Information

Vorlesung 19: Übersetzung und posttranslationale Prozesse - Biologie

Vorlesung 19: Übersetzung und posttranslationale Prozesse - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Vorlesung 19: Übersetzung & posttranslationale Prozesse

Vorlesung 13: Genregulation

Laden Sie das Video von iTunes U oder dem Internetarchiv herunter.

Behandelten Themen: Genregulation

Ausbilder: Prof. Eric Lander

Vorlesung 10: Molekulare Biolo.

Vorlesung 11: Molekulare Biolo.

Vorlesung 12: Molekulare Biolo.

Vorlesung 13: Genregulation

Vorlesung 14: Protein Localiz.

Vorlesung 15: Rekombinante DNA 1

Vorlesung 16: Rekombinante DNA 2

Vorlesung 17: Rekombinante DNA 3

Vorlesung 18: Rekombinante DNA 4

Vorlesung 19: Zellzyklus/Zeichen.

Vorlesung 26: Nervensystem 1

Vorlesung 27: Nervensystem 2

Vorlesung 28: Nervensystem 3

Vorlesung 29: Stammzellen/Klon.

Vorlesung 30: Stammzellen/Klon.

Vorlesung 31: Molekularer Mediziner.

Vorlesung 32: Molekulare Evolution.

Vorlesung 33: Molekularer Mediziner.

Vorlesung 34: Polymorph des Menschen.

Vorlesung 35: Menschliche Polymorphie.

Guten Morgen. Guten Morgen.

Deshalb möchte ich heute unser Grundthema Molekularbiologie aufgreifen. Wir haben über die DNA-Replikation gesprochen.

Die Transkription von DNA in RNA und die Translation von RNA in Protein. Wir haben letztes Mal einige der Variationen zwischen verschiedenen Arten von Organismen diskutiert: Viren, Prokaryonten, Eukaryonten, im Hinblick auf die Details, wie sie im Allgemeinen tun, dass Bakterien zirkuläre DNA-Chromosomen haben, typischerweise haben Eukaryonten lineare Chromosomen usw. Was ich' Ich möchte heute über Variation sprechen, aber Variation nicht zwischen Organismen, sondern innerhalb eines Organismus von Zeit zu Zeit und von Ort zu Ort, nämlich wie es dazu kommt, dass manche Gene oder Genaktivitäten bei manchen Gelegenheiten an- und wieder ausgeschaltet werden andere Gelegenheiten. Dies ist offensichtlich ein sehr wichtiges Problem für einen Organismus, insbesondere für jemanden wie Sie, der ein vielzelliger Organismus ist und in allen Ihren Zellen den gleichen DNA-Befehlssatz hat.

Es ist offensichtlich sehr wichtig, sicherzustellen, dass derselbe Basiscode in verschiedenen Zellen unterschiedliche Dinge tut.

Außerdem ist es für ein Bakterium wichtig, sicherzustellen, dass es je nach Umgebung zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Dinge tut. Ich werde heute also über ein ganz bestimmtes System sprechen, um zu veranschaulichen, wie Gene reguliert werden, aber bevor wir das tun, fragen wir uns, wo die verschiedenen Stellen in diesem Bild sind?

DNA geht zu DNA geht zu RNA geht zu Protein, in dem man im Prinzip die Aktivität eines Gens regulieren könnte. Könnte man die Aktivität eines Gens regulieren, indem man tatsächlich die im Genom kodierte DNA verändert? Also warum nicht? Weil das, was? Es wird ein anderes Gen. Ja, das ist nur eine Definition.

Warum konnte die Zelle nicht einfach entscheiden, dass ich möchte, dass sich dieses Gen jetzt irgendwie verändert? Oh, ich weiß nicht, ich werde die DNA-Sequenz irgendwie ändern. Und das wird das Gen zum Laufen bringen.

Könnte das passieren? Ist das erlaubt? Ja, es stellt sich heraus, dass es passiert.

Es ist nicht die häufigste Sache, und es ist nicht die Sache, über die sie in den Lehrbüchern viel sprechen, aber Sie können tatsächlich Regulierungen vornehmen.

Es gibt also viele Regulierungsebenen, und man befindet sich tatsächlich auf der Ebene der DNA-Neuordnung. Wie wir später im Kurs sehen werden, erzeugt Ihr Immunsystem zum Beispiel neue, funktionelle Gene, indem es einige DNA-Stücke lokal neu anordnet, einige Bakterien, insbesondere infektiöse Organismen, kontrollieren, ob Gene ein- oder ausgeschaltet werden, indem sie tatsächlich dort hineingehen. und ein Stück DNA in ihrem Chromosom herumdrehen.

Und so schalten sie das Gen ein oder aus, wenn sie tatsächlich hineingehen und das Genom verändern. Es gibt ein Protein, das tatsächlich die Ausrichtung eines DNA-Segments umkehrt. Nun, diese sind ein wenig unkonventionell, und wir werden nicht viel darüber reden, aber Sie sollten wissen, dass fast alles, was passieren kann, passiert und von Organismen auf unterschiedliche Weise ausgenutzt wird.

Es kommt also sicherlich zu einer DNA-Umlagerung. Es ist selten, aber es ist immer cool, wenn es passiert.

Es macht also Spaß, es anzuschauen. Und so etwas wie das Immunsystem kann nicht einfach als Kuriosität abgetan werden. Das ist eine unglaublich wichtige Sache. Die häufigste Form findet sich auf der Ebene der Transkriptionsregulation, bei der die Verarbeitung eines Transkripts unterschiedlich sein kann, ob ein Transkript erstellt wird oder nicht. Zunächst einmal ist die Initiierung der Transkription, dass sich die RNA-Polymerase bei dieser Gelegenheit zufällig an dieses Gen setzt und mit der Transkription beginnt, ein potenziell regulierbarer (sic) Schritt, bei dem Sie vielleicht nur das Gen für Beta-Globin einschalten und Alpha-Globin, das zusammen die beiden Komponenten von Hämoglobin bildet, und Sie werden sie nur in roten Blutkörperchen oder Vorläufern von roten Blutkörperchen einschalten, und das könnte auf der Ebene erfolgen, ob Sie die Nachricht ins Wort setzen oder nicht den ersten Platz. Das ist ein Ort, an dem es getan werden kann.

Ein anderer Ort sind die Spleißentscheidungen, die Sie treffen.

In Bezug auf Ihre Nachricht erhalten Sie dieses Ding mit einer Reihe verschiedener potenzieller Exons, und Sie können regulieren, wie dieses Gen verwendet wird, indem Sie sich entscheiden, es auf diese Weise zu spleißen und dieses Exon vielleicht zu überspringen oder dieses Exon nicht zu überspringen. Diese alternative Würzung ist ein wirksames Mittel zur Regulierung. Und schließlich können Sie auch auf der Ebene der mRNA-Stabilität regulieren.

Stabilität bedeutet die Persistenz der Nachricht, die Verschlechterung der Nachricht. Es kann sein, dass in bestimmten Zellen die Nachricht so geschützt ist, dass sie länger herumhängt.

Und in anderen Zellen ist es vielleicht ungeschützt und wird sehr schnell abgebaut. Wenn es sehr schnell abgebaut wird, hat es keine Chance, ein Protein herzustellen, oder vielleicht kann es nicht zu viele Kopien des Proteins herstellen. Wenn es lange anhält, kann es viele Proteinkopien herstellen.

All diese Dinge können und werden vorkommen. Dann gibt es natürlich die Regulierung auf Übersetzungsebene.

