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Genetik (Subject) / Genetik Mündlich (Lesson)

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• Replikationsproblem linearer Chromosomen   Die Synthese am Leitstrang ist unproblematisch, aber die Synthese am Folgestrang führt zu Problemen: der Primer kann am Ende nicht mehr binden → am Ende der Replikation bleibt ein Stück einzelsträngige DNA übrig, das enzymatisch abgebaut werden würde → pro Replikationsrunde würden also zwischen 100 und 1000 Repeats verlorengehen → Schutz: Telomere (s.u.)  
• Telomere und Telomerase   Telomere sitzen an den Enden linearer Chromosomen Komplex aus bestimmten DNA-Sequenzen und gebundenen Proteinen → Sequenzen von 6-7 Nukleotiden werden immer wieder wiederholt → dadurch entstehen lange Abschnitte mit zahlreichen Wiederholungen   am Ende der Replikation bleibt am Folgestrang ein 12-16 Nukleotide langer 3'-Overhang übrig (durch Entfernung des Primers)   Telomerase aus mehreren Untereinheiten und RNA-Oligonukleotid ein Abschnitt der RNA ist komplementär zu den Tandemeinheiten derTelomere   ein Abschnitt des 3'-Overhangs paart mit der komplementären RNA der Telomerase RNA bildet nun einen freien, ungepaarten Überhang → dient wiederum als Matrize zur Verlängerung des 3'Endes der DNA Translokation der Telomerase (rutscht in 3'-Richtung der DNA) RNA paart sich wieder mit im vorigen Schritt neu gebildeter DNA Prozess wiederholt sich bis alpha-Polymerase (Primase-Aktivität) ansetzen kann und den unvollständigen Einzelstrang verlängern kann
• Telomerase und Altern   Telomerase kommt in Keimzellen und Stammzellen (und Tumorzellen) vor, aber in vielen somatischen Zellen nicht → Telomere verkürzen sich bei jeder Zellteilung → Zellen stellen ihre Teilung ein → mögliche Erklärung für das Altern
• Was versteht man unter asymmetrischer Transkription?   Transkription = Bildung von RNA anhand einer DNA-Vorlage   Bei der Bildung der mRNA dient nur ein DNA-Strang als Matrize = kodogener Strang → der andere Strang = kodierender Strang; weist eine identische Basensequenz auf wie das Transkript Die Transkription erfolgt immer in 5' zu 3' Richtung. Es ist kein Primer notwendig.      
• Strukturelle Unterschiede zwischen DNA und RNA   einsträngig → durch intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen können sich aber zeitweise doppelsträngige Sekundärstrukturen ausbilden Uracil statt Thymin Ribose statt Desoxyribose  
• Formen von RNA   messenger-RNA (mRNA) → Informationsträger bei der Genexpression; trägt Informationen über die zu kodierenden Proteine → bringt die Information zum Ribosom und dient diesem als Vorlage heterogene nukleäre RNA (hnRNA) → RNA im Kern; vor allem unreife Vorläufer von mRNA transfer-RNA (tRNA) → liefert die Aminosäuren bei der Translation zum Ribosom ribosomale RNA (rRNA) → ist Bestandteil der Ribosomen → man unterscheidet mehrere Klassen small nuclear RNA → ist Teil des Spliceosoms small interfering RNA (siRNA) → hemmt die Expression von spezifischen Zielgenen micro RNA → hemmt die Expression von spezifischen Zielgenen  
• Strukturformen von RNA   Primärstruktur = Abfolge der Nukleotide Sekundärstruktur = stellenweise Ausprägung von Doppelstrangstrukturen → bulge loop → stem loop → internal loop → multibranched loop Tertiärstruktur: Anordnung der Sekundärstruktur im Raum  
• Wichtige Bereiche am Gen für die Transkription   Am Gen kann man verschiedene Bereiche unterscheiden: Promotorregion: hier bindet die RNA-Polymerase vor dem Start der Transkription → die eigentliche Transkription startet dann nach der Promotorregion Terminator: Endstelle; hier löst sich die DNA-Polymerase ab  
