Genregulation bei Eukaryoten PDF

# Genregulation bei Eukaryoten ## 1.9 Genregulation bei Eukaryoten Die meisten Eukaryoten sind Vielzeller. In deren Geweben können die Zellen unterschiedliche Funktionen ausüben. Damit die Zellen ihre spezialisierte Funktion übernehmen können, müssen sie in der Lage sein, trotz der gleichen geneti...

# Genregulation bei Eukaryoten ## 1.9 Genregulation bei Eukaryoten Die meisten Eukaryoten sind Vielzeller. In deren Geweben können die Zellen unterschiedliche Funktionen ausüben. Damit die Zellen ihre spezialisierte Funktion übernehmen können, müssen sie in der Lage sein, trotz der gleichen genetischen Information bestimmte Proteine zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge zu bilden. Die Proteinbiosynthese von eukaryotischen Genen muss daher genau reguliert werden können. Wenn die Genexpression entgleist, können Krankheiten wie Krebs entstehen. Die Regulation der Genexpression ist bei Eukaryoten komplexer als bei Prokaryoten. Sie kann auf verschiedenen Ebenen erfolgen, etwa auf der Ebene: - der Chromatin-Umstrukturierung - der Transkription - der RNA-Prozessierung - des Abbaus der mRNA auf dem Weg zum Ribosom (RNA-Interferenz) - der Translation der mRNA am Ribosom - der posttranslationalen Modifikation - sowie beim Abbau der Proteine ### 1 Regulationsmöglichkeiten der Genexpression in eukaryotischen Zellen - **Chromatin-Umstrukturierung:** - Bei Eukaryoten ist die DNA im Chromatin stark kondensiert, sodass viele Gene für die Transkription nicht zugänglich sind. - Das hochkondensierte Chromatin wird nicht exprimiert, da die RNA-Polymerase dort die DNA nicht erreichen kann. - Die Umstrukturierung in die Form von lockerem Chromatin erfolgt durch das enzymatische Anheften von Acetylgruppen (COCH3) an Histone. - Durch Entfernen der Acetylgruppen wird das Chromatin wieder verdichtet und die Transkriptionsrate sinkt. - Die enzymatische Übertragung einer Methylgruppe (-CH3) auf die DNA-Base Cytosin führt zur Erniedrigung der Transkriptionsrate eines Gens. - Die Abspaltung von Methylgruppen hingegen steigert die Transkriptionsrate. - **Transkription:** - Die Regulation der Transkription ist die wichtigste Kontrollebene. - Die Transkription beginnt erst, wenn am Promotor neben der RNA-Polymerase noch zahlreiche andere regulatorische Proteine, sogenannte **Transkriptionsfaktoren**, gebunden haben. - Eine häufig in eukaryotischen Promo- toren vorkommende Bindungsstelle für Transkriptionsfaktoren weist eine typische Basensequenz aus Thymin und Adenin auf. Sie wird **TATA-Box** genannt und enthält besonders viel Thymin und Adenin. - Eine Punktmutation in der TATA-Box senkt die Transkriptionsrate eines Gens deutlich ab, da die Transkriptionsfaktoren nicht mehr optimal binden können. - Zusätzliche Proteine, die ebenfalls als Transkriptionsfaktoren fungieren, sind erforderlich. - Diese binden an regulatorische DNA-Abschnitte, die für die Eukaryoten charakteristisch sind. - Hat ein solcher Transkriptionsfaktor an einen regulatorischen DNA-Abschnitt gebunden und die Transkription dadurch verstärkt, nennt man diesen DNA-Abschnitt **Enhancer** (engl. Verstärker). - Hingegen dämpfen **Silencer** (engl. Dämpfer) gebunden sind, die Transkriptionsaktivität. - Sowohl Enhancer als auch Silencer liegen oftmals weit vom Gen entfernt, das sie steuern. - Haben an diese regulatorischen **DNA-Abschnitte Transkriptionsfaktoren gebunden**, bewirkt dies, dass die DNA Schleifen bildet. - Auf