Translation, wenn ich Ihnen eine mRNA gebe, wird sie dann automatisch übersetzt? Vielleicht hat die Zelle eine Möglichkeit, die RNA zu sequestrieren, um sie auf irgendeine Weise zu steigern, so dass sie unter bestimmten Bedingungen nicht zum Ribosom gelangt, und unter anderen Bedingungen gelangt sie zum Ribosom oder auf andere Weise zu blockieren als sie nur zu sequestrieren, sondern physisch zu blockieren, ob diese Nachricht übersetzt wird oder nicht, was sich herausstellt, dass es eine enorme Menge davon gibt. Es ist wieder nicht das häufigste, aber wir haben insbesondere in den letzten Jahren gelernt, dass die Regulierung der Translation einer mRNA wichtig ist.

Es gibt, obwohl ich nicht ausführlich darüber sprechen werde, einen aufregenden neuen Satz von Genen namens Mikro-RNAs, winzig kleine RNAs, die 21-22 Basenpaarsegmente kodieren, die in der Lage sind, sich mit einer Boten-RNA zu paaren und in gewisser Weise teilweise zu interferieren mit seiner Übersetzbarkeit. Und so können Organismen anhand der Anzahl und Art der kleinen Mikro-RNAs, die vorhanden sind, anpassen, wie aktiv eine bestimmte Nachricht übersetzt wird.

Daher ist die Fähigkeit, die Übersetzung auf verschiedene Weise zu regulieren, wichtig. Und dann gibt es natürlich die posttranslationale Kontrolle. Sobald ein Protein hergestellt ist, kann es zu einer posttranslationalen Regulation kommen.

Es könnte sein, dass das Protein in irgendeiner Weise modifiziert ist.

Die Proteine ​​sagen, dass sie völlig inaktiv sind, es sei denn, Sie setzen eine Phosphatgruppe darauf, und ein Enzym kommt und legt eine Phosphatgruppe darauf. Oder es ist inaktiv, bis Sie die Phosphatgruppe entfernen.

Alle Arten von posttranslationalen Modifikationen können an Proteinen auftreten, nachdem die Aminosäurekette hergestellt wurde, die beeinflussen können, ob das Protein aktiv ist oder nicht. Jeder von ihnen ist potenziell ein Schritt, durch den ein Organismus regulieren kann, ob eine bestimmte biochemische Aktivität zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer bestimmten Menge vorhanden ist oder nicht. Und jeder davon wird verwendet. Zu einem System, das sich seit dreieinhalb Milliarden Jahren im Evolutionsprozess befindet, kommt es darauf an, dass selbst kleine Unterschiede als Wettbewerbsvorteile erkämpft und von einem Organismus behoben werden können. Wenn also ein winziges kleines Ding dem Organismus ein wenig zu helfen begann, konnte es eine Fixierung erreichen. Und Sie kommen zu diesem System, das seit etwa dreieinhalb Milliarden Jahren Patches für den Softwarecode enthält, und es sind nur alle möglichen Schichten und Regulierungen darauf aufgetürmt. All diese Dinge passieren. Aber was wir für das Wichtigste aus dieser ganzen Kollektion halten, ist dieser Typ.

Der grundlegende Ort, an dem Sie regulieren werden, ob Sie das Produkt eines Gens haben oder nicht, ist, ob Sie sich die Mühe machen, seine RNA zu transkribieren. Aber ich möchte da sagen, ja? Und welche Exons haben Sie verwendet und welche nicht? Ja, nun, es gibt gewebespezifische Faktoren, die genspezifisch sind und das beeinflussen können. Und über die Details ist überraschend wenig bekannt. Es gibt ein paar Fälle, in denen die Leute es wissen, aber wie Sie sich vorstellen können, brauchen Sie tatsächlich ein Regulationssystem in diesem Gewebe, um entscheiden zu können, dieses Exon zu überspringen.

Und die Mechanik davon wird überraschenderweise in sehr wenigen Fällen verstanden. Und Sie könnten denken, dass die Evolution dies nicht als die häufigste Sache verwenden möchte, weil Sie dafür wirklich eine spezielle Sache machen müssen. Das passiert also bei diesen. Gerade hier muss meiner Meinung nach noch viel mehr gearbeitet werden.

mRNA-Stabilität, wir verstehen einiges davon, aber nicht alle Faktoren in diesem Geschäft. Ich habe Ihnen erzählt, dass die Übersetzung mit diesen kleinen Mikro-RNAs wirklich erst ein paar Jahre alt ist und die Leute verstehen. Es gibt also eine Menge über diese Dinge zu verstehen. Ich werde Ihnen etwas über die Initiierung von mRNAs erzählen, denn das ist der Bereich, in dem wir am besten Bescheid wissen, und ich denke, es wird Ihnen eine gute Vorstellung vom allgemeinen Paradigma geben.

Aber jeder von Ihnen, der sich damit befassen möchte, wird feststellen, dass es noch viel mehr über diese Dinge zu entdecken gibt.

Die Proteinmenge, die eine Zelle produzieren kann, variiert also stark.

Ihre roten Blutkörperchen, 80 % Ihrer roten Blutkörperchen, Proteine, sind Alpha- oder Beta-Globin. Es ist eine riesige Menge. Das ist in keiner anderen Zelle Ihres Körpers der Fall. Wir sprachen also über ziemlich große Unterschiede, wie viel Protein hergestellt wird.

Wie passieren solche Dinge? Nun, ich werde den einfachsten und klassischen Fall von Genregulation und Bakterien beschreiben, und insbesondere das berühmte Mangeloperon von E. coli.

Dies war also der erste Fall, in dem Regulierung wirklich ausgearbeitet wurde, und es ist heute ein sehr gutes Paradigma dafür, wie Regulierung funktioniert. E coli braucht, um zu wachsen, eine Kohlenstoffquelle. E coli liebt besonders Zucker.

Es möchte einen Zucker zum Wachsen haben. Wenn man die Wahl hat, was ist E colis Lieblingszucker? Es ist Glukose, richtig, denn wir haben den gesamten Glukose-Zyklus. Der gesamte Weg von Glukose führt zu Pyruvat, über das wir gesprochen haben, und Glukose ist der bevorzugte Zucker, um in diesen Weg der Glykolyse zu gelangen.

Glykolyse: der Abbau von Glukose. Aber nehmen wir an, es ist keine Glukose verfügbar. Ist E coli bereit, einen anderen Zucker zu haben?

Sicher, weil E coli nicht dumm ist. Wenn es einen anderen Zucker ablehnen würde, könnte es nicht wachsen. Es hat also eine Vielzahl von Wegen, die andere Zucker zu Glukose umleiten, wodurch Sie die Glykolyse usw. durchlaufen können. Aber wenn nicht, nehmen Sie an, Sie hätten ihm Laktose gegeben. Lactose ist ein Disaccharid. Es ist Milchzucker, und ich werde es nur kurz skizzieren, also ist Laktose ein Disaccharid, bei dem Sie eine Glukose und eine Galaktose haben.

Glucose plus Galactose entspricht Lactose. Wenn E. coli also Galaktose erhält, kann es diese in Glukose plus Galaktose aufspalten.

Und dies geschieht durch ein bestimmtes Enzym namens Beta-Galactosidase, das Glactoside abbaut. Und es gibt Ihnen Galaktose plus Glukose. Wie viel Beta-Galactosidase hat eine E-coli-Zelle ungefähr? Es tut uns leid? Keiner? Aber wie macht es das?

Wenn es es braucht, wird es es synthetisieren. Wenn es sie braucht, wenn es zum Beispiel keine Glukose und viel Galaktose gibt, wie viel davon wird es dann geben? Viel. Es stellt sich heraus, dass unter Umständen, in denen E. coli auf Galactose als Brennstoff angewiesen ist, etwa 10 % des Gesamtproteins Beta-Gal sein können, wenn Sie Galactose, aber keine Glukose haben. Es tut uns leid? Entschuldigung, wenn Sie Laktose, aber keine Glukose haben. Dankeschön. Wenn Sie also Laktose, aber keine Glukose haben, hat E. coli 10 % seines Proteingewichts als Beta-Galactosidase. Beeindruckend. Aber wenn Sie Glukose haben oder keine Laktose haben, haben Sie sehr wenig.

