Regulation die Genexpression steuert.

Eukaryotische Genstruktur und RNA-Prozessierung

Eukaryontische Genstruktur

Viele eukaryotische Gene, insbesondere solche, die Proteinprodukte kodieren,sind verschlüsseltauf dem Genom diskontinuierlich.DieKodierregion ist gebrochendurch Eingreifen nicht-kodierender Genelemente in Stücke zerlegt. Wir nennen die kodierenden Regionen Exons während die dazwischenliegenden nicht-kodierenden Elementewerden genanntIntrons. Die Abbildung unten zeigt ein generisches eukaryotisches Gen.

Die Teile eines typischen diskontinuierlichen eukaryotischen Gens. Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Teile eines generischen eukaryotischen Gens enthalten bekannte Elemente wie einen Promotor und einen Terminator. Zwischen diesen beiden Elementen befindet sich die Region, die alle Elemente des Gens kodiert, die das Potenzial haben,

übersetzt werden

(sie haben keine Stoppcodons), wie in bakteriellen Systemen,

wird genannt

der offene Leserahmen (ORF). Verstärker und/oder

Schalldämpfer

Elemente sind Regionen der DNA, die regulatorische Proteine ​​rekrutieren. Diese können relativ nahe am Promotor liegen, wie in bakteriellen Systemen, oder Tausende von Nukleotiden entfernt. In vielen bakteriellen Transkripten sind auch 5'- und 3'-untranslatierte Regionen (UTRs) vorhanden. Diese Regionen des Gens kodieren Segmente des

Abschrift,

die, wie ihre Namen andeuten,

werden nicht übersetzt

und sitzen 5' bzw. 3' zum ORF. Die UTRs kodieren typischerweise einige regulatorische Elemente, die für die Regulierung der Transkription oder Schritte der Genexpression, die posttranskriptionell erfolgen, entscheidend sind.

Die aus der Transkription dieser Gene resultierenden RNA-Spezies sind ebenfalls diskontinuierlich und müssen daher

wird verarbeitet

vor dem Verlassen des Kerns zu

übersetzt werden

oder im Cytosol als reife RNAs verwendet. In eukaryontischen Systemen umfasst dies RNA-Spleißen, 5'-Capping, 3'-End-Spaltung und Polyadenylierung. Diese Abfolge von Schritten ist ein komplexer molekularer Prozess, der innerhalb der geschlossenen Grenzen des Kerns ablaufen muss. Jeder dieser Schritte bietet die Möglichkeit, die Fülle der exportierten Transkripte und die funktionalen Formen, die diese Transkripte annehmen werden, zu regulieren. Dies wären zwar Themen für fortgeschrittene Kurse, aber denken Sie darüber nach, wie Sie einen Rahmen erstellen können

einige der

folgende Themen als Teilprobleme der Design Challenge der genetischen Regulation. Wenn nichts anderes,

anfangen zu

schätzen den hoch orchestrierten molekularen Tanz, der stattfinden muss, um ein Gen zu exprimieren, und wie dies ein erstaunliches Stück evolutionärer Technik ist.

5' Kappen

Wie in bakteriellen Systemen müssen eukaryotische Systeme einen Präinitiationskomplex an und um die Promotorsequenz aufbauen, um die Transkription zu starten. Die Komplexe, die sich in Eukaryoten zusammensetzen, erfüllen viele der gleichen Funktionen wie die in bakteriellen Systemen, sind jedoch wesentlich komplexer und beinhalten viel mehr regulatorische Proteine. Diese zusätzliche Komplexität ermöglicht eine stärkere Regulation und den Zusammenbau von Proteinen mit Funktionen, die überwiegend in eukaryontischen Systemen vorkommen. Eine dieser zusätzlichen Funktionen ist das "Capping" entstehender Transkripte.

