Genetik (Fach) / DNA-Replikation und Transkription (Lektion)

Biologie

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• Initation, DNA-Replikation Enzym Helikase entspiralisiert Struktur und trennt die komplementären Basen an einer Stelle: an diesen Replikationsursprüngen (Origins) befindet sich eine spezifische Nukleotidsequenz an der die Helikase (ATP-betrieben) ansetzen kann: so entsteht eine Replikationsblase mit Replikationsgabeln (zur Beschleunigung entstehen mehrere auf einem Chromosom, die sich in beiden Richtungen ausweiten und vereinigen) Helikase gleitet den DNA-Strang entlang, Einzelstrangbindungsproteine (SSB-Proteine) lagern sich an die geöffnete DNA zur Verminderung der Spannung setzt eine Topoisomerase gelegentlich Einzelstrangbrüche in die DNA der Helikase folgt eine DNA-Polymerase:                                                                             1. Primase (bei Eukaryoten Untereinheit der DNA-Polymerase α) bildet Startsequenz aus ca. 10 RNA-Nukleotiden (Primer)                                                                                           2. DNA-Polymerase α hängt einige DNA-Nukleotide an, so dass DNA-Polymerase δ oder ε mit der Replikation fortfahren kann (DNA-Polymerasen können keine neuen Ketten anfangen, nur fortführen!)
• Replikon der in einer Replikationsblase gebildete DNA-Abschnitt
• Energiegewinnung der DNA-Polymerase DNA-Polymerase erhält Energie aus Nukleotriphosphat (drei Phosphatreste statt nur einem!), durch Hydrolyse von 2 Phosphatmolekülen wird Energie frei und das resultierende Nukleotid wird in den Tochterstrang eingebaut
• Elongation und Termination DNA-Polymerase gleitet am Mutterstrang entlang, liest Basensequenz und verlängert Tochterstrang durch Polarität kann DNA-Polymerase Tochterstrang nur in 5' - 3' -Richtung verlängern: kontinuierlich neu gebildeter Strang heißt Leitstrang, entgegengesetzt zu Laufrichtung und somit diskontinuierlich syntethisierter Strang heißt Folgestrang: öffnet sich Replikationsblase wird ein kleines Stück des Tochterstrangs synthetisiert, wandert die Helikase weiter entsteht ein 2. Stück etc. : diese Einzelstücke nennt man Okazaki-Fragmente, im Anschluss verbindet DNA-Ligase Stücke zu einem kompletten DNA-Strang DNA-Polymerase δ besitzt Exonukleaseaktivität: kann Nukleotide aus DNA-Strang entfernen: entfernt Primer und ersetzt Nukleotide durch DNA-Bausteine, DNA-Ligase verknüpft diese dann mit folgendem DNA-Abschnitt
• Exonukleaseaktivität DNA-Polymerase δ kann Nukleotide aus dem DNA-Strang entfernen (wichtig zur Entfernung der Primer!)