Es könnten fast keine sein, Spurenmengen. Warum also tun?

Warum nicht zum Beispiel einfach einen viel vernünftigeren Kompromiss eingehen?

Lassen Sie uns immer nur 1% Beta-Galactosidase haben.

Warum brauchen wir die 0-10%? 10 % sind tatsächlich extrem hoch.

Na und. Es ist eine gute Versicherungspolice. Wenn ich also nur Galactose habe, brauche ich mehr. Nun, ich meine, 1% wird es immer noch verdauen. Ich werde es noch tun. Was ist das Problem? Es tut uns leid?

Also was, ich mache es langsamer. Das Leben ist lang. Warum nicht? Ah, es muss konkurrieren. Wenn also die linke Zelle eine Mutation hätte, die sie dazu brachte, viermal so viel zu produzieren, dann würde sie die Laktose in der Umgebung aufsaugen, schneller wachsen usw. usw., und wir hätten konkurrieren können.

Diese kleinen Tuning-Mutationen haben also eine große Wirkung auf diese konkurrierende Bakterienpopulation. Und wenn E coli also derzeit der Meinung ist, dass es wirklich gut ist, manchmal fast kein und manchmal 10% zu haben, können Sie darauf wetten, dass es durch einen ziemlich harten Wettbewerb herausgekommen ist, dass es dies nicht verschwenden will Energie zu produzieren, wenn Sie es nicht brauchen, und wenn Sie es brauchen, müssen Sie wirklich hart konkurrieren, indem Sie so schnell wie möglich wachsen, wenn Sie diese Laktose in der Nähe haben. OK. Also, wie kommt die Laktose eigentlich in die Zelle? Es stellt sich heraus, dass es auch ein weiteres Genprodukt, ein anderes Protein, eine Laktosepermease, enthält. Und haben Sie eine Vermutung, was eine Laktosepermease bewirkt? Es macht die Zelle durchlässig für Laktose, richtig, gut. So kann die Laktose in die Zelle gelangen, und dann kann Beta-Gal sie in Galaktose plus Glukose aufspalten. Diese beiden Dinge werden tatsächlich reguliert, Beta-Gal und diese Laktosepermease. Also, wie funktioniert es?

Werfen wir nun einen Blick auf die Struktur des Mangeloperons.

Also, ich habe letztes Mal kurz erwähnt, was ist ein Operon? Denken Sie daran, dass wir gesagt haben, dass Sie bei Bakterien oft ein Transkript erstellt haben, auf dem mehrere Proteine ​​kodiert waren.

Eine einzelne mRNA könnte hergestellt werden, und es könnten mehrere Translationsstarts auftreten, und Sie könnten mehrere Proteine ​​​​herstellen.

Und das wäre eine gute Sache, wenn Sie eine Reihe von Proteinen herstellen möchten, die Teil desselben biochemischen Stoffwechselwegs sind.

Ein solches Objekt, ein reguliertes DNA-Stück, das ein Transkript erzeugt, das für mehrere Polypeptide kodiert, wird Operon genannt, weil sie zusammen operiert werden. Werfen wir also einen Blick auf das fehlende Operon. Ich sagte, es gibt einen Promoter.

Hier ist ein Promotor für das Operon, und wir nennen ihn P-Mangel, Promotor für das fehlende Operon. Hier ist das erste Gen, das kodiert wird. Die Nachricht beginnt also hier, eigentlich ungefähr hier, und beginnt zu gehen. Und das erste Gen erhält den Namen Mangel Z.

Es kodiert das Beta-Galactosidase-Enzym.

Denken Sie daran, sie führten eine Mutantenjagd durch, und als sie die Mutantenjagd durchführten, wussten sie nicht, was jedes Gen war, da sie Mutanten isolierten.

Also gaben sie ihnen nur Buchstabennamen. Daher wird es Mangel Z genannt. Und jeder in der Molekularbiologie weiß, dass dies das Mangel-Z-Gen ist, obwohl Z nichts mit Beta-Galactosidase zu tun hat. Es war nur der Brief, der ihm gegeben wurde.

Aber es steckt fest. Als nächstes fehlt Y.

Und das kodiert die Permease. Und es fehlt auch A, das für eine Transacetylase kodiert, und was mich betrifft, können Sie es vergessen. OK, aber ich habe gerade erwähnt, dass es da ist, und es macht tatsächlich drei Polypeptide.

Wir werden uns keine Sorgen machen, OK, aber es macht eine Transacetylase, OK? Aber es wird nicht in dem, worüber wir sprechen werden, eine Rolle spielen, und tatsächlich ist bemerkenswert wenig über die Transacetylase bekannt. Es gibt auch noch ein anderes Gen, über das ich sprechen muss, und das ist hier drüben, und das heißt Mangel I. Und es hat auch einen Promotor, den wir PI nennen können, für den Promotor für Mangel I.

Und dies codiert ein sehr interessantes Protein.

Wir erhalten hier also eine Nachricht, die hier für ein Polypeptid kodiert.

Diese mRNA kodiert für ein Polypeptid. Es ist monozystronisch. Dieser Typ hier ist eine polyzystronische Nachricht. Es hat mehrere Cystrons, was der staubige alte Name für diese Regionen ist, die in verschiedene Proteine ​​übersetzt wurden. Das ist also die mRNA.

Mangels I kodiert also ein sehr interessantes Protein, das als Mangelrepressor bezeichnet wird. Der Mangelrepressor, ich bringe das mal kurz runter, ist kein Enzym.

Es ist kein Selbstoberflächenkanal zum Einbringen von Galaktose.

Es ist ein DNA-bindendes Protein. Es bindet an DNA. Aber es ist kein unspezifisches DNA-bindendes Protein, das an irgendeine alte DNA bindet.

Es hat eine sequenzspezifische Präferenz.

Es ist ein Protein mit einer bestimmten Bestätigung, einer bestimmten Form, einem bestimmten Satz von herausstehenden Aminosäuren, das sich sequenzspezifisch in die Hauptfurche der DNA einfügt, so dass es besonders gerne eine bestimmte Sequenz von Nukleotiden erkennt und bindet dort. Wo ist die spezifische Nukleotidsequenz, an die dieser Typ gerne bindet? Es ist so, dass es da ist.

Und dies wird als Operator-Sequenz oder Operator-Site bezeichnet.

Dieses Protein geht also gerne hin und bindet sich dort. Nun habe ich das übrigens so gezeichnet, dass diese Betreiberseite tatsächlich die Promoterseite überlappt.

Wer bindet schon gerne an die Promoter-Site? RNA-Polymerase.

Was passiert, wenn das fehlende Repressorprotein dort sitzt?

RNA-Polymerase kann nicht binden. Es ist nur physisch, vom Binden blockiert. Lassen Sie uns hier einige Fälle untersuchen.

Nehmen wir an, wir schauen uns hier unser Gen an. Wir haben unseren Promoter, P Mangel. Wir haben die Betreiberseite hier. Wir haben das fehlende Z-Gen hier, und wir haben den fehlenden Repressor, den fehlenden I, den dort sitzenden Repressor.

Polymerase versucht, dazu zu kommen, und es ist blockiert.

Was wird also in Bezug auf die Transkription des fehlenden Operons passieren: keine mRNA. Das ist großartig.

So haben wir ein Problem auf Anhieb gelöst.

Wir wollen sicher sein, dass manchmal keine mRNA hergestellt wird.

Auf diese Weise werden wir keine Stoffwechselenergie verschwenden und Beta-Galactosidase herstellen. Sind wir fertig? Nein? Warum nicht.

Manchmal müssen wir Beta-Galactosidase herstellen.