• Transkriptionseinheiten   Monocystronische Transkriptionseinheit: jedes Gen hat ein eigenes Transkript → bei höheren Eukaryoten   Polycystronische Transkriptionseinheit: auf einem Transkript befinden sich die Informationen von mehreren Genen (Prokaryoten, niedere Eukaryoten)  
• Übersicht über die Hauptphasen der Transkription   Initiation → Bindung von RNA-Polymerase und Transkriptionsfaktoren am Promotor → Aufschmelzen der Promotor-DNA → es bildet sich ein offener Promotorkomplex → Verknüpfen der ersten Nukleotide   Elongation → Bildung des RNA-Transkripts   Termination → beginnt bei Erreichen des Terminators → RNA-Polymerase dissoziiert von der DNA und entlässt die RNA  
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• Prokaryotischer Promotor   Der Promotor ist der Erkennungs- und Startpunkt für jede Polymerase. Verschiedene Promotoren weisen bestimmte Sequenzähnlichkeiten auf, die sich im Lauf der Evolution auch nicht großartig verändert haben (→ konservierte Sequenzen)   Es gibt verschiedene Promotoren, aber alle weisen bestimmte Gemeinsamkeiten auf: TATA-Box (= -10-Region) → Bereich liegt etwa 10 Basenpaare vor dem Startpunkt → am kodierenden Strang findet sich eine Konsensus-Sequenz: TATAAT   Konsensus-Sequenz: theoretische Idealsequenz, in der Realität sind durchaus Abweichungen vorhanden!   -35-Region → Bereich liegt etwa 35 Basenpaare vor dem Startpunkt → am kodierenden Strang findet sich eine Konsensus-Sequenz: TTGACA → allgemein ist der kodierende Strang in dem Abschnitt sehr reich an Adenin und Thymin   t1 (= Startpunkt) → = erste transkribierte Base  
• Eukaryotischer Minimalpromotor   Startpunkt = +1 → Startnukleotid trägt meist die Base Adenin und liegt in einer pyrimidinreichen Sequenz → der gesamte Komplex = Initiator (Inr); liegt meist in der Region -3 bis +5   TATA-Box (-25 Region) → Konsensus-Sequenz: TATAAA   In Richtung des 5'-Endes hinter der TATA-Box liegen regulierende Sequenzen → haben Einfluss auf die Transkriptionsrate → z.B. uas (upstream activating sequences)  
• RNA-Polymerase bei Prokaryoten   Das Enzym setzt sich aus mehreren Untereinheit zusammen: 2 α-Untereinheiten ß-Untereinheit ß'-Untereinheit → Diese Bestandteile bilden ein Minimalenzym (Core-Enzym)   Damit die Synthese aber auch effektiv ablaufen kann, ist zusätzlich noch eine σ-Untereinheit notwendig: sie erkennt die Promotorregion und bindet an diese in den meisten Genen: σ70 bei Hitzeschock: σ32   → Die Gesamtheit aller Untereinheiten wird als Holo-Enzym bezeichnet.  
• RNA-Polymerase bei Eukaryoten   Für unterschiedliche RNAs gibt es unterschiedliche Polymerasen: Polymerase II → bildet die mRNA → besteht aus 12 Untereinheiten Polymerase I → im Nukleolos → transkribiert in rRNA Polymerase III → transkribiert in rRNA und tRNA  
• Initiation der Transkrption bei Prokaryoten RNA-Polymerase bindet an eine beliebige Stelle im DNA-Doppelstrang und gleitet an der DNA entlang, bis sie an eine Promotorregion kommt → σ-Untereinheit verringert Wechselwirkung mit unspezifischer DNA → σ-Untereinheit erkennt den Promotor und bindet an den Promotor   → es bildet sich ein sog. geschlossener Promotorkomplex, bei dem die DNA aber noch als Doppelhelix vorhanden ist   DNA-Doppelstrang wird im Bereich um den Startpunkt entwunden (ca. 12 Basen) → offener Promotorkomplex   es kommt zu einer Konformationsänderung der RNA-Polymerase: sie umschließt die DNA jetzt wie eine Rinne   Beginn der RNA-Synthese: es kann eine Kette aus 12 Nukleotiden gebildet werden, dann muss die RNA-Polymerase ihre Position verändern → Ablösung der σ-Untereinheit, wird nicht mehr benötigt CAVE: Im Gegensatz zur DNA-Polymerase ist kein Primer nötig!    