In eukaryotischen Protein-kodierenden Genen wird die zuerst produzierte RNA

wird genannt

die Vor-

mRNA

. Das Präfix "pre" bedeutet, dass dies nicht die vollständige reife mRNA ist, die

übersetzt werden

und dass es zuerst eine Verarbeitung erfordert. Die als 5'-Capping bekannte Modifikation erfolgt nach dem Vor-

mRNA

ist etwa 20-30 Nukleotide lang. An diesem Punkt erhält die Prä-RNA typischerweise ihre erste posttranskriptionelle Modifikation, eine 5'-Kappe. Die "Kappe" ist eine chemische Modifikation - eine 7-

Methylguanosin

- deren Addition an das 5'-Ende des Transkripts enzymatisch durch mehrere Enzyme katalysiert wird, die als Capping-Enzym-Komplex (CEC) bezeichnet werden. Die CEC bindet sehr früh in der Transkription an die RNA-Polymerase und führt eine Modifikation des 5'-Triphosphats durch, die anschließende Übertragung von an GTP

zu diesem Zweck

(Verbinden der beiden Nukleotide unter Verwendung einer einzigartigen 5'-zu-5'-Verknüpfung), die Methylierung des neu übertragenen Guanins und in einigen Transkripten die zusätzlichen Modifikationen an den ersten paar Nukleotiden. Diese 5'-Kappe scheint zu funktionieren, indem sie das entstehende Transkript vor Abbau schützt und

ist schnell gebunden

durch RNA-bindende Proteine, die als Cap-Bindungskomplex (CBC) bekannt sind. Es gibt einige Hinweise darauf, dass diese Modifikation und die daran gebundenen Proteine ​​eine Rolle beim Targeting des Transkripts für den Export aus dem Zellkern spielen. Der Schutz der entstehenden RNA vor Abbau ist nicht nur wichtig, um die Energie zu sparen, die in die Herstellung der RNA investiert wird

transkript

aber

ist eindeutig beteiligt

bei der Regulierung der Fülle von

voll funktionsfähig

das abschreiben

ist hergestellt

.

Außerdem ist die

Die Rolle des 5'-Caps bei der Steuerung des Transkripts für den Export wird direkt dazu beitragen, nicht nur die Menge des Transkripts zu regulieren, die

wird gemacht

aber vielleicht

wichtiger,

die Menge an Transkript, die

wird exportiert

zum Zytoplasma, das das Potenzial hat,

übersetzt werden

.

Der Aufbau eines typischen 7-MethylguanylatDeckel. Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Transkript-Spleißen

Zellen müssen entstehende Transkripte zu reifen RNAs verarbeiten, indem sie Exons verbinden und die dazwischenliegenden Introns entfernen. Sie

das schaffen

unter Verwendung eines Mehrkomponentenkomplexes aus RNA und Proteinen, dem sogenannten Spleißosom. Der Spleißosom-Komplex assembliert auf dem entstehenden Transkript und in den meisten Fällen die Entscheidung darüber, welche Introns zu einem reifen Transkript kombiniert werden

werden hergestellt

An diesem Punkt. Wie diese Entscheidungen

werden hergestelltist noch nicht ganz verstanden

beinhaltet jedoch die Erkennung spezifischer DNA-Sequenzen an den Spleißstellen durch RNA- und Proteinspezies und mehrere katalytische Ereignisse. Interessant ist, dass der katalytische Teil des Spleißosoms

wird gemacht

von RNA statt Protein. Denken Sie daran, dass das Ribosom ein weiteres Beispiel für ist

eine RNA

-Proteinkomplex, bei dem die RNA als primäre katalytische Komponente dient. Die Auswahl der herzustellenden Spleißvariante ist eine Form der Regulierung der Genexpression.

In diesem Fall

Anstatt die Häufigkeit eines Transkripts zu beeinflussen, ermöglicht das alternative Spleißen der Zelle, zu entscheiden, welches

Form eines Transkripts, das es macht

.