Also müssen wir den Repressor da rausholen. Nun, wie soll der Repressor da abgehen? Wann wollen wir den Repressor da raus: wenn Laktose vorhanden ist.

Also müssen wir irgendwie einen ausgeklügelten sensorischen Mechanismus aufbauen, der erkennen kann, wann Laktose vorhanden ist, und ein Signal an das Repressorprotein senden, das sagt, hey, Laktose ist da. Das Signal wird bis zum Repressorprotein übertragen und das Repressorprotein löst sich.

Was für ein ausgeklügelter sensorischer Mechanismus könnte gebaut werden?

Laktose als was verwenden? Das ist also eigentlich ziemlich einfach.

Sie sagen, nehmen Sie einfach Laktose und wollen Sie, dass Laktose ihr eigenes Signal ist? Wenn also Laktose nur an den Repressor binden würde, könnte der Repressor dann wissen, dass Laktose in der Nähe ist.

Nun, was würde es tun, wenn Laktose daran gebunden wäre? Es tut uns leid? Warum sollte es herunterfallen? Ja. Mehr Interesse an der Laktose.

Also, wenn Sie Vorschlag sind, ist dies gut. Ich mag die Designarbeit, die hier stattfindet. Der Vorschlag ist, dass, wenn Laktose hier an diesen bindet, an unseren Repressor bindet, es abfällt, weil es mehr an Laktose als an der DNA interessiert ist. Wie wird nun eigentlich das Interesse an etwas Materiellem vermittelt? Da der tatsächliche Grad der kognitiven Zuneigung oder Abneigung gegenüber DNA seitens dieses Polypeptids unklar ist, können Sie in Bezug auf diese Polypeptidkette leicht anthropomorphisieren. Was wird also mechanistisch passieren? Form. Ja, Form? Änderungsbestätigung, der Bindungsakt, der Akt des Bindens von Laktose erzeugt etwas Energie, kann die Form des Proteins ändern, und diese Form des Proteins kann beim Herumwackeln, um Laktose zu binden, einen anderen Teil davon entwackeln die jetzt nicht mehr so ​​gut an DNA bindet. Genau das passiert.

Gut gemacht. Ihr habt also entworfen, was wirklich passiert. Was passiert, ist eine sogenannte allosterische Veränderung. Es bedeutet nur eine andere Form.

Es ändert also nur seine Form, dh es ändert seine Form bei der Bindung von Laktose. Und es fällt ab, weil es weniger geeignet ist, diese spezielle DNA-Sequenz zu binden, wenn es dort an Laktose gebunden ist. In diesem Fall bindet Mangel I in Gegenwart von Laktose also nicht.

Und das fehlende Operon wird transkribiert. Jawohl? Oh-oh. OK, alles klar Designer, hier haben wir ein Problem. Du hast so ein cooles System, oder? Sie würden Laktose spüren.

Laktose würde sich an den Mangelrepressor binden, seinen Bestätigungsabfall ändern: oh-oh. Aber wie Sie darauf hinweisen, wie wird es an Laktose kommen, da es keine Laktosepermease gibt, da die Laktosepermease vom gleichen Operon hergestellt wird. Was wäre, wenn wir, anstatt einen dieser DOD-Mühlflecken von irgendeinem Repressor zu bekommen, der absolut so dicht ist, dass er unter keinen Umständen abfällt, was, wenn wir einen leicht schlampigen Repressor bauen, der gelegentlich abfällt, und erlaubt gelegentlich die Transkription des fehlenden Operons? Dann haben wir einige Spuren von Permease in der Nähe. Mit etwas Permease dringt etwas Laktose ein.

Und solange auch nur ein wenig Laktose eindringt, wird das Gleichgewicht jetzt verschoben, so dass der Repressor mehr ausfällt, und das führt natürlich zu mehr Durchdringung und Verschiebung und Verschiebung und Verschiebung und Verschiebung. Solange es also nicht so perfekt konstruiert ist, dass nichts transkribiert wird, ist keine mRNA wirklich sehr wenig mRNA. Sehen Sie, das ist meiner Meinung nach das Gute daran, dass MIT-Studenten diese Dinge lernen, weil es hier alle möglichen wunderbaren Designprinzipien für die Art und Weise gibt, wie man Systeme baut. Und ich denke, dies ist nur ein sehr gutes Beispiel dafür, wie man ein System wie dieses baut.

Nun gut, wir haben jetzt die Fähigkeit, Mangel an und Mangel zu haben, und das ist Mangel, hauptsächlich wegen Ihres Permease-Problems: sehr gut. Lassen Sie uns nun einen kleinen Exkurs darüber machen, woher wir das wissen? Auf diese Art von Argumentation habe ich Ihnen jetzt die Antwort gesagt. Aber lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, die Beweise zu verstehen, die Sie zu diesem Schluss führen.

Um dies zu tun, und dies ist die berühmte molekularbiologische Arbeit von Jacobin Manoux Ende der 50er Jahre, für die sie einen Nobelpreis erhielten, wollten sie einige Mutanten sammeln.

Denken Sie daran, dies war vor der DNA-Sequenz oder ähnlichem und wollte Mutanten sammeln, die diesen Prozess beeinflussten.

Um Mutanten zu sammeln, die die Regulierung vermasselten, wussten sie, dass Beta-Galactosidase in viel höherer Menge produziert wurde, wenn Laktose in der Nähe war. Die Schwierigkeit dabei war, dass Wildtyp E coli, wenn man keine Laktose hatte, sehr wenig Beta-Gal produzierte, eine Einheit Beta-Gal, und in Gegenwart von Laktose viel produzieren würde, nennen wir es 1.000 Einheiten von Beta-Gal. Das Problem beim Herumspielen ist jedoch, dass Laktose zwei verschiedene Rollen erfüllt.

Lactose ist sowohl der Induktor der Expression des Gens aufgrund der Bindung an den Repressor usw. usw.

Aber es ist auch das Substrat für das Enzym, da Beta-Galactosidase bei der Herstellung die Laktose abbaut. Es gibt also weniger Lactose in der Bindung, und wenn Sie die regulatorischen Kontrollen wirklich studieren wollten, haben Sie das Problem, dass das, was das Gen durch Bindung an den Repressor induziert, das ist, was durch das Produkt des Gens zerstört wird. Es wird also die Kinetik des Studiums eines solchen Prozesses wirklich chaotisch machen. Es wäre sehr schön, wenn Sie eine Form von Laktose herstellen könnten, die durch Bindung an den Repressor Beta-Galactosidase induzieren könnte, aber selbst nicht verdaut wird.

Chemisch können Sie das tatsächlich tun. Chemisch ist es möglich, ein Molekül namens IPTG herzustellen, das ein Galaktosid-Analogon ist. Und was es tut, ist dieses Molekül hier, das ich hier nur ganz kurz skizzieren werde, es ist ein Schwefel dort, und Sie können vage ähnliches sehen, das kann ein Induktor sein.

Es induziert Beta-Gal, aber kein Substrat. Es wird nicht verdaut.

Es bleibt also so lange erhalten, wie Sie möchten. Es ist auch sehr praktisch, ein Molekül zu verwenden, das als ex-gal entwickelt wurde.

Ex-Frau hat wieder eine Zuckerkomponente, und dann hat sie hier auch einen komischen Doppelring, der ein Chlor und ein Brom usw. ist. Und dieser Typ hier ist kein Induktor. Es ist nicht in der Lage, induziert zu werden, die Beta-Galactosidase-Expression zu induzieren. Aber es ist ein Substrat.