• Initiation der Transkription bei Eukaryoten   Bei Eukaryoten muss die Initiation anders ablaufen, weil: deutlich mehr Gene im Genom sind Gene wegen der vielen Introns stärker im Genom verteilt sind → Polymerase würde „die Nadel im Heuhaufen“ suchen   Bildung eines Polymerase II -Initiationskomplexes → Ausbildung weil die Polymerase allein bei der Transkription nicht besonders effizient ist   Am Komplex beteiligt sind RNA-Polymerase II Transkriptionsfaktoren   Aufbau des Komplexes erfolgt stufenweise und beginnt mit der Bildung von: Transkriptionsfaktor TFIID → trägt u.a. des TATA-Box bindende Protein   Weitere Transkriptionsfaktoren sind: TFIIH → reguliert die Bildung des offenen Promotorkomplexes → hat Helikasefunktion → phosphoryliert die „carboxyl-tail-domain“ der RNA-Polymerase II TFIIB → sorgt dafür, dass RNA-Polymerase II den Promotor verlässt   Beginn der Initiation Bindung des Komplexes an die DNA erfolgt durch TBP (bindet in die kleine Furche der Doppelhelix) weitere Transkriptionsfaktoren bringen die RNA-Polymerase II an den Promotor weitere Transkriptionsfaktoren ermöglichen dann die Transkription  
• Termination der Transkription bei Prokayroten   rho-unabhängige Termination Terminationsbereich der DNA ist reich an C und G, mit einem nachfolgenden Block aus A in der RNA entsteht dadurch eine Basenfolge, die zur Bildung einer Haarnadelstruktur führt → Stamm aus G-C-Paaren (4-6 Stück) → Schleife mit 3-8 Nukleotiden → zum 3' Ende: Uracilbasen durch die Haarnadelstruktur stoppt die RNA-Polymerase die Uracilbasen destabilisieren den DNA-RNA-Hybrid Komplex aus DNA, RNA und Polymerase zerfällt   rho-abhängige Termination rho ist ein Enzym aus der Klasse der Helicasen bindet an die RNA → Bindungsstelle: rut (rho utilisation site) wandert von dort in Richtung der Polymerase (5' → 3') rho trennt DNA-RNA-Hybrid rho und RNA-Polymerase lösen sich ab  
• Termination der Transkription bei Eukaryoten   Einzelheiten sind bei Eukaryoten kaum bekannt. Torpedomodell allosterisches Modell  
• Wo kommen posttranskriptionale RNA-Modifikatoren vor? Übersicht?   Bei Bakterien wird die mRNA sofort in Aminosäuren translatiert.   Bei Eukaryoten kommt es zu Modifikationen, bevor die mRNA aus dem Zellkern ins Cytoplasma transportiert wird. Das Molekül, das dann am Schluss tatsächlich translatiert wird, ist viel kürzer als das Primärtranskript!   Der Prozess wird als Reifung (Prozessierung) bezeichnet und schließt folgende Vorgänge mit ein: Capping Polyadenylierung Spleißen  
• Capping   beginnt schon, während die Transkription noch am Laufen ist am 5' Ende des Transkripts wird eine 7-Methylguanosinkappe angehängt → die Bindung zwischen Kappe und 1. Nukleotid ist einzigartig: 5'-5' Bindung es entsteht 7 Methylguanosin 5'5' triphosphat   Zweck: Erhöhung der Stabilität wichtig für Initiation und Effizienz der Translation  
• Polyadenylierung   → findet erst nach Abschluss des Cappings statt Polyadenylierungssignal: Basenfolge AAUAAA ca. 20 Nukleotide unterhalb dieses Signals wird der mRNA-Strang durch eine Endonuklease geschnitten an das 3' Ende werden zahlreiche Adeninnukleotide angehängt → durch eine PolyA-Polymerase (benötigt keine DNA-Matrize!) → am Ende der mRNA befindet sich dann ein Poly-A-Schwanz   Zweck: Erhöhung der Stabilität Erhöhung der Translationseffizienz