Die alternativen Spleißformen von Genen, die zu Proteinprodukten ähnlicher Struktur, aber unterschiedlicher Funktion führen, sind bekannt

wie Isoformen. Die Bildung von Isoformen ist in eukaryotischen Systemen üblich und

ist bekannt

in verschiedenen Entwicklungsstadien von vielzelligen Organismen und bei der Definition der Funktionen verschiedener Zelltypen wichtig zu sein.

Von

Codierung mehrerer

möglich

Genprodukte eines einzelnen Gens, dessen Transkriptionsinitiation

ist verschlüsselt

von einer einzigen Transkriptionsregulationsstelle (von

die Entscheidung treffen

deren Endprodukt posttranskriptionell zu produzieren ist) vermeidet die Notwendigkeit, unabhängige Kopien jedes Gens in verschiedenen Teilen des Genoms und sich entwickelnden unabhängigen regulatorischen Stellen zu erzeugen und zu erhalten. Daher wird angenommen, dass die Fähigkeit, mehrere Isoformen aus einer einzigen kodierenden Region zu bilden, evolutionär ist

vorteilhaft

weil es eine gewisse Effizienz bei der DNA-Codierung ermöglicht, die Komplexität der Transkriptionsregulation minimiert und die Energiebelastung durch die Erhaltung von mehr DNA und deren Schutz vor Mutation verringern kann. Einige Beispiele für

möglich

Ergebnisse des alternativen Spleißens können einschließen: die Erzeugung von Enzymvarianten mit unterschiedlicher Substrataffinität oder katalytischen Geschwindigkeiten;

Signalsequenzen, die Proteine ​​in verschiedene subzelluläre Kompartimente lenken, können verändert werden

; ganz neue Funktionen, durch den Austausch von Proteindomänen können

erstellt werden

. Dies sind nur einige Beispiele.

Ein weiteres interessantes Ergebnis des alternativen Spleißens ist die Einführung von Stoppcodons, die durch einen Mechanismus, der eine Translation zu erfordern scheint, zum gezielten Zerfall des Transkripts führen können. Dies bedeutet, dass wir neben der Kontrolle der Transkriptionsinitiation und des 5'-Cappings auch alternatives Spleißen als einen der regulatorischen Mechanismen betrachten können, die die Transkripthäufigkeit beeinflussen können. Die Auswirkungen des alternativen Spleißens sind daher potenziell breit gefächert – vom vollständigen Funktionsverlust über neue und diversifizierte Funktionen bis hin zu regulatorischen Effekten.

Eine Abbildung, die einige verschiedene Arten des alternativen Spleißens zeigt, die veranschaulicht, wie verschiedene Spleißvarianten zu verschiedenen Proteinformen führen können.
Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

3'-Ende-Spaltung und Polyadenylierung

Eine letzte Änderung wird vorgenommenzu im Entstehen begriffenenmRNAsbevor sie den Kern verlassen - die Spaltung des 3'-Endes und dessen Polyadenylierung.Dieser zweistufige Prozess wird katalysiertdurch zwei verschiedene Enzyme (wie unten dargestellt) und kann das 3'-Ende von Transkripten mit bis zu fast 200 Nukleotiden schmücken. Diese Modifikation erhöht die Stabilität des Transkripts.Im Allgemeinen ist diemehrWieim polyA-Tag die längere Lebensdauer, die das Transkript hat. Auch das polyA-Tag scheint eine Rolle bei derExport des Transkriptsaus dem Kern. Daher spielt der 3'-polyA-Tag eine Rolle bei der Genexpression, indem er die funktionelle Transkripthäufigkeit reguliert undwie viel wird exportiertaus dem Kern für die Übersetzung.