Es wird vom Enzym abgebaut, und wenn es abgebaut ist, wird es blau. Diese beiden Chemikalien erwiesen sich als sehr praktisch, um die Regulation des fehlenden Operons herauszufinden. Wenn ich also, anstatt Laktose hinzuzufügen, darüber nachdenke, IPTG, meinen Induktor, hinzuzufügen, wenn ich IPTG hinzufüge, werde ich Beta-Gal produzieren. Wenn ich kein IPTG habe, werde ich kein Beta-Gal produzieren. Aber dann habe ich kein Problem damit, dass es sich aufbraucht. Also, nach welcher Art von Mutante könnte ich jetzt suchen? Ich könnte nach einer Mutante suchen, die selbst in Abwesenheit des Induktors IPTG immer noch viel Beta-Gal produziert. Jetzt kann ich auch nach Mutanten suchen, die niemals Beta-Gal produzieren, oder? Aber was würden sie wahrscheinlich sein? Es handelt sich wahrscheinlich um strukturelle Mutationen, die die kodierende Sequenz von Beta-Gal beeinflussen, oder? Die werden passieren.

Ich kann Mutationen sammeln, die dazu führen, dass E. coli niemals Beta-Gal produziert. Aber das ist nicht so interessant wie das Sammeln von Mutationen, die die Verdrängung blockieren, die dazu führt, dass ständig Beta-Gal produziert wird. Wie würde ich eine solche Mutante finden?

Ich möchte eine Mutante finden, die viel Beta-Gal produziert, selbst wenn es kein IPTG gibt. Also, lass uns etwas E coli auf einen Teller legen. Sollen wir IPTG auf einen Teller geben? Nein, also kein IPTG.

Was suche ich? Wie kann ich feststellen, ob einer dieser Typen hier viel Beta-Gal produziert? Ja?

Also kein IPTG, aber Ex-Mädel anziehen, und wenn jemand viel Beta-Mädel produziert, was passiert dann? Sie werden blau: Es ist sehr einfach, durch viele E. coli wie diese zu gehen und nach etwas Blauem zu suchen.

Und so wurden viele Mutanten gesammelt, die blau waren.

Und diese Chemikalien werden auch heute noch verwendet. Sie werden routinemäßig in Laboren verwendet, Ex-Frauen und ähnliches, was dazu führt, dass Bugs blau werden, weil sich herausgestellt hat, dass dies ein so gut untersuchtes System ist, dass wir es für viele Dinge verwenden. Es wurden also Mutanten gefunden, die konstitutiv waren. Es wurden also Mutanten gefunden, die konstituative Mutanten waren. Konstituative Mutanten: Das bedeutet, dass sie die ganze Zeit exprimieren, nicht mehr reguliert werden, also diese konstituativen Mutanten charakterisieren.

Es stellte sich heraus, dass sie in zwei verschiedene Klassen von konstituativen Mutanten fielen. Wenn wir genug Zeit hätten und Sie die Zeitungen und alles andere lesen könnten, würde ich Ihnen die Beschreibungen geben, die Jacobin Maneaux von diesen lustigen Mutanten hatte, die sie isoliert hatten und zu charakterisieren versuchten, und wie Sie herausfinden könnten, was es war geht weiter.

Aber es ist kompliziert und schwer, und es tut einem weh, wenn man die Antwort nicht kennt. Also, ich werde Ihnen zuerst die Antwort sagen, was vor sich geht, und dann sehen, wie Sie wissen, dass dies der Fall ist. Aber stellen Sie sich vor, Sie kennen diese Antwort nicht und müssen dies aus den Daten herausrätseln.

Angenommen, wir hätten es, also wenn es zwei Arten von Mutanten geben würde: Mutante Nummer eins sind Operatorbestandteile.

Sie haben eine fehlerhafte Operatorsequenz. Am Standort des Betreibers sind Mutationen aufgetreten. Mutante Nummer zwei hat ein defektes Repressorprotein, das Gen für das Repressorprotein.

Wie kann ich den Unterschied feststellen?

Ich könnte also ein Problem mit meiner Betreiberseite haben.

Was wäre das Problem mit der Betreiberseite?

Eine Mutation in der Sequenz führt dazu, dass der Repressor dort nicht mehr bindet, OK? Eine defekte Operator-Site bindet also keine Repressoren. Defekter Repressor, die Betreiberseite ist in Ordnung, aber ich habe keinen Repressor, um daran zu binden. Wie erkenne ich den Unterschied? Eine Möglichkeit, den Unterschied zu erkennen, besteht darin, die Mutanten zusammen zum Wildtyp zu kreuzen und zu fragen, ob sie dominant oder rezessiv sind oder ähnliches?

Nun, hier ist ein kleines Problem. E coli ist kein diploid, also kann man nicht zwei E coli kreuzen und ein diploides E coli machen, oder? Es ist ein Prokaryot. Es hat nur ein Genom. Aber es stellt sich heraus, dass man aus E coli temporäre Diploide, partielle Diploide machen kann, weil sich herausstellt, dass man Bakterien paaren kann. Bakterien, die hier ein Bakterienchromosom besitzen, betreiben auch Geschlechtsverkehr und im Zuge des bakteriellen Geschlechtsverkehrs können Plasmide übertragen werden, beispielsweise ein F-Faktor, der von anderen Bakterien übertragen werden kann. Und durch die Wunder des partiellen Merodiploids können Sie vorübergehend E colis bekommen oder Sie können dauerhaft E colis bekommen, die teilweise diploid sind. Sie können also tun, was ich Ihnen sagen will. Aber falls Sie sich Sorgen machen, dass ich diploide Genotypen für E coli schreibe, können Sie dies tatsächlich tun.

Sie können partielle Diploide machen. Probieren wir also hier einen Genotyp aus.

Angenommen, der Repressor ist ein Wildtyp, der Operator ist ein Wildtyp und das fehlende Z-Gen ist ein Wildtyp. Und wenn ich kein IPTG habe, bin ich nicht induziert. Ich habe eine Einheit Beta-Gal. Was passiert, wenn ich meinen Induktor hinzufüge? Ich bekomme 1.000 Einheiten Beta-Gal.

Angenommen, ich hätte eine konstituative Mutation des Operators.

Dann ist die Betreiberseite defekt. Es bindet den Repressor nicht. Beta-Gal wird die ganze Zeit exprimiert, auch in Abwesenheit. Also gut, das war natürlich unsere Auswahl. Nehmen wir nun an, ich habe das folgende diploide gemacht.

I plus, O plus, Z plus, über I plus, O konstituativ, Z plus. Also, hier ist mein Diploid. Was wäre der Phänotyp? Mit anderen Worten, eines der Chromosomen hat ein Operatorproblem.

Nun, das bedeutet, dass dieses Chromosom hier immer konstituativ Beta-Gal exprimiert.

Aber was ist mit diesem Chromosom hier? Es wird nicht. Das wäre also ungefähr 1, 01, Geben oder Nehmen, weil es ein Chromosom hat, das dies tut, und ein Chromosom, das dies tut, und dieses wäre ungefähr 2, 00. Nun, dieser quantitative Unterschied spielt keine große Rolle. Was Sie wirklich gesehen haben, als Sie Molekularbiologie betrieben haben, war, dass Sie, wenn Sie eine Kopie der konstituativen Mutation des Operators hatten, auch ohne IPTG immer noch viel Beta-Gal hier hatten. Diese konstitutive Site des Betreibers sah also so aus, als ob sie für diese Plus-Site hier dominant wäre.

Aber jetzt versuchen wir es hier. I plus, O plus, Z plus, über I plus, Operator konstitutiv, Z minus. Was passiert dann?

Diese konstituative Stelle des Operators ermöglicht eine konstante Transkription dieser speziellen Kopie. Aber kann diese spezielle Kopie eine funktionierende, funktionsfähige Beta-Galerie abgeben? Nein. So sieht es aus, wenn Sie Ihre genetischen Kreuzungen durchführen, stellen Sie fest, dass der Operator konstituativ ist plus, gleiche Genotypen, richtig, außer dass ich vertauscht habe, auf welchem ​​Chromosom diese sind.