diese Weise kommen sie in Kontakt mit dem Promotor und den dort bereits gebundenen Transkriptionsfaktoren. - Die Summe der Wechselwirkungen aller in der Promotorregion eines Gens in Kontakt gebrachten Transkriptionsfaktoren reguliert letztlich die Aktivität der RNA-Polymerase und damit die Transkriptionsrate. - **RNA-Prozessierung:** - Auch nach der Transkription kann die Genexpression noch reguliert werden. - Ein Beispiel für die Regulation auf der Ebene der RNA-Prozessierung ist das **alternative RNA-Spleißen**. - Dabei werden nicht nur die Introns, sondern auch ein oder mehrere Exons aus der prä-mRNA herausgeschnitten. - Aus ein und derselben prä-mRNA können auf diese Weise verschiedene reife mRNA-Moleküle hergestellt werden. - Dadurch erhöht sich die Anzahl von Proteinen, die ein einzelnes Gen codieren kann, immens. - **Translation** - Auf der Ebene der Translation kann die Genexpression darüber hinaus durch **RNA-Interferenz** beeinflusst werden. - Diese beruht auf der Wechselwirkung der mRNA mit kurzen Stücken von Ribonucleinsäure. - Die Stücke sind nur 20 bis 29 Nucleotidpaare lang und werden daher **micro-RNA** (kurz: miRNA) genannt. - Beim Menschen sind mehr als 1500 mRNA-Moleküle bekannt, durch die wahrscheinlich 30 Prozent der Gene direkt reguliert werden. - miRNA wird im Zellkern durch DNA codiert und ist zunächst einzelsträngig. - Anders als die mRNA faltet sich miRNA spontan zu einer Struktur mit Doppelstrangabschnitten. - Unter der Beteiligung mehrerer Enzymkomplexe gelangt die miRNA in das Cytoplasma. - Hier binden Proteinkomplexe, die als **RISC-Proteinkomplexe** (engl. RNA-induced silencing complex) bezeichnet werden, die miRNA und zerlegen sie in Einzelstränge. - Diese werden getrennt voneinander an der Oberfläche des RISC-Proteinkomplexes angelagert. - Die Sequenz einer der beiden miRNA-Stränge ist komplementär zu einer Teilsequenz der mRNA. - Dieser miRNA-Strang bindet die entsprechende mRNA. - Dadurch wird die Translation der mRNA unmittelbar blockiert. - Anschließend wird der MRNA-miRNA-Komplex abgebaut. - Auf diese Weise wird die Translation bestimmter Proteine gezielt unterbunden. - Die Translationsrate kann allerdings auch gesteigert werden. - Dies geschieht, indem mehrere Ribosomen gleichzeitig dieselbe mRNA übersetzen. - Auf diese Weise können von einem mRNA-Molekül viele Proteine desselben Typs erzeugt werden. - Die Ribosomen liegen hierbei entweder frei im Cytoplasma vor oder sind an das raue Endoplasmatische Retikulum gebunden. - **Posttranslationale Modifikation:** - Eine weitere Regulationsmöglichkeit der Genexpression besteht nach der Translation. - Die entstandenen Polypeptide müssen in der Regel chemisch verändert werden. - Erst dann können sie ihre räumliche Struktur einnehmen und ihre spezifische Funktion erfüllen. - Dieser Vorgang wird als **posttranslationale Modifikation** bezeichnet. - Dabei werden die Polypeptide gewöhnlich durch eine reversible Anheftung von Phosphatgruppen oder Zuckerketten aktiviert oder inaktiviert. - **Abbau von Proteinen:** - Nach der Faltung der Polypeptidkette zum Protein kann dessen Konzentration in der Zelle auch durch den Abbau des Proteins reguliert werden. - Dafür zuständig ist ein Proteinkomplex, **Proteasom** genannt. - Es handelt sich dabei um einen molekularen „Schredder", der Proteine, die nicht mehr benötigt werden, verdaut. ## 2 Regulation der Transkription - **TATA-Box:** - Eine häufig in eukaryotischen Promo- toren