Es handelt sich um einen zweistufigen Prozessinmodifizierendie 3'-Enden von Transkripten vor dem Kernexport. Dazu gehören das Schneiden von Transkripten direkt stromabwärts einer konservierten Sequenz (AAUAAA) und das Übertragen von Adenylatgruppen. Beide Prozesse werden enzymatisch katalysiert.
Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

MicroRNAs

RNA-Stabilität und microRNAs

Neben den oben beschriebenen Modifikationen der prä-RNA und den dazugehörigen Proteinen, die an die naszierenden und Transkripte binden, gibt es noch weitere Faktoren, die die Stabilität der RNA in der Zelle beeinflussen können. Ein Beispiel sind Elemente namens microRNAs. Die microRNAs oder miRNAs sind kurze RNA-Moleküle, die nur 21–24 Nukleotide lang sindin der Länge. Die miRNAs werden im Zellkern als längere Vorläufer transkribiert.miRNAs. Diese Vor-miRNAswerden anschließend gehacktin reife miRNAs durch ein Protein namens Dicer. Diese reifen miRNAs erkennen eine spezifische Sequenz einer Ziel-RNA durch komplementäre Basenpaarung. miRNAs assoziieren jedoch auch mit einem Ribonukleoprotein-Komplex, der als RNA-induzierter Silencing-Komplex (RISC) bezeichnet wird. RISC bindet eine Ziel-mRNA zusammen mit der miRNA, um die Ziel-mRNA abzubauen. Zusammen zerstören miRNAs und der RISC-Komplex das RNA-Molekül schnell. Wie zu erwarten war die Transkription vonmiRNAsund deren Weiterverarbeitungist auch streng reguliert.

Nuklearer Export

Nuklearer Export

Fertig verarbeitet, ausgereiftAbschriften,mussexportiert werdendurch den Kern.Das ist nicht überraschendProzess beinhaltet die Koordination einer reifen RNA-Spezies, an diegebunden sindviele akzessorische Proteine ​​- einige davon habeneng eingebunden gewesenin den oben diskutierten Modifikationen - und ein Proteinkomplex namens Kernporenkomplex (NPC). Transport durch den NPC erlaubtfließenvon Proteinen und RNA-Spezies in beide Richtungen zu bewegen undwird vermitteltvoneine Anzahl vonProteine.Dieser Prozess kann verwendet werdenden Transport verschiedener Transkripte selektiv zu regulieren, je nachdem, welche Proteine ​​mit dem fraglichen Transkript assoziieren. Das bedeutet, dass nicht alle Transkriptewerden behandeltebenso durch den NPC - je nach Modifikationszustand und den Proteinen, die mit einer bestimmten RNA-Spezies assoziiert sind, kann esbewegt seinentweder mehr oder weniger effizient durch die Kernmembran.Schon seitdie Geschwindigkeit der Bewegung durch die Pore wird die Häufigkeit des reifen Transkripts beeinflussen, daswird exportiertin das Zytosol zur Translationsexportkontrolle ist ein weiteres Beispiel für einen Schritt im Prozess der Genregulation, dermoduliert werden. Darüber hinaus haben neuere Forschungen Interaktionen zwischen dem NPC und Transkriptionsfaktoren impliziertdie Regulierung vonTranskriptionsinitiation, wahrscheinlich durch einen Mechanismus, bei dem sich die Transkriptionsfaktoren selbst an den Zellkern bindenPoren. Dieses letzte Beispieldemonstriertwie vernetzt die Regulation der Genexpression über die zahlreichen Schritte dieses komplexen Prozesses hinweg ist.

Wir kennen viele zusätzliche Details der oben beschriebenen Prozesse bis zu einem gewissen Grad, aber es bleiben noch viele weitere Fragen offen

beantwortet werden

. Im Interesse von Bis2a it

ist ausreichend

ein Modell der Schritte zu bilden, die bei der Produktion eines reifen Transkripts in eukaryontischen Organismen ablaufen. Wir haben ein Bild mit sehr breiten Strichen gemalt, um eine Szene zu präsentieren, die widerspiegelt, was passiert

allgemein

bei allen Eukaryoten. Neben dem Erlernen der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale der eukaryotischen Genregulation möchten wir, dass die Bis2a-Studenten jeden dieser Schritte als eine Möglichkeit für die Natur betrachten, die Genexpression zu regulieren

irgendwie

und zu erklären, wie Mängel oder Veränderungen in diesen Signalwegen – möglicherweise durch Mutation eingeführt – die Genexpression beeinflussen könnten.

