Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten

Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten Übung

• Nenne Voraussetzungen für die Aktivierung und die Hemmung der Transkription.

  Tipps

  Überlege, was die Fachtermini übersetzt bedeuten könnten. to enhance bedeutet so viel wie erhöhen oder steigern.

  Amplification könnte man mit verstärken übersetzen

  Lösung

  • Durch die Manipulation der Geschwindigkeit, Aktivierung oder Hemmung der Transkription kann in hohem Maße die RNA-Synthese und somit auch die Proteinsynthese beeinflusst werden. In der Biologie sollte man allerdings sehr vorsichtig mit generalisierten Aussagen sein: Beispielsweise aktiviert ein Enhancer die Transkription meist nur insofern, dass er diese enorm beschleunigt. Es bedeutet nicht, dass er unbedingt notwendig ist, damit diese passiert. Im Ergebnis kann dies jedenfalls das Gleiche bedeuten, da es einen großen Unterschied macht, ob eine mRNA nur ein Mal oder ein paar Hundert Mal vorliegt, da auch die Zahl der Proteine erheblich größer ist, wenn mehr mRNA in Proteine translatiert wird.
  • Die Erhöhung der Kopienzahl eines Gens bei der Genamplifikation bewirkt, dass dieses Gen öfter transkribiert wird und somit mehr RNA synthetisiert wird, die bei der Translation als Vorlage für die Aminosäureketten bzw. Polypeptide dient. Im Grunde erhöht sich also mit der Kopienzahl der Gene auch die Kopienzahl der Aminosäureketten.
  • Transkriptionsfaktoren sind -wie der Name schon sagt- wichtige Faktoren für den Beginn der Transkription: Durch das Zusammenspiel von Transkriptionsfaktoren und den übrigen Transkriptionsenzymen wie der RNA-Polymerase wird der Beginn der Transkription erst ermöglicht. Liegen also keine Transkriptionsfaktoren vor, findet diese in der Regel auch nicht statt.
  • Der Promotor ist der Punkt auf der DNA an dem die RNA-Polymerase an diese „andockt", und markiert somit meinst den Startpunkt der Transkription.
  • Bei der Histon-Acetylierung wird die DNA für die Transkriptionsproteine zugänglich gemacht, da die DNA oft nur als „Knäuel“ gebunden an Histon-Proteine vorliegt, an dem die Proteine keinen Punkt zum „Andocken“ finden. Durch die Acetylierung (bei der eine Acetylgruppe an das Histonprotein gebunden wird) wird dieses „Knäuel“ aufgelöst.

• Schildere die Regulation der Genexpression.

  Tipps

  Der Verpackungsgrad wird auch Verpackungsebene genannt. Wenn etwas verpackt ist, bedeutet dies immer, dass man nicht mehr so gut an den Inhalt herankommt.

  Lösung

  • Transkriptionsfaktoren sind für den DNA-Bereich, an den sie binden, spezifisch. Die so genannte TATA-Box zum Beispiel ist eine in eukaryotischen Genen häufig vorkommende Sequenz innerhalb des Promotors. Sie wird so genannt, weil viele Thymin- und Adeninbasen in ihr vorkommen. Für die TATA-Box gibt es in allen eukaryotischen Zellen (egal ob Muskel- oder Nervenzelle) auch die passenden Transkriptionsfaktoren. Promotoren mit TATA-Box gehören häufig zu Genen, die elementare Zellfunktionen steuern, weshalb die zugehörigen Transkriptionsfaktoren auch in jeder Zelle vorkommen.
  • Andere Promotoren sind allerdings sehr spezifisch und es gibt nur in bestimmten Zelltypen den passenden Transkriptionsfaktor.
  • Die Methylierung der Basen bewirkt die Entstehung eines „Hindernisses" auf der DNA: Wird eine Base methyliert, lagern sich an dieser Methylgruppe weitere Proteine an, die den Weg für die RNA-Polymerase blockieren. Dies führt dazu, dass die Transkription nicht weiter stattfinden kann. Die Methylierung stellt ein sehr wichtiges Forschungsobjekt in der so genannten Epigenetik dar, weil Methylierungen zum Teil vererbt werden, jedoch spontan bei jedem Individuum auftreten können.

• Bestimme den Ablauf der Proteinsynthese.

  Tipps

  Ein zentrales Dogma der Biologie lautet: „DNA zu RNA zu Protein".

