Regulation der Transkription

Die Transkription ist der Prozess, bei dem die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA in eine mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA übersetzt wird. Katalysiert wird die Synthese des RNA-Stranges durch die RNA-Polymerase. Die Transkription ist der erste Schritt der Genexpression und unterliegt einer starken Regulation. In Prokaryoten sind mehrere Gene in spezifischen DNA-Sequenzen, sogenannten Operons, zusammengefasst. Die Expression der in den Operons enthaltenen Gene wird durch Repressoren und Aktivatoren reguliert. Die Genregulation bei Eukaryoten ist viel komplexer und beinhaltet zahlreiche Transkriptionsfaktoren und regulatorische DNA-Sequenzen. Epigenetische Mechanismen, die beispielsweise den Verpackungsgrad der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA beeinflussen, sind für die Transkriptionsregulation von großer Bedeutung, da sie kontrollieren, welche DNA-Segmente der RNA-Polymerase für die Transkription zur Verfügung stehen.

Aktualisiert: 05.07.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

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Überblick

Überblick zur Transkription

Definition:

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:

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

Transkription Nukleinsäuren

Struktur von RNA und DNA

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Überblick zur Transkriptionsregulation

  • Viele verschiedene Arten von Signalen beeinflussen, ob ein bestimmtes Gen transkribiert wird oder nicht. Dazu gehören:
  • Mechanismen der Transkriptionsregulation:
  • 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

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.
2 Helix-Turn-Helix-Regulatorproteine, die in der großen Furche an DNA gebunden sind

Transkriptionsfaktoren mit Helix-Turn-Helix-Motiven, die in der großen Furche an die DNA binden

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Zinkfinger

Das Zink-Finger-Bindungsmotiv

Zinkfingerbindungsmotiv:
Häufig in Steroidrezeptoren wiederzufinden

Bild von Lecturio.

Leucin-Zipper

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

Das Leucin-Reißverschluss-Bindemotiv

Leucin-Zipper-Bindungsmotiv:
Zwei Proteinuntereinheiten, die über Leucin-Moleküle verbunden sind

Bild von Lecturio.

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.
Example of a prokaryotic operon

Beispiel für ein prokaryotisches Operon:
Die prokaryotische Genexpression wird hauptsächlich auf Ebene der Transkription reguliert.
Operons sind Gruppen koregulierter Gene in Prokaryoten.

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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)
Lac operon

Lac-Operon:
In Gegenwart von Laktose wird die Genxpression aktiviert.

Bild von Lecturio

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.
trp operon

Trp-Operon:
Aktivierung des Repressors durch Tryptophan

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Eukaryotische Transkriptionsregulation

Überblick

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:
  • 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.
  • Silencer-Sequenzen: DNA-Sequenzen, die die Bildung von Enhancer-Schleifen verhindern, sodass Enhancer nicht mit dem Promoter interagieren können
Eukaryotic transcription initiation complex

Eukaryotischer Transkriptionsinitiationskomplex

Bild von Lecturio

Epigenetik

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

Quellen

  1. Cooper GM (Hrsg.). (2000). The cell: a molecular approach. In Regulation of Transcription in Eukaryotes,, 2. Aufl. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9904/
  2. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002. From RNA to Protein. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26829/
  3. Christensen K, Hulick PJ. (2020). Basic genetics concepts: DNA regulation and gene expression. UpToDate.tand. Abgerufen am 15. April 2021 von https://www.uptodate.com/contents/basic-genetics-concepts-dna-regulation-and-gene-expression

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Lecturio und die TÜV SÜD Akademie erhielten für den gemeinsam entwickelten Online-Kurs zur Vorbereitung auf den
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Comenius-Award 2019

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Die Lecturio Business Flat erhielt 2019 das Comenius-EduMedia-Siegel, mit dem die Gesellschaft für Pädagogik, Information und Medien jährlich pädagogisch,  inhaltlich und gestalterisch
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Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

Dr. Frank Stummer

Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

Sobair Barak

Sobair Barak hat einen Masterabschluss in Wirtschaftsingenieurwesen absolviert und hat sich anschließend an der Harvard Business School weitergebildet. Heute ist er in einer Management-Position tätig und hat bereits diverse berufliche Auszeichnungen erhalten. Es ist seine persönliche Mission, in seinen Kursen besonders praxisrelevantes Wissen zu vermitteln, welches im täglichen Arbeits- und Geschäftsalltag von Nutzen ist.

Wolfgang A. Erharter

Wolfgang A. Erharter ist Managementtrainer, Organisationsberater, Musiker und Buchautor. Er begleitet seit über 15 Jahren Unternehmen, Führungskräfte und Start-ups. Daneben hält er Vorträge auf Kongressen und Vorlesungen in MBA-Programmen. 2012 ist sein Buch „Kreativität gibt es nicht“ erschienen, in dem er mit gängigen Mythen aufräumt und seine „Logik des Schaffens“ darlegt. Seine Vorträge gestaltet er musikalisch mit seiner Geige.