Obwohl wir die Design Challenge oder Energy Story nicht explizit angesprochen haben

Hier

Diese Formalismen sind gleichermaßen geschickt darin, Ihnen zu helfen, einen Sinn in dem Beschriebenen zu finden. Wir empfehlen Ihnen, zu versuchen, eine Energiegeschichte für verschiedene Prozesse zu erstellen. Wir empfehlen Ihnen auch, die Rubrik Design Challenge zu verwenden, um die oben genannten Geschichten erneut zu untersuchen: Probleme identifizieren, die gelöst werden müssen; Hypothesen über mögliche Lösungen und Erfolgskriterien aufstellen. Verwenden Sie diese Formalismen, um tiefer zu graben und neue Fragen zu stellen / neue Probleme oder Dinge zu identifizieren, die Sie über die Prozesse nicht wissen, ist das, was Experten tun. Es besteht die Möglichkeit, dass Sie durch diese vorgeschlagene Übung eine Forschungsrichtung identifizieren, die bereits jemand verfolgt hat (Sie werden das Gefühl haben,

ziemlich

schlau darüber!). Alternativ können Sie eine brandneue Frage aufwerfen, an die noch niemand gedacht hat.

Kontrolle des Proteinreichtums

Nachdem eine mRNA in das Zytoplasma transportiert wurde,es ist übersetztin Eiweiß. Kontrolle dieses Prozessesist weitgehend abhängigauf dem RNA-Molekül. Wie bereits erwähnt, hat die Stabilität der RNA einen großen Einfluss auf ihre Translation in ein Protein. Wenn sich die Stabilität ändert, wird dieBetrag vonauch die Zeit, zu der es für die Übersetzung verfügbar ist, ändert sich.

Der Initiationskomplex und die Übersetzungsrate

Wie Transkription,die Translation wird durch Proteine ​​gesteuertKomplexe von Proteinen und Nukleinsäuren, die miteinleitender Prozess. In der Übersetzung,einer der ersten Komplexe, die sich zusammensetzen müssen, um den Prozess zu starten, wird bezeichnetals Initiationskomplex. Das erste Protein, das an die mRNA bindet, die hilfteinleitenÜbersetzungwird genannteukaryotischer Initiationsfaktor-2 (eIF-2). Die Aktivität des eIF-2-Proteins wird durch mehrere Faktoren kontrolliert. Das erste istob oder nichtesist gebundenzu einem GTP-Molekül. Wenn daseIF-2ist gebundenzu GTPes gilt alszu seinin aktiver Form. DieeIF-2-Protein, das an GTP gebunden ist, kann an die kleine ribosomale 40S-Untereinheit binden. Wenn sie gebunden sind,eIF-2/40S Ribosomen-Komplex, der die mRNA mit sich bringtübersetzt werden, rekrutiert auch die Methionin-Initiator-tRNA-Assoziationen.An dieser Stelle, wennder Initiatorkomplexist zusammengebaut, wird das GTP zu BIP hydrolysiert, wodurch ein"inaktive Form voneIF-2 dases ist veröffentlicht worden, zusammen mit dem anorganischen Phosphat, aus dem Komplex. Dieser Schritt, im Gegenzug,ermöglicht der großen ribosomalen 60S-Untereinheit zu binden undbeginne zu übersetzendie RNA. Die Bindung voneIF-2 zur RNA, die weiter durch Proteinphosphorylierung kontrolliert wird. WanneIF-2 ist phosphoryliert, erfährt eine Konformationsänderung und kann nichtbindenzu GTP, wodurch die Bildung des Initiationskomplexes gehemmt wird – die Translation wird daher gehemmt (siehe Abbildung unten). Im dephosphoryliertenZustandeIF-2 kann GTP binden und den Zusammenbau des Translationsinitiationskomplexes wie oben beschrieben ermöglichen. Die Fähigkeit der Zelle, den Aufbau des Translationseinladungskomplexes über eine reversible chemische Modifikation (Phosphorylierung) zu einem regulatorischen Protein abzustimmen, ist ein weiteres Beispiel dafür, wie sich die Natur selbst dies zunutze gemacht hatscheinbareinfacher Schritt zur abgestimmten Genexpression.