  Lösung

  Bei dem Weg vom Gen zum Protein lautet ein zentrales Dogma der Biologie: „DNA zu RNA zu Protein“. Bei der Transkription wird ein DNA-Abschnitt in RNA „übertragen“ (Transkription bedeutet sinngemäß „schriftlich übertragen“), welche wiederum als Vorlage für die „Übersetzung" (Translation bedeutet im Englischen Übersetzung) in ein Protein dient. Zuerst muss die DNA für die Transkriptionsproteine zugänglich gemacht werden (Histon-Acetylierung), damit sich als Nächstes die Transkriptionsfaktoren (TF) anlagern können. An der von den TF vorbereiteten Stelle der DNA kann nun die RNA-Polymerase beginnen die RNA zu synthetisieren. Im Anschluss wird die prä-mRNA prozessiert, also auf den Transport aus dem Zellkern heraus vorbereitet und zurecht geschnitten (Splicing). Nun erfolgt die Translation, bei der eine Aminosäurenkette (Polypeptid) entsteht, welche zuletzt zum fertigen Protein gefaltet werden muss.

• Ordne den Schlüsselbegriffen der Transkription eine Funktion zu.

  Tipps

  Regulation erfolgt oft durch Kontrolle...

  Lösung

  Die Regulation der Transkription ist in höchstem Maße von der An- bzw. Abwesenheit bestimmter Proteine und DNA-Sequenzen abhängig. Ohne Transkriptionsfaktoren würde die RNA-Polymerase nicht aktivert werden, und der Enhancer würde ebenfalls seine Funktion nicht ausführen. Wichtig ist, immer zu bedenken, dass dies Regulationsmechanismen sind, und keineswegs Mechanismen, die immer ablaufen. Wenn zum Beispiel ein Bakterium in einer Glucoselösung schwimmt, benötigt es auch nur die Enzyme, um Glucose zu verstoffwechseln. Die Enzyme, die zum Abbau anderer Substrate nötig sind, können schlichtweg abgeschaltet werden, um keine Energie in die unnötige Synthese entsprechender Enzyme zu stecken.

• Erläutere Mechanismen zur Regulation der Genaktivität.

  Tipps

  Ein Gen ist die Vorlage für eine große Zahl an mRNAs. Die mRNAs wiederum sind die Vorlage für eine große Zahl an Polypeptiden.

  Lösung

  Jede Zelle – egal ob Muskel- oder Nervenzelle – eines vielzelligen Organismus, enthält das gleiche Genom. Ihr unterschiedliches Erscheinungsbild resultiert lediglich daraus, dass in den verschiedenen Zelltypen grundsätzlich unterschiedliche Gene exprimiert oder diese in verschiedener Häufigkeit exprimiert werden. Daher exprimiert jede Zelle nur einen kleinen Teil ihres Genoms, weil dies die unterschiedlichen Zelltypen erst ermöglicht. Die Genamplifikation stellt hier einen Sonderfall dar. Sie findet meist bei der Differenzierung der einzelnen Zelltypen statt und die kopierten Gene können dabei entweder in die DNA eingebaut werden oder sie treten als extrachromosomale DNA-Ringe auf, die außerhalb des Chromosoms liegen. Dies hat den Vorteil, dass diese Ringe für die Transkriptionsproteine leichter zugänglich sind. Wird eine mRNA während der Translation in Aminosäurenketten übersetzt, entsteht dabei eine charakteristische, an der Basenabfolge der mRNA orientierte Aminosäurenabfolge. Wird die mRNA nun aber alternativ gespleißt, also an unterschiedlichen Stellen getrennt, entstehen dabei natürlich auch unterschiedliche Aminosäurenketten.

• Beschreibe die Bedeutung der Stabilität der mRNA.

  Tipps

  Bedenke, dass das Exosom mRNAs abbaut.

  Lösung

  Die Erkennungssequenzen für das Exosom bewirken, dass die Translation nicht so häufig abläuft. Bedenke dabei aber immer, dass sie dennoch translatiert wird. Mach dir immer wieder klar, dass viele Prozesse in der Biologie nur sehr modellhaft erklärt werden. Hinter dem Modell stehen oft deutlich komplexere Vorgänge mit ganz anderen Quantitäten. Es ist eben nicht so, dass ein Gen als Vorlage von nur einer mRNA genutzt wird, die wiederum zu einem Protein wird.