Was passiert nun? Dieses Chromosom hier: immer Beta-Gal machen und es funktioniert. Dieses Chromosom hier: kein Beta-Gal machen.

Obwohl es reguliert ist, ist es eine Mutante. Mit anderen Worten, aus diesem Experiment können Sie erkennen, dass die Operatorstelle nur das Chromosom beeinflusst, auf dem sie sich physisch befindet, dass sie kein Protein herstellt, das herumschwebt.

Was es tut, ist, dass es in Cys funktioniert. In cys bedeutet auf demselben Chromosom. Es funktioniert physikalisch auf demselben Chromosom.

Werfen wir nun im Gegensatz dazu einen Blick auf die Eigenschaften der Mangel-Repressor-Mutanten. Wenn ich Ihnen eine Mangel-Repressor-Mutante gebe, ist I plus, O plus, Z plus der Wildtyp.

I konstitutiv, O plus, Z plus: Was passiert hier?

Dieser Wildtyp ist einer von 1, 00. Dieser Typ hier: 1000 und 1, 00, und dann schauen wir uns hier ein Diploid an: I plus, O plus, Z plus, I konstituativ, O plus, Z plus. Was ist der Effekt? Das I-Konstituativ macht keinen funktionierenden Repressor. Aber ich plus macht einen funktionierenden Repressor. Wird das also Regulierung zeigen?

Ja, das wird gut geregelt. Das funktioniert ganz gut, und tatsächlich werden es 2.000 machen und dort zwei Kopien machen.

Aber auch hier sind die Einheiten nicht so wichtig. Und wenn ich Ihnen dagegen I plus, O plus, Z minus und I konstitutiv, O plus, Z plus gebe, was passiert dann?

Hier habe ich meine Mutation auf diesem Chromosom. Aber es spielt keine Rolle, weil ich meine Mutation auf diesem Chromosom im Repressor habe. Ich habe hier eine Mutation bei Mangel Z, aber solange ich eine funktionelle Kopie habe, eine funktionelle Kopie des Mangel-Repressors, funktioniert es auf beiden Chromosomen.

Es funktioniert auf beiden Chromosomen, mit anderen Worten, dieser fehlende Repressor funktioniert auf beiden Chromosomen. Mit anderen Worten, es erzeugt ein Produkt, das sich verteilt und auf jedem Chromosom wirken kann, und es soll in trans, also quer, wirken.

Der Operator arbeitet also in cys. Es funktioniert nur auf seinem eigenen Chromosom. Eine Mutation im Operator betrifft nur das Chromosom, auf dem es lebt, während eine funktionelle Kopie des fehlenden Repressors herumschwebt, weil es ein Protein ist, und so kannte Jacobin Maneaux den Unterschied.

Sie bewiesen ihr Modell, indem sie zeigten, dass diese beiden Arten von Mutationen sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Operatormutationen betrafen nur das physische Chromosom, auf dem sie auftraten, was sie natürlich aus der Genetik ableiten mussten, während Repressor, ein funktioneller Kopienrepressor, auf jedes Chromosom in der Zelle wirken konnte.

Also gut, das haben wir. Nun, letzter Punkt, was ist mit Glukose?

Ich habe kein Wort über Glukose gesagt. Sehen Sie, das war eine große Sache für die Leute.

Dieses Modell, das Repressormodell, wir haben diesen Repressor. Was ist mit Glukose? Was macht Glukose auf diesem Bild?

Also, Glukosekontrolle: Hier ist also mein Gen. Hier ist mein Promoter, P Mangel. Hier ist mein Operator, Beta-Gal.

Es ist durch Mangel Z kodiert. Das alles hast du. Wenn dieser Kerl da ist, tut mir leid, wenn Laktose vorhanden ist, geht der Repressor aus. Polymerase setzt sich. Warten Sie eine Sekunde, Polymerase sollte sich nicht setzen, es sei denn, es gibt keine Glukose.

Wir brauchen einen anderen Sensor, um zu erkennen, ob Glukose vorhanden ist oder ob die Glukose niedrig ist. Also brauchen wir einen Sensor, der das sagt. Irgendwelche Ideen? Ja?

Ja, wenn Sie das durcharbeiten, denke ich, dass es nicht ganz funktioniert. Aber Sie haben die Grundidee. Du wirst noch etwas wollen und es stellt sich heraus, dass es hier noch eine andere Seite gibt, OK? Es gibt eine zweite Stelle, an der ein ganz anderes Protein bindet. Und dieses Protein ist das zyklische AMP-regulatorische Protein, und es ist so, dass ich in der Zelle bei niedrigen Glukosemengen sicherstellen möchte, dass ich das richtig mache, wenn die Glukosemengen niedrig sind, ist das, was wir haben, hoch Mengen an zyklischem AMP. Es stellt sich cyclisches AMP heraus, während Lactose direkt als Signal verwendet wird, wird hier cyclisches AMP als Signal verwendet. Wenn die Zelle geringe Mengen an Glukose hat, hat sie hohe Mengen an zyklischem AMP. Was soll Ihr zyklischer AMP nun tun? Wie wollen wir das gestalten?

Es wird sich an ein Protein binden, ein zyklisches AMP-regulatorisches Protein, es wird sich hinsetzen, und was wird es jetzt tun?

Wird es die RNA-Polymerase blockieren?

Was wollen wir machen? Wenn es niedrige Glukose, hohes zyklisches AMP gibt, setzen wir uns an die Stelle, wir wollen jetzt die Transkription einschalten, richtig? Es muss also nicht die RNA-Polymerase blockieren, sondern der RNA-Polymerase helfen. Was es also tatsächlich tut, ist, anstatt ein Repressor zu sein, ein Aktivator. Und was es tut, ist es für die RNA-Polymerase attraktiver zu binden, und das tut es tatsächlich, indem es die DNA leicht biegt.

Aber was es tut, ist es für die RNA-Polymerase einfacher zu binden.

Es stellt sich heraus, dass der Promoter eine Art mieser Promoter ist.

Es ist eigentlich nur so, denk daran, dass der Repressor nicht perfekt war, der Promoter auch nicht perfekt. Die Art des Promoters ist mies.

Und wenn die RNA-Polymerase nicht ein wenig Hilfe von diesem anderen regulatorischen Protein erhält, funktioniert es nicht.

Wir haben zwei Kontrollen: ein negativer Regulator, der auf einen Umwelthinweis reagiert, ein positiver Aktivator, der auf einen Umwelthinweis reagiert, der Polymerase hilft, zu entscheiden, ob sie transkribieren soll oder nicht, und im Grunde geht ein menschliches Ei zu einem vollständigen Erwachsenen und lebt sein ganzes Leben lang. minus ein paar andere details. Es wurden einige Details ausgelassen, aber das ist eine Skizze, wie man Gene ein- und ausschaltet.


Posttranslationale Modifikationen: Ein Überblick

Zellen müssen Veränderungen der inneren und äußeren Bedingungen erkennen und darauf reagieren. Eine Methode zur Anpassung an diese Veränderungen ist die chemische Modifikation von Proteinen. Bedingte chemische Veränderungen werden über reversible posttranslationale Modifikationen (PTMs) von Proteinen von Sensoren an Effektoren weitergegeben. PTMs spielen eine wichtige Rolle bei der Modifizierung des Endprodukts der Expression, tragen zu biologischen Prozessen und Krankheitszuständen bei und spielen eine Schlüsselrolle bei vielen zellulären Prozessen wie der zellulären Differenzierung (1), dem Proteinabbau, Signal- und Regulationsprozessen, der Regulation der Genexpression, und Protein-Protein-Wechselwirkungen (2,3).

Wie funktioniert die posttranslationale Modifikation?