• Spleißen   = Herausschneiden der Introns und anschließendes Verknüpfen der Exons Introns: DNA-Abschnitte, die nicht für Gene kodieren → werden transkribiert aber nicht translatiert Exons: DNA-Abschnitte, die für Gene kodieren → sind auch im endgültigen mRNA-Produkt noch enthalten   Klassifikation der Introns selbststpleißende Introns: das Intron selbst ist die Quelle der enzymatischen Aktivität → für das Herausschneiden aus dem Transkript sind also keine weiteren Bestandteile mehr nötig Introns, die vom Spliceosom (s.u.) entfernt werden → in kernkodierten mRNAs  
• Spliceosom   = Molekülkomplex aus snRNPs (small nuclear ribonucleoproteins) → snRNPs bestehen wiederum aus Protein und snRNA → man unterscheidet 5 Gruppen von snRNA: U1, U2, U3, U4, U5, U6 → kommen nur im Zellkern vor   Das Spliceosom veranlasst die Bildung von Lassostrukturen (Lariat): das Intron wird zu einer Schleife gelegt und abgespalten → chemisch gesehen handelt es sich um eine Transesterifikationsreaktion     Mechanismus des Spleißens zu Beginn und Ende des Introns gibt es konservierte Sequenzabschnitte (5' Spleiß-Donorstelle und 3' Spleiß-Akzeptorstelle) Spliceosom bindet an das Primärtranskript durch Basenpaarungen zwischen snRNA und der Konsensus-Sequenzen der mRNA 1. Transesterifikationsreaktion: Adeninrest im Intron (= Verzweigungspunkt) greift mit OH-Gruppe die 5' Spleißstelle an → Schneiden der RNA-Kette Entstehung einer Zwischenstruktur 2. Transesterifikationsreaktion: geschnittenes 5' Ende wird mit dem Adeninrest verknüpft → Lariatbildung Ausschneiden des Lariats Abbau des Lariats durch Nukleasen Verknüpfung der Exons    
• Alternatives Spleißen   Durch Kombination unterschiedlicher Exons können aus einem Primärtranskript unterschiedliche mRNAs gebildet werden. → Ein Gen kann für mehrere mRNAs und somit für mehrere Proteine kodieren → Möglichkeit zur Regulation der Genexpression  
• Chemischer Bau der Aminosäuren zentrales C-Atom Carboxylgruppe Aminogruppe variabler Rest AS liegen als Zwitterionen vor: H-Atom wechselt zwischen Aminogruppe und Carboxylgruppe
• Einteilung von Aminosäuren neutral hydrophob: Leucin, Isoleucin, Prolin, Valin neutral hydrophil: Glutamin, Asparagin negativ hydrophil: Glutaminsäure, Asparaginsäure positiv hydrophil: Arginin, Lysin aromatisch: Phenylalanin, Tryptophan
• Verknüpfung von Aminosäuren Peptidbindung: Verknüpfung zwischen Aminogruppe und Carboxylgruppe unter Abspaltung von Wasser
• Ebenen der Proteinstruktur   Primärstruktur: Aminosäuresequenz Sekundärstruktur: → α-Helix-Struktur → ß-Faltblatt-Struktur → bilden sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Peptidbindungen Tertiärstruktur: → räumliche Anordnung der Sekundärstruktur → also: übergeordnete Raumstruktur der Proteins → durch Ionenbindungen und Disulfidbrücken   Quartärstruktur: → Anordnung und Zusammenhalt von mehreren Polypeptidketten  
• Triplettcode der DNA   immer 3 aufeinanderfolgende Nukleotide kodieren für eine Aminosäure ein solches Basentriplett wird als Codon bezeichnet   zum Proteinaufbau braucht man 20 verschiedene Aminosäuren diese werden durch 61 Codons kodiert → für fast jede Aminosäure gibt es mehrere verschiedene Codons → der genetische Code ist degeneriert → Ausnahmen: Tryptophan, Methionin unterschiedliche Codons für eine Aminosäure unterscheiden sich meistens nur in der 3. Codonposition → d.h. Position 1 und 2 determinieren die Codonspezifität stärker als Position 3 es gibt aber keinen Zusammenhang zwischen der Häufigkeit einer Aminosäure und der Anzahl der sie kodierenden Codons  
• Start- und Stopcodons   Startkodons AUG (kodiert für Methionin) GUG (seltener) Stopkodons UAA UGA UAG

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