• Okazaki-Fragmente Einzelstücke auf dem diskontinuierlich gebildeten Tochterstrang bei der DNA-Replikation, werden durch DNA-Ligase wieder miteinander verbunden
• Korrekturlesefunktion der DNA-Polymerasen DNA-Polymerasen δ und ε lesen schon während der Replikation Korrektur, fahren zurück, wenn sie falsche Nukleotide erkennen, und schneiden diese mit Hilfe ihrer Exnukleaseaktivität heraus, ersetzen sie durch das korrekte Nukleotid: Fehlerquot: 1:1 Milliarde
• Einzelstrangbindungsproteine (SSB) verhindern die erneute Basenpaarung
• DNA-Defekte Häufige Defekte: - Brüche eines Einzel- oder Doppelstrangs - Veränderung einer Nukleinbase - Pyrimdinbasendimerisierung liegt ein Defekt vor, so dient der komplementäre Strang als Korrekturvorlage
• Exzisionsreparatur einzelne Nukleotide (Basenexzisionsreparatur) oder kurze Sequenzen eines Stranges (Nukleotidexzisionreparatur) werden herausgeschnitten und mittels der Vorlage des komplementären Strangs ersetzt bei Defekten wie Doppelstrangbruch können die Informationen des homologen Chromosoms herangezogen werden
• Basenexzisionsreparatur Enzymkomplex erkennt die fehlerhafte Base, schneidet diese unter Zurücklassen eines Pentosephophatrumpfs heraus, dieser Rumpf wird anschließend entfernt une eine DNA-Polymerase ersetzt das fehlende Nukleotid, danach wird der Strang von der DNA-Ligase geschlossen
• Nukleotideexzisionsreparatur häufig bei durch UV-Strahlung verursachter Dimersierung von benachbarten Nukleinbasen (vornehmlich Thymindimere) nötig: Dimerisierung führt zu Verformung des DNA-Strangs Endonuklease trennt einige Basenpaare auf, entfernt DNA-Strang Exnuklease schneidet um das Dimer herum eine Sequenz von bis zu 32 Nukleotiden heraus Der komplementäre Strang dient einer DNA-Polymerase als Vorlage zur Synthese des fehlenden Abschnitts, DNA Ligase verbindet schließlich den neuen Abschnitt mit dem Rest des Strangs
• Dimerisierung Polymerisation von speziell zwei Molekülen (Monomeren), Entstehung eines Dimers
• plektonemische Doppelhelix Form der DNA-Doppelhelix, Einzelstränge sind ineinander verwunden
• Ein-Gen-Ein-Polypeptid-Hypothese Ein Gen kodiert ein bestimmtes Polypeptid. Da die meisten Proteine aus nur einem Polypeptid bestehen, wird die Hypothese häufig auch "Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese" genannt.
• mRNA transportiert Informationen über die Aminosäurensequenz eines Polypeptids von der DNA zu den Ribosomen
• tRNA Transfer-RNA transportiert Aminosäuren zum Ribosom und hilft, diese in das Polypeptid einzufügen
• rRNA ribosomale RNA im Ribosom enthalten, spielt somit bei der Translation eine wichtige Rolle
• hnRNA Heterogeneous-nuclear-RNA Vorstufe der RNA im Zellkern
• snRNA Small-nuclear-RNA spielt beim Spleißen von hnRNA eine Rolle
• Transkription, Ablauf Beginn der Transkription nennt man Initiation, Verlängerung der Nukleotidkette Elongation und Abschluss der Synthese Termination Initation: Transkriptionsfaktoren bindet an Nukleotidsequenzen (je nach gewünschtem Protein sind diese unterschiedlich: TATA-Box für mRNA), weitere Transkriptionsfaktoren lagern sich an, befindet sich DNA in geeignetem Faltungszustand interagiert Aktivator mit Transkriptionsfaktoren am Promotor,  RNA-Polymerase wird daraufhin phosphoryliert und löst sich von Transkriptionsfaktoren, daraufhin entspiralisiert und öffnet sie DNA-Doppelhelix und liest den Matrizenstrang in 3'-5'-Richtung ab, verlängert so das RNA-Molekül in 5'-3'-Richtung, (rotiert dabei) Elongation: nach der eigentlichen Transkription paart und spiralisiert sich die DNA wieder und das entstehende RNA-Molekül löst sich vom Matrizenstrang, bindet sofort an spezifische Moleküle und bleibt nur über Polymerase mit der DNA verbunden Termination: wenn RNA-Polymerase bestimmmte Basensequenz erreicht, wird RNA-Synthese gestoppt und Polymerase trennt sich vom DNA-Strang und der RNA-Kette, prä-mRNA / Heterogeneous-nuclear-RNA (hnRNA) muss erst noch modifiziert werden, bevor sie als mRNA den Zellkern verlässt und zum Ribosom wandert transkribierte DNA-Sequenz (einschließlich Initiations- und Terminationssequenz)nennt man auch Transkriptionseinheit  unterschliedliche RNA-Polymerasen transkribieren unterschiedliche RNA-Typen: RNA-Polymerase I: rRNA,                                                                                                       RNA-Polymerase II: mRNA, snRNA                                                                                          RNA-Polymerase III: tRNA, etc.