PTMs können in jeder Phase der Proteinlebensdauer auftreten.Viele Proteine ​​werden kurz nach Abschluss der Translation modifiziert, um die richtige Faltung zu vermitteln oder das entstehende Protein an verschiedene zelluläre Stellen (wie den Zellkern oder die Membran) zu lenken. Andere Modifikationen treten auf, nachdem Faltung und Lokalisierung abgeschlossen sind, um die katalytische Aktivität zu aktivieren oder zu inaktivieren. Proteine ​​sind auch kovalent an Tags gebunden, die auf ein Protein zum Abbau abzielen. Sie werden durch eine Kombination aus posttranslationaler Spaltung und der Addition funktioneller Gruppen durch einen schrittweisen Mechanismus der Proteinreifung oder -aktivierung modifiziert.

Wo tritt posttranslationale Modifikation auf? PTMs treten an unterschiedlichen Aminosäureseitenketten oder Peptidbindungen auf und werden am häufigsten durch enzymatische Aktivität vermittelt. Tatsächlich bestehen 5% des Proteoms aus Enzymen, die mehr als 200 Arten von PTMs ausführen (4). Diese Enzyme umfassen Kinasen, Phosphatasen, Transferasen und Ligasen, die funktionelle Gruppen, Proteine, Lipide oder Zucker zu oder von Aminosäureseitenketten hinzufügen oder entfernen, und Proteasen, die Peptidbindungen spalten, um spezifische Sequenzen oder regulatorische Untereinheiten zu entfernen. Viele Proteine ​​können sich auch selbst modifizieren, indem sie autokatalytische Domänen verwenden, wie Autokinase und autoprotolytische Domänen. PTMs können je nach Art der Modifikation auch reversibel sein. Als Beispiel hydrolysieren Phosphatasen die Phosphatgruppe, um sie aus dem Protein zu entfernen und ihre biologische Aktivität umzukehren (Abbildung 1).

Abbildung 1. Arten von posttranslationalen Modifikationen (PTMs).

Die häufigsten posttranslationalen Modifikationen

Jüngste Entwicklungen bei Massenspektrometrie (MS)-Methoden haben die Identifizierung von Tausenden von PTM-Stellen ermöglicht. Folglich haben neue Anreicherungsstrategien die globale zelluläre Bedeutung verschiedener Arten von Modifikationen (z. B. Acetylierung, Ubiquitylierung, O-GlNac, N-verknüpfte Glykosylierung) aufgedeckt. Derzeit sind mehr als 200 verschiedene Arten von PTMs bekannt (5,6), die von kleinen chemischen Modifikationen (z. B. Phosphorylierung und Acetylierung) bis hin zur Addition kompletter Proteine ​​(z. B. Ubiquitylierung, Abbildung 3) reichen.

Phosphorylierung

Die Proteinphosphorylierung (Abbildung 2) ist die am häufigsten untersuchte posttranslationale Modifikation. Es wurde geschätzt, dass ein Drittel der Säugerproteine ​​phosphoryliert sein kann, und diese Modifikation spielt oft eine Schlüsselrolle bei der Modulation der Proteinfunktion. Die Phosphorylierung erfolgt an Serin-, Threonin- und Tyrosinresten und reguliert die Proteinfunktion, enzymatische Aktivität, Protein-Protein-Wechselwirkungen und Proteinlokalisierung. Die Phosphorylierung wird durch Phosphatasen katalysiert und kann reversibel sein – phosphorylierte Proteine ​​können durch Proteindephosphatasen dephosphoryliert werden.

Figur 2. WB-Ergebnis von Phospho-Marcks-Antikörper (10018-3-AP, 1:1500) mit Maus-J774-Makrophagenzellen, die mit PMA behandelt wurden.

Glykosylierung und Glykanierung

Die meisten Proteine, die an Ribosomen synthetisiert werden, die mit dem endoplasmatischen Retikulum assoziiert sind, unterliegen einer Glykosylierung. Das bedeutet, dass eine kovalente Bindung von Zuckereinheiten an die Polypeptidkette angefügt wird. Die beiden häufigsten Arten der Glykosylierung bei Eukaryoten sind die N-gebundene Glykosylierung – zu Asparagin und die O-gebundene Glykosylierung – zu Serin und Threonin.

Ubiquitinierung

Protein-Ubiquitinierung bedeutet, dass ein kovalentes Ubiquitin an Lysin, Cystein, Serin, Threonin oder direkt an den Protein-N-Terminus angelagert wird. Ubiquitin ist ein kleines (+/–8,6 kDa) Protein, das in fast allen Gewebetypen exprimiert wird (Abbildung 3). Die Ubiquitinierung ist eine enzymatische Reaktion, die von einer Drei-Enzym-Kaskade (E1, E2 und E3) katalysiert wird. Dies stellt Substratspezifität und Aktivierungs-, Konjugations- und Ligationsschritte bereit. Proteine ​​können monoubiquitiniert (mit einem Ubiquitinmolekül) oder polyubiquitiniert sein. Polyubiquitinierung findet statt, wenn zusätzliche Ubiquitin-Moleküle zum ursprünglichen Ubiquitin-Molekül hinzugefügt werden. Die Ubiquitinierung über das Proteom kann Proteine ​​für den Abbau markieren. Es ist auch wichtig für die zelluläre Signalübertragung, die Internalisierung von Membranproteinen und die Entwicklung und Regulation der Transkription.

Figur 3. MDA-MB-453s-Zellen wurden einer SDS-PAGE unterzogen, gefolgt von einem Western-Blot mit 10201-2-AP (Ubiquitin-Antikörper) bei einer Verdünnung von 1:600.

Auswirkungen von PTMs auf Gesundheit und Krankheit

Die Analyse von Proteinen und ihren PTMs ist besonders wichtig für die Untersuchung von Herzerkrankungen, Krebs, neurodegenerativen Erkrankungen und Diabetes (7). Die Hauptherausforderungen bei der Untersuchung posttranslational modifizierter Proteine ​​sind die Entwicklung spezifischer Nachweis- und Reinigungsmethoden. Glücklicherweise werden diese technischen Hindernisse mit einer Vielzahl neuer und verfeinerter Proteomik-Technologien überwunden.


Multitasking des Proteoms

Ein weiteres Merkmal von PTMs ist, dass sie in Proteinen, die sie beherbergen, eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen erfüllen. Das Hinzufügen oder Entfernen von PTMs reguliert die Enzymaktivität, intra- und intermolekulare Veränderungen der Proteinkonformation, zelluläre Lokalisierung und Interaktionen mit Proteinpartnern oder anderen Biomolekülen. Aussergewöhnlicherweise kann ein einziger PTM-Typ für mehrere dieser unterschiedlichen Funktionen verantwortlich sein, abhängig vom Ort der Modifikation und dem Kontext des Signalweges. Dies wird besonders gut durch die Ubiquitin-Signalgebung veranschaulicht, bei der das hochkonservierte kleine Polypeptid Ubiquitin an Lysinreste von Zielproteinen gebunden ist. Proteine ​​können durch ein einzelnes Ubiquitin-Polypeptid (d. h. Monoubiquitinierung) oder an mehreren unterschiedlichen Positionen (Multi-Monoubiquitinierung) modifiziert werden. Darüber hinaus ermöglichen sieben interne Lysinreste, dass Ubiquitin homogene oder heterogene Ketten bildet, die in einigen Fällen verzweigt sind. Diese sehr unterschiedlichen Formen der Ubiquitinierung ermöglichen es diesem PTM, Signale für eine Vielzahl von Prozessen zu senden, die von der zellulären Signalgebung und Proteinsortierung bis hin zur gezielten Proteolyse reichen (Komander und Rape, 2012). Miricescu et al. (2018) untersuchen, wie die Multifunktionalität von Ubiquitin Umweltsignale integriert, und verdeutlichen, dass dieses PTM in all seinen verschiedenen Formen eine zentrale Rolle in fast allen Signalwegen spielt, die durch Entwicklungs- und Stresshormone reguliert werden. Neuere Beweise deuten auch darauf hin, dass Ubiquitin-Modifikationen das Übersprechen zwischen synergistischen und antagonistischen Hormon-Signalwegen orchestrieren und es Pflanzen ermöglichen, zelluläre Reaktionen auf ihre Umgebung abzustimmen. Allein die Komplexität dieses PTM könnte erklären, warum so viel von jedem Pflanzengenom der Codierung von Genen gewidmet ist, die mit der Ubiquitin-Signalgebung in Verbindung stehen.