Holger Wöltje

Holger Wöltje ist Diplom-Ingenieur (BA) für Informationstechnik und mehrfacher Bestseller-Autor. Seit 1996 hat er über 15.800 Anwendern in Seminaren und Work-shops geholfen, die moderne Technik produktiver einzusetzen. Seit 2001 ist Holger Wöltje selbstständiger Berater und Vortragsredner. Er unterstützt die Mitarbeiter von mittelständischen Firmen und Fortune-Global-500- sowie DAX-30-Unternehmen dabei, ihren Arbeitsstil zu optimieren und zeigt Outlook-, OneNote- und SharePoint-Nutzern, wie sie ihre Termine, Aufgaben und E-Mails in den Griff bekommen, alle wichtigen Infos immer elektronisch parat haben, im Team effektiv zusammenarbeiten, mit moderner Technik produktiver arbeiten und mehr Zeit für das Wesentliche gewinnen.

Frank Eilers

Frank Eilers ist Keynote Speaker zu den Zukunftsthemen Digitale Transformation, Künstliche Intelligenz und die Zukunft der Arbeit. Er betreibt seit mehreren Jahren den Podcast „Arbeitsphilosophen“ und übersetzt komplexe Zukunftsthemen für ein breites Publikum. Als ehemaliger Stand-up Comedian bringt Eilers eine ordentliche Portion Humor und Lockerheit mit. 2017 wurde er für seine Arbeit mit dem Coaching Award ausgezeichnet.

Yasmin Kardi

Yasmin Kardi ist zertifizierter Scrum Master, Product Owner und Agile Coach und berät neben ihrer Rolle als Product Owner Teams und das höhere Management zu den Themen agile Methoden, Design Thinking, OKR, Scrum, hybrides Projektmanagement und Change Management.. Zu ihrer Kernkompetenz gehört es u.a. internationale Projekte auszusteuern, die sich vor allem auf Produkt-, Business Model Innovation und dem Aufbau von Sales-Strategien fokussieren.

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Leon Chaudhari ist ein gefragter Marketingexperte, Inhaber mehrerer Unternehmen im Kreativ- und E-Learning-Bereich und Trainer für Marketingagenturen, KMUs und Personal Brands. Er unterstützt seine Kunden vor allem in den Bereichen digitales Marketing, Unternehmensgründung, Kundenakquise, Automatisierung und Chat Bot Programmierung. Seit nun bereits sechs Jahren unterrichtet er online und gründete im Jahr 2017 die „MyTeachingHero“ Akademie.

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Als akkreditierter Trainer für PRINCE2® und weitere international anerkannte Methoden im Projekt- und Portfoliomanagement gibt Andreas Ellenberger seit Jahren sein Methodenwissen mit viel Bezug zur praktischen Umsetzung weiter. In seinen Präsenztrainings geht er konkret auf die Situation der Teilnehmer ein und erarbeitet gemeinsam Lösungsansätze für die eigene Praxis auf Basis der Theorie, um Nachhaltigkeit zu erreichen. Da ihm dies am Herzen liegt, steht er für Telefoncoachings und Prüfungen einzelner Unterlagen bzgl. der Anwendung gern zur Verfügung.

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Zach Davis ist studierter Betriebswirt und Experte für Zeitintelligenz und Zukunftsfähigkeit. Als Unternehmens-Coach hat er einen tiefen Einblick in über 80 verschiedene Branchen erhalten. Er wurde 2011 als Vortragsredner des Jahres ausgezeichnet und ist bis heute als Speaker gefragt. Außerdem ist Zach Davis Autor von acht Büchern und Gründer des Trainingsinstituts Peoplebuilding.

Wladislav Jachtchenko

Wladislaw Jachtchenko ist mehrfach ausgezeichneter Experte, TOP-Speaker in Europa und gefragter Business Coach. Er hält Vorträge, trainiert und coacht seit 2007 Politiker, Führungskräfte und Mitarbeiter namhafter Unternehmen wie Allianz, BMW, Pro7, Westwing, 3M und viele andere – sowohl offline in Präsenztrainings als auch online in seiner Argumentorik Online-Akademie mit bereits über 52.000 Teilnehmern. Er vermittelt seinen Kunden nicht nur Tools professioneller Rhetorik, sondern auch effektive Überzeugungstechniken, Methoden für erfolgreiches Verhandeln, professionelles Konfliktmanagement und Techniken für effektives Leadership.

Alexander Plath

Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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