vorkommende Bindungsstelle für Transkriptionsfaktoren weist eine typische Basensequenz aus Thymin und Adenin auf. - Sie wird **TATA-Box** genannt und enthält besonders viel Thymin und Adenin. - Eine Punktmutation in der TATA-Box senkt die Transkriptionsrate eines Gens deutlich ab, da die Transkriptionsfaktoren nicht mehr optimal binden können. - **Enhancer:** - Bei Eukaryoten charakteristisch sind. - Hat ein solcher Transkriptionsfaktor an einen regulatorischen DNA-Abschnitt gebunden und die Transkription dadurch verstärkt, nennt man diesen DNA-Abschnitt **Enhancer** (engl. Verstärker). - **Silencer:** - **Silencer** (engl. Dämpfer) gebunden sind, die Transkriptionsaktivität. ## 3 Alternatives RNA-Spleißen - **Alternatives RNA-Spleißen:** - Durch das alternative RNA-Spleißen werden nicht nur die Introns, sondern auch ein oder mehrere Exons aus der prä-mRNA herausgeschnitten. - Aus ein und derselben prä-mRNA können auf diese Weise verschiedene reife mRNA-Moleküle hergestellt werden. - Dadurch erhöht sich die Anzahl von Proteinen, die ein einzelnes Gen codieren kann, immens. ## 4 RNA-Interferenz - **RNA-Interferenz:** - Auf der Ebene der Translation kann die Genexpression darüber hinaus durch **RNA-Interferenz** beeinflusst werden. - Diese beruht auf der Wechselwirkung der mRNA mit kurzen Stücken von Ribonucleinsäure. - Die Stücke sind nur 20 bis 29 Nucleotidpaare lang und werden daher **micro-RNA** (kurz: miRNA) genannt. - Beim Menschen sind mehr als 1500 mRNA-Moleküle bekannt, durch die wahrscheinlich 30 Prozent der Gene direkt reguliert werden. - miRNA wird im Zellkern durch DNA codiert und ist zunächst einzelsträngig. - Anders als die mRNA faltet sich miRNA spontan zu einer Struktur mit Doppelstrangabschnitten. - Unter der Beteiligung mehrerer Enzymkomplexe gelangt die miRNA in das Cytoplasma. - Hier binden Proteinkomplexe, die als **RISC-Proteinkomplexe** (engl. RNA-induced silencing complex) bezeichnet werden, die miRNA und zerlegen sie in Einzelstränge. - Diese werden getrennt voneinander an der Oberfläche des RISC-Proteinkomplexes angelagert. - Die Sequenz einer der beiden miRNA-Stränge ist komplementär zu einer Teilsequenz der mRNA. - Dieser miRNA-Strang bindet die entsprechende mRNA. - Dadurch wird die Translation der mRNA unmittelbar blockiert. - Anschließend wird der MRNA-miRNA-Komplex abgebaut. - Auf diese Weise wird die Translation bestimmter Proteine gezielt unterbunden. - Die Translationsrate kann allerdings auch gesteigert werden. - Dies geschieht, indem mehrere Ribosomen gleichzeitig dieselbe mRNA übersetzen. - Auf diese Weise können von einem mRNA-Molekül viele Proteine desselben Typs erzeugt werden. - Die Ribosomen liegen hierbei entweder frei im Cytoplasma vor oder sind an das raue Endoplasmatische Retikulum gebunden. **Fragen:** 1. Erklären Sie die Bedeutung der Transkriptionsfaktoren bei der Regulation der Transkription. 2. Stellen Sie Gemeinsamkeiten der pro- und eukaryotischen Genregulation dar. 3. Erläutern Sie die Wirkung von miRNA auf die Proteinbiosynthese. 4. Vergleichen Sie die RNA-Interferenz mit der Genregulation durch negative Rückkopplung 5. Manche Viren besitzen doppelsträngige RNA als Erbinformation. Dringt diese bei einer Infektion in die Zelle ein, so wird sie von einem zelleigenen Proteinkomplex in kleinere Abschnitte zerlegt und dann vom RISC-Komplex gebunden. Erklären Sie, warum es sich hierbei um einen unspezifischen antiviralen Abwehrmechanismus der Zelle handelt.