• Transkriptionsfaktoren bei eukaryotischen Zellen Transkriptionsfaktoren: Bindung an Promoter, Transkriptionsbeginn Aktivatoren, Mediatoren: Beeinflussen die Transkriptionseffizienz Chromatin-ändernde Enzyme: Zugang zur DNA
• Promotorregion Promotorregion ist Bereich an den sich die RNA-Polymerase anlagern kann, bestehen aus Initiationsberreich, einigen Nukleotiden in Richtung des 3'-Endes des Matrizenstrangs (diese enthalten typische Sequenzen, an denen sich die Proteine anlager: Transkriptionsfaktoren)
• Promotorregion Promotorregion ist Bereich an den sich die RNA-Polymerase anlagern kann, bestehen aus Initiationsberreich, einigen Nukleotiden in Richtung des 3'-Endes des Matrizenstrangs (diese enthalten typische Sequenzen, an denen sich die Proteine anlagern und an denen die DNA-Polymerase bindet: Transkriptionsfaktoren)
• Stereoidhormone haben Einfluss auf dei Regulation der RNA-Synthese und führen zu einer Initation oder Repression
• Repressoren Können bei Transkription Promotor blockieren und die Bildung des Komplexes aus Transkriptionsfaktoren verhindern
• "Remodelling"-Komplexe verändern die Position der Nukleosomen, sodass andere Proteine spezifische DNA-Bereiche binden können, die Nukleosomen können außerdem entfernt oder verschoben werden
• Chromatinfibrille schraubenförmig mit dicht gepackten Nukleoseomen hat eine Dicke von 30 nm
• quieszente Zellen befinden sich in G0 Phase des Zellzyklus
• Capping chemische Veränderung an mRNA-Molekülen in Eukaryoten, die die Stabilität der RNA drastisch erhöht, wichtig für Transport der RNA aus dem Kern in das Cytoplasma: an das zuerst entstehende 5'-Ende der RNA wird ein 7-Methylguanosin-Rest über 3 Phosphatgruppen gebunden
• Polyadenylierung auch Tailing-Vorgang nach dem Ende der Transkription wird an das 3'-Ende eine Sequenz von 150-200 Adenosinnukleotiden angehängt (heißt deshalb auch Poly-A-Schwanz): diese Veränderung und Capping schützt RNA vor enzymischem Abbau, die Länge des Schwanzes bestimmt unter anderem die Verweildauer der mRNA im Zytosol
• Capping chemische Veränderung an mRNA-Molekülen in Eukaryoten, die die Stabilität der RNA drastisch erhöht, wichtig für Transport der RNA aus dem Kern in das Cytoplasma: an das zuerst entstehende 5'-Ende der RNA wird ein 7-Methylguanosin-Rest über 3 Phosphatgruppen gebunden Cap und Tail schützen RNA vor enzymischem Abbau, außerdem ist Cap Erkennungssignal zum Andocken an Ribosomen
• Introns nicht proteinkodierende Bereiche der DNA, befinden sich zwischen Exons (kodierender Bereich)
• Extrons proteinkodierender Bereich der DNA  daher nennt man eukaryotische Gene auch Mosaikgene
• Mosaikgene Name für eukaryotische Gene aufgrund des abwechselnden Aufbaus von Introns und Extrons auf der DNA
• RNA-Spleißen RNA besitzt Segmente, die für Translation unwichtig sind, diese werden herausgeschnitten und die restlichen Bruchstücke miteinander verbunden bestimmte Basenfolgen an den Enden der Introns markieren die Schnittstellen: bei hnRNA oft GT zu Beginn des Introns und AG an dessen Ende
• GT-AG-Regel häufige Basensequenz bei hnRNA, die Introns zum Spleißen markiert
• Spleißosom besteht aus snRNPs (besteht aus snRNA und Proteinen), lagern sich an die Enden des schleifenförmigen RNA-Introns und schneiden es heraus, dann verknüpfen sie die Enden der Exons miteinander
• differenzielles oder alternatives Spleißen durch Speißen können aus einem Transkript unterschiedliche mRNAs entstehen, die wiederum zu einer Vielfalt von Produkten führen so entstehen aus einer hnRNA unterschiedliche mRNA-Varianten (Isoformen)
• Spleißmutationen verändern Spleißstellen, deaktivieren sie oder erzeugen falsche, dies kann verheerende Folgen haben
• Modifizierung anderer RNAs (alle außer mRNA) durchlaufen gleichen Prozess wie mRNA, erfahren aber unterschiedliche Modifikationen: z.B. rRNA: primäres Transkript wird gespalten, wodurch funktionsfähige Produkte entstehen
• Transkriptionsfaktoren bei eukaryotischen Zellen 1.) Promotoren: daran binden Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase 2.) Enhancer (Aktivatoren): regulatorische Gensequenzen, die mehrere kb weit von der Promotorregion entfernt liegen können, sorgen dafür, dass Transkription erheblich schneller abläuft (an einem Enhancer binden positive Transkriptionsfaktoren, was eine Bindung der RNA-Polymerase an die Promotorregion anregt) 3.) Silencer (Repressoren): regulieren Genexpression herunter 4.) Steroidhormone können ebenfalls als Transkriptionsfaktoren wirken, indem sie mit Cytoplasma Hormon-Rezeptor-Komplexe bilden (z.B. Dihydrotestosteron beim männlichen Fötus, das für Expression der für die Entwicklung des männlichen Geschlechts verantwortlichen Gene führt) 5.) weiter regulatorische Wirkung: Methylierung von Cytosin in der Promotorregion zu 5-Methylcytosin (Mediatoren: Beeinflussen die Transkriptionseffizienz, chromatin-ändernde Enzyme veranwortlich für Zugang zur DNA)
• Redundanz oder Degeneration des Triplettcodes häufig benötigte Aminosäuren werden von mehr als einem Triplett codiert (Codesonne gibt Auskunft darüber, welches Triplett für die Kodierung einer Aminosäure verantwortlich ist)
• Codon Abfolge von 3 aufeinanderfolgenden Nukleotidbasen in einer Nukleinsäure, die zusammen eine Aminosäure kodieren jedes Kodon kann 43= 64 Aminosäuren kodieren wichtige Eigenschaften des Kodierungscodes eines Tripletts/Codons: -Universell, degeneriert, edundant, eindeutig, nicht überlappend Codon-Arten: Startkodon (Beginn Transkription/Translation), Stopcodon (Ende Transkription/Translation), Anti-Codon (Erkennungsmuster der tRNA für die Übersetzung in die passende Aminosäure)
• Startcodon AUG (kodiert auch Methionin)
• Stoppcodon UAA, UAG, UGA (in den Ribosomen), diese Codons verhindern, dass sich Aminosäuren an sie binden können die Stoppcodons nennt man auch chre, amber und opal
• redundant mehrere Codons für dieselbe Aminosäure
• Transkriptionsregulatoren 5-10% des Genoms eines Säugers sind für Transkriptionsregulatoren verantwortlich: die Komplexität eines Organismus ist evlt. abhängig von der Komplexität der Transkriptionsregulatoren (Mensch: 3000)
• JunK DNA Fugu-Genom diente als Referenz für die Sequenzierung des menschlichen Genoms: die Gene und die regulatorischen Sequenzen sind ähnlich, jedoch ist das Fugu-Genom mit über 3 Milliarden Basenpaaren nur 1/8 des menschlichen Genoms: es fehlt die Junk-DNA: nur 70% der menschlichen DNA wird überhaupt transkribiert und nur 1,5% des menschlichen Genoms wird als Protein exprimiert
• Richtung der DNA-Polymerasen an einer Replikationsgabel in 5' - 3' Richtung (stromabwärts), wie bei Ribosom

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