Eine Erhöhung der Phosphorylierung voneIF-2 hatbeobachtet wordenbei Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Huntington. Welche Auswirkungen könnte dies Ihrer Meinung nach auf die Proteinsynthese haben?

Chemische Modifikationen, Proteinaktivität und Langlebigkeit

Nicht zu

übertroffen werden

durch Nukleinsäuren können auch Proteine

chemisch modifiziert werden

unter Hinzufügung von Gruppen einschließlich Methyl-, Phosphat-, Acetyl- und Ubiquitingruppen. Das Hinzufügen oder Entfernen dieser Gruppen von Proteinen kann deren Aktivität oder die

Länge von

Zeit, in der sie in der Zelle existieren. Manchmal können diese Modifikationen regulieren, wo ein Protein

gefunden

in der Zelle – zum Beispiel im Zellkern, im Zytoplasma oder an der Plasmamembran.

Chemische Veränderungen können als Reaktion auf äußere Reize wie Stress, Nährstoffmangel, Hitze oder ultraviolettes Licht auftreten.

Zusätzlich zu

die Funktion der Proteine ​​selbst regulieren, wenn diese Veränderungen an bestimmten Proteinen auftreten, können sie die epigenetische Zugänglichkeit verändern (

Im Falle des

Histonmodifikation), Transkription (Transkriptionsfaktoren), mRNA-Stabilität (RNA-bindende Proteine) oder Translation (

eIF

-2), wodurch verschiedene Teile des Prozesses der Genexpression rückgekoppelt und reguliert werden.

Im Falle des

Modifikation an regulatorischen Proteinen, kann dies ein effizienter Weg für die Zelle sein

sich schnell ändern

die Spiegel spezifischer Proteine ​​als Reaktion auf die Umwelt durch die Regulierung verschiedener Schritte

im Prozess

.

Die Hinzufügung einer Ubiquitingruppe hat eine weitere Funktion – sie markiert das Protein für den Abbau. Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das wie eine Flagge wirkt

anzeigen

dass die markierten Proteine

gezielt sein

zu einer Organelle namens Proteasom. Diese Organelle ist ein großer Multi-Protein-Komplex, der Proteine ​​in kleinere Stücke spaltet, die dann

recycelt werden

. Die Ubiquitinierung (das Hinzufügen eines Ubiquitin-Tags) hilft daher, die Genexpression zu kontrollieren, indem die funktionelle Lebensdauer des Proteinprodukts verändert wird.

Proteine ​​mit Ubiquitin-Tags werden für den Abbau innerhalb des Proteasoms markiert.

Zusammenfassend sehen wir, dass Genregulation komplex ist und dasses kann moduliert werdenbei jedem Schritt inder Prozess vonExprimieren eines funktionellen Genprodukts.Außerdem ist dieregulatorische Elemente, die bei jedem Schritt auftreten, können andere regulatorische Schritte sowohl früher als auch später im Prozess der Genexpression beeinflussen (d. h. der Prozess der chemischen Veränderung eines Transkriptionsfaktors kann die Regulierung seiner eigenen Transkription viele Schritte früher im Prozess beeinflussen). Diese komplexen Wechselwirkungen bildenwas sind bekannt alsGenregulatorische Netzwerke. Das Verständnis der Struktur und Dynamik dieser Netzwerke ist entscheidend, um zu verstehen, wie verschiedene Zellen funktionieren, die Grundlage fürzahlreichKrankheiten, Entwicklungsprozesse und wie ZellenEntscheidungen treffenwie man auf die vielen Faktoren reagiertdassind innen und außen in ständiger Bewegung.