Die Wahrnehmung von Pflanzenhormonen stellt eine besonders faszinierende multifunktionale Rolle für Ubiquitin bei der Reprogrammierung der Genexpression dar. Sowohl Adams und Spoel (2018) als auch Miricescu et al. (2018) diskutieren, wie verschiedene Pflanzenhormone am Chromatin durch Ubiquitin-E3-Ligasen wahrgenommen werden. Diese E3-Ligasen erfüllen mehrere Aufgaben, indem sie als direkte Hormonrezeptoren und gleichzeitig als transkriptionelle Cofaktoren fungieren. Multitasking wird durch Hormone ermöglicht, die als molekularer Klebstoff zwischen der E3-Ligase und ihrem Substrat fungieren, das entweder ein transkriptioneller Coaktivator oder ein Co-Pressor ist. Die daraus resultierende hormoninduzierte Ubiquitinierung von transkriptionellen Co-Regulatoren verändert deren intrinsische Eigenschaften oder zielt auf den Abbau ab ( Kelley und Estelle, 2012 Furniss und Spoel, 2015). Insbesondere die Aufklärung der Mechanismen, durch die diese Chromatin-assoziierten E3-Ligasen Multitasking betreiben, hat weitreichende Auswirkungen über die Pflanzenbiologie hinaus. Die biomedizinischen Wissenschaften haben ein besonderes Interesse an der Entwicklung von Therapeutika, die die Wahrnehmung kleiner Moleküle durch E3-Ligasen nachahmen, da eine Dysfunktion der Ubiquitin-Signalübertragung vielen pathophysiologischen Zuständen beim Menschen zugrunde liegt, einschließlich Krebs, neurologischen Erkrankungen und Immunschwäche. Folglich werden Ansätze zur pharmakologischen Wirkstoffforschung nun von den Mechanismen der pflanzlichen Hormonwahrnehmung inspiriert (Shabek und Zheng, 2014). Durch die Untersuchung dieses natürlichen Prozesses in Pflanzen können wir auf unerwartete Weise zu Fortschritten in der Biomedizin beitragen.


Proteomik in der Biologie, Teil B

C. Zhang, Y. Liu, in Methods in Enzymology, 2017

Abstrakt

Posttranslationale Modifikationen (PTMs) von Histonen sind eines der Hauptforschungsinteressen auf dem schnell wachsenden Gebiet der Epigenetik. Eine genaue und präzise Quantifizierung dieser hochkomplexen Histon-PTMs ist entscheidend für das Verständnis des Histon-Codes und der dahinter stehenden biologischen Bedeutung. Dennoch bleibt es eine große analytische Herausforderung. Die Massenspektrometrie (MS) hat sich als robustes Werkzeug zur Gewinnung quantitativer Informationen von Histon-PTMs erwiesen, und eine Vielzahl von MS-basierten quantitativen Strategien wurden erfolgreich entwickelt und in der Grundlagenforschung sowie in klinischen Studien eingesetzt. In diesem Kapitel geben wir einen Überblick über die quantitative Analyse von Histon-PTMs, die oft sehr flexibel und fallabhängig ist, als Grundlage für zukünftige experimentelle Designs.


Zugangsoptionen

Erhalten Sie vollen Zugriff auf Zeitschriften für 1 Jahr

Alle Preise sind Nettopreise.
Die Mehrwertsteuer wird später an der Kasse hinzugefügt.
Die Steuerberechnung wird während des Bezahlvorgangs abgeschlossen.

Erhalten Sie zeitlich begrenzten oder vollständigen Artikelzugriff auf ReadCube.

Alle Preise sind Nettopreise.


Die Autoren erklären, dass die Forschung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

VORArgonautprotein
ALPAutophagie lysosomaler Weg
ALSAmyotrophe Lateralsklerose
AMPKAMP-aktivierte Proteinkinase
ARE-RBPRNA-bindende Proteine, die AU-reiche Elemente erkennen
SINDAU-reiches Element
GeldautomatAtaxie-Teleangiektasien mutiert
CARM1Coaktivator-assoziierte Arginin-Methyltransferase 1
CBPcAMP-Response-Element-Bindungsprotein (CREB)-bindendes Protein
CD62EE-Auswahl
Chk2Checkpoint-Kinase 2
Klick1Cdc-ähnliche Kinase 1
COX-2Cyclooxygenase 2
CSECystathionin-γ-lyase
CTSSKathepsin S
HEILUNGENCU-reiche Elemente
DDRReaktion auf DNA-Schäden
DGCR8DiGeorge-Syndrom kritische Region 8
WÜRFELDifferenzierungssteuerelement
ECRG2Speiseröhrenkrebs-verwandtes Gen 2
eNOSEndotheliale Stickoxid-Synthase
ERKextrazelluläre signalregulierte Kinase
EV71Enterovirus 71
FASTKFas-aktivierte Serin/Threonin-Kinase
FBXW2F-Box/WD-Repeat-enthaltendes Protein 2
FTLDFronto-temporale Lobärdegeneration
FUSim Sarkom verschmolzen
FXR2Pfragiles X-verwandtes Protein 2
GM-CSFGranulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor
GSK3 βGlykogen-Synthase-Kinase 3 β
G3BP1Ras-GAP SH3-Domänen-bindendes Protein 1
HDM2/MDM2Mensch/Maus Doppelminute 2
hnRNP A1/A2/Kheterogenes nukleäres Ribonukleoprotein A1 A2 und K
HNSNukleozytoplasmatische HuR-Shuttle-Sequenz
Hsp27Hitzeschockprotein 27
HuRmenschliches Antigen R
IDRintrinsisch ungeordnete Region
IKK αIch κ B-Kinase α
IRESinterne Ribosomeneintrittsstelle
JAK3Januskinase 3
KHK-Homologie
KIK interaktive Region
KLF2Krüppel-ähnlicher Faktor 2
KNSK nukleare Shuttle-Domain
KSRPSpleißregulatorisches Protein vom KH-Typ
LCRRegion mit niedriger Komplexität
LLPSflüssig𠄿lüssige Phasentrennung
MAPKMitogen-aktivierte Proteinkinase
MAPKAPK-2/3MAPK-aktivierte Proteinkinase 2 und 3
mFasmembrangebundenes Fas
miRISCmiRNA-induzierter Silencing-Komplex
miRNAMikro-RNA
MK2/3MAPK-aktivierte Proteinkinase 2 und 3
MLOmembranlose Organelle
MMP2/7Matrixmetalloproteinase 2 und 7
mRNPBotenstoff-Ribonukleoprotein-Partikel
NCLNukleolin
NEDD8neurale Vorläuferzelle exprimiert entwicklungsbedingt herunterreguliert 8
NLSnukleares Lokalisierungssignal
Ö-GlcNAcÖ-Glykosyl-n-Acetylierung
PABPpoly(A)-bindendes Protein
PAD4Peptidyl-Arginin-Deiminase 4
PARPoly(ADP-Ribose)
PARP-1PAR-Polymerase 1
PC2Polycomb 2 Protein
Pin1Protein, das mit NIMA interagiert (nie in Mitose A)-1
PