Regulation der Transkription

Überblick

Überblick zur Transkription

Definition:

• Zentrales Dogma der Biologie: Die Genexpression erfolgt von der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA zum Protein. Zunächst wird DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA in RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA transkribiert, die dann im Rahmen der Translation ein Protein oder ein Proteinfragment (Polypeptid) übersetzt wird.
• Die Transkription ist ein Teilprozess der Proteinbiosynthese, bei dem die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA als Matrize verwendet wird, um eine mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA herzustellen.
• RNA-Polymerase: Enzym, das den DNA-Matrizenstrang „abliest“ und den RNA-Strang synthetisiert
• Promotorsequenz: DNA-Sequenzen, die den Beginn und die Leserichtung eines Gens markieren

DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA:

Die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ist ein Doppelhelix-Molekül, das aus zwei antiparallel angeordneten Einzelsträngen besteht. Dadurch erhält die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA das Aussehen einer verdrehten Leiter.

• Die „Seiten“ der Leiter bestehen aus Desoxyribosen (Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) und Phosphatmolekülen.
• Die „Sprossen“ der Leiter bestehen aus komplementären stickstoffhaltigen Molekülen, die als Nukleobasen bezeichnet werden und gemeinsam mit den Zucker- und Phosphatresten sogenannte Nukleotide bilden.
• DNA-Basenpaare:
  • Guanin Guanin Nukleinsäuren (G), Cytosin Cytosin Nukleinsäuren (C), Adenin Adenin Nukleinsäuren (A) und Thymin Thymin Nukleinsäuren (T)
  • G und C sind über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
  • A und T sind über zwei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
  • Diese Basenpaare können als Buchstabenfolge „gelesen“ werden (z. B. GTATCGA).
  • Die Abfolge der Basen verschlüsselt den genetischen Code, mithilfe dessen die DNA-Sequenz im Rahmen der Proteinbiosynthese in ein Protein übersetzt werden kann.
• Furchen:
  • Die DNA-Helix ist bei ihrer Rotation asymmetrisch.
  • Dadurch entstehen eine große und eine kleine Furche.
  • Die große Furche ermöglicht vielen regulatorischen Proteine Proteine Proteine und Peptide die direkte Bindung an die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA.

RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA:

• Einzelsträngiges Molekül aus Ribosen (Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) und Phosphatmolekülen
• An jede Ribose ist eine Nukleobase gebunden:
  • Guanin Guanin Nukleinsäuren (G), Cytosin Cytosin Nukleinsäuren (C), Adenin Adenin Nukleinsäuren (A) und Uracil (U)
  • Thymin Thymin Nukleinsäuren (T) ist durch Uracil (U) ersetzt.
  • A und T sind über zwei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.

Überblick zur Transkriptionsregulation

• Viele verschiedene Arten von Signalen beeinflussen, ob ein bestimmtes Gen transkribiert wird oder nicht. Dazu gehören:
  • Hormone Hormone Endokrines System: Überblick
  • Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme
  • Pharmazeutische Wirkstoffe
  • Vorhandensein oder Fehlen bestimmter Nährstoffe oder anderer Moleküle (z. B. Laktose oder Tryptophan)
• Mechanismen der Transkriptionsregulation:
  • Regulation der Initiation über den Zugang der RNA-Polymerase zu der spezifischen DNA-Sequenz:
    • Transkriptionsfaktoren
    • Enhancer und Silencer
    • Verpackung der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA
  • Regulation der Elongation über Elongationsfaktoren und Aktivatoren
  • Regulation der Termination
• Positive Regulation:
  • Steigerung der Genexpression
  • Positive Regulatoren, Aktivatoren oder Enhancer
• Negative Regulation:
  • Verringerung der Genexpression
  • Negative Regulatoren, Repressoren oder Silencer

Regulatorische Proteine (Transkriptionsfaktoren)

Die Transkriptionsregulation wird unter anderem durch regulatorische Proteine Proteine Proteine und Peptide vermittelt, die an spezifische DNA-Sequenzen binden können und die Transkriptionsaktivität der RNA-Polymerase positiv oder negativ modulieren. Eine Entwindung der DNA-Doppelhelix ist dafür nicht erforderlich.

Überblick über Transkriptionsfaktoren

• Regulation der Transkription durch Bindung an regulatorische DNA-Sequenzen:
  • Promotersequenzen
  • Enhancer
  • Silencer
• Transkriptionsfaktoren haben verschiedene Domänen:
  • DNA-Bindungsdomäne: Bindung an die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA
  • Funktionelle Domäne: Interaktion mit der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA und/oder anderen Proteinen, um spezifische Funktionen auszuführen
• Transkriptionsfaktoren enthalten typischerweise eine der drei folgenden DNA-Bindungsmotiven:
  • Helix-Turn-Helix
  • Zinkfinger
  • Leucin-Zipper

Helix-Turn-Helix

Transkriptionsfaktoren mit dem Helix-Turn-Helix-DNA-Bindungsmotiv haben folgende Eigenschaften:

• Struktur: zwei senkrecht zueinander orientierte helikale Segmente, die über ein schleifenförmiges Proteinsegment miteinander verbunden sind
• Schleifensegment enthält die funktionale Domäne
• Bindung an die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA in der große Furche
• Häufig treten zwei Helix-Turn-Helix-Motive gemeinsam auf.
• Eine Untergruppe von Helix-Turn-Helix-Motiven sind sogenante Homöodomänen. Diese regulatorischen Proteine Proteine Proteine und Peptide sind während der Entwicklung von großer Bedeutung.

Zinkfinger

• Drei fingerartige Strukturen (Zinkfingerdomänen) interagieren mit der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA an der großen Furche.
• Für die Interaktion mit der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA sind koordinativ gebundene Zinkionen erforderlich.
• Das Bindungsmotiv wird häufig in Steroidrezeptoren wiedergefunden → ermöglicht den aktivierten Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren die direkte Bindung an die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA zur Transkriptionsmodulation

Leucin-Zipper

Leucin-Zipper bestehen aus zwei Proteinen mit jeweils einer helikalen Untereinheit und einer hydrophoben Untereinheit enthalten.

• Die helikalen Untereinheiten:
  • Interaktion mit der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA in der großen Furche
  • Bindung an die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA über endständige basische Aminosäuren
• Die hydrophoben Untereinheiten:
  • Außerhalb der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA lokalisiert (Hydrophilie der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA)
  • Dimerisierung der beiden Proteine Proteine Proteine und Peptide über Leucin-Moleküle
• Die Proteine Proteine Proteine und Peptide enthalten weitere funktionelle Domänen, die mit der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA oder anderen umgebenden Proteinen interagieren können.

Prokaryotische Transkriptionsregulation

Überblick

• Die prokaryotische Genexpression wird hauptsächlich auf Ebene der Transkription reguliert.
• Prokaryotische Gene sind in Transkriptionseinheiten organisiert, die Operons genannt werden.
• Die Transkriptionsregulation erfolgt durch Aktivierung oder Repression der Operons.
• In Abwesenheit von regulatorischen Proteinen (z. B. Repressoren) sind Gene aktiv.

Operons

Operons sind Transkriptionseinheiten aus mehreren Genen und weiteren regulatorischen Elementen, die einer gemeinsamen Regulation unterliegen. Operons enthalten zwei primäre DNA-Sequenzen:

• Regulatorische Sequenz:
  • Promotor: Bindung des Sigma-Faktors und der RNA-Polymerase zur Transkriptionsinitiation
  • Operator: Bindung regulatorischer Proteine Proteine Proteine und Peptide (z. B. Repressoren)
    • Repressor: Protein, das die Wanderung der RNA-Polymerase entlang des Gens verhindert
    • Hemmung der Transkription, wenn Repressoren an ihre Operatoren binden
  • Regulatorgen: Gene, die für Aktivator- oder Repressorproteine kodieren
  • Promotorsequenz des Regulatorgens
• Strukturgene:
  • Sequenz, die mehrere Gene für verschiedene Proteine Proteine Proteine und Peptide enthält
  • Diese Gene sind entweder alle eingeschaltet oder alle ausgeschaltet.

Induzierbare Operons

Induzierbare Operons sind Operons, die im „normalen“ Zustand ausgeschaltet sind und sich unter bestimmten Bedingungen einschalten. Ein typisches Beispiel für ein induzierbares Operon ist das lac-Operon in Escherichia coli Escherichia coli Escherichia coli. Normalerweise verwendet E. coli Glukose zur Energiegewinnung. Ist allerdings keine Glukose verfügbar und/oder Laktose vorhanden, aktiviert die Anwesenheit von Laktose das lac-Operon:

• Die Strukturgene kodieren für Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme, die am Laktosestoffwechsel beteiligt sind.
• Die regulatorische Sequenz kodiert für:
  • Einen Repressor
  • Einen Aktivator: Katabolitenaktivatorprotein (Englisches Akronym: CAP)

Negative Regulation über den Lac-Repressor:

• Lactose verhindert die Bindung des Repressors an den Operator.
• Anwesenheit von Laktose: Repressor kann nicht binden → Genexpression
• Abwesenheit von Laktose: Repressor bindet an den Operator → Genexpression wird gehemmt, da die RNA-Polymerase blockiert wird
• Die Anwesenheit von Laktose stimuliert somit die Transkription von Genen für den Laktosestoffwechsel (Substratinduktion).

Positive Regulation über den CAP-Aktivator:

• Niedriger Glukosespiegel: Synthese von CAP → Bindung an den Enhancer (siehe „Enhancer-Sequenzen“ weiter unten) → Transkription wird verstärkt
• Hoher Glukosespiegel: keine Synthese von CAP → Transkription wird nicht verstärkt

Reprimierbare Operons

Reprimierbare Operons sind Operons, die im „normalen“ Zustand eingeschaltet sind und sich unter bestimmten Bedingungen ausschalten. Das Tryptophan-Operon (trp-Operon) ist ein typisches Beispiel für ein reprimierbares Operon:

• Die Strukturgene kodieren für Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme, die für die Tryptophansynthese notwendig sind.
• Die regulatorische Sequenz kodiert für einen Repressor.
  • Aktivierung des Repressors durch Tryptophan
  • Ohne Tryptophan ist der Repressor inaktiv.

Im Normalzustand ist das Operon eingeschaltet und Tryptophan wird synthetisiert.

• Anwesenheit von Tryptophan:
  • Tryptophan bindet an seinen Repressor → Aktivierung des Repressors
  • Repressor bindet an seinen Operator → Verhinderung der Transkription
  • In Anwesenheit von Tryptophan werden Gene ausgeschaltet, die die Tryptophansynthese stimulieren.
• Abwesenheit von Tryptophan:
  • Tryptophan kann nicht an den Repressor binden → der Repressor ist inaktiv
  • Repressor kann nicht an den Operator binden → Transkription wird nicht gehemmt
  • In Abwesenheit von Tryptophan werden Gene transkribiert, die für Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme der Tryptophansynthese kodieren.

Eukaryotische Transkriptionsregulation

Überblick

• Die Transkriptionsregulation bei Eukaryoten ist komplexer als bei Prokaryoten, da die Entwicklung von Eukaryoten wesentlich komplizierter abläuft.
• Eukaryotische Gene sind in Abwesenheit von Transkriptionsfaktoren immer ausgeschaltet.
• Die Regulation der eukaryotischen Genexpression erfolgt auf mehreren Ebenen:
  • DNA-Verpackung als Chromatin
  • Transkription
  • RNA-Prozessierung RNA-Prozessierung Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung)
  • Translation
  • Proteinmodifikation und -abbau
• Die Transkriptionregulation erfolgt durch:
  • Transkriptionsfaktoren
  • Regulatorische Sequenzen der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA

Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren (TFs) sind regulatorische Proteine Proteine Proteine und Peptide, die für die Transkription notwendig sind. Jeder dieser Faktoren ist an der Genregulation beteiligt.

• Allgemeine Transkriptionsfaktoren:
  • Bindung an die Promotorsequenz
  • Ermöglichen die Bindung der RNA-Polymerase II an die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA → Transkriptionsinitiation
• Initiationskomplex:
  • Komplex aus Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase II an der Promotorsequenz
  • Sobald der gesamte Initiationskomplex am Promotor angelagert ist, kann die Transkription beginnen.
• Spezifische Transkriptionsfaktoren: spezifische Proteine Proteine Proteine und Peptide, die zeit- oder gewebeabhängig die Transkriptionsinitiation stimulieren

Enhancer-Sequenzen

Enhancer-Sequenzen sind an der Transkriptionsinitiation beteiligt und stimulieren die Genexpression.

• Enhancer-Sequenzen binden an:
  • Aktivatoren:
    • TFs, die die Bildung des Initiationskomplexes am Promotor unterstützen
    • Aktivierung und Verstärkung der Transkription
  • Repressoren: Verhinderung der Transkription
• In der Regel sind Enhancer-Sequenzen mehrere tausend Basenpaare vom Zielgen entfernt lokalisiert.
  • Ausbildung von Schleifen in der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA, um mit dem Promotor zu interagieren
  • Feinregulation der Transkription:
    • Eine einzelne Enhancersequenz kann mit den Promotorsequenzen mehrerer Gene interagieren.
    • Die Promotorsequenz eines einzelnen Gens kann mit mehreren Enhancer-Sequenzen interagieren.
• Silencer-Sequenzen: DNA-Sequenzen, die die Bildung von Enhancer-Schleifen verhindern, sodass Enhancer nicht mit dem Promoter interagieren können

Epigenetik

Epigenetische Regulation ist eine Form der Genregulation ohne Veränderungen der DNA-Sequenz oder der Transkriptionsprodukte.

• Die Zugänglichkeit der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA für die RNA-Polymerase ist abhängig von ihrem Verpackungsgrad. Nukleosomen sind Histonkomplexe mit der darum gewundenen DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA.
• Histonmodifikation:
  • Acetylierung → Auflockerung der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ermöglicht Transkription
  • Methylierung → Schutz inaktiver Regionen und Verhinderung einer versehentlichen Transkription dieser Sequenzen
• Nukleosommodifikation:
  • Wanderung entlang des DNA-Strangs verändert die Zugänglichkeit verschiedener Sequenzen für die RNA-Polymerase
  • Umbau von Nukleosomen
  • Vorübergehende Entfernung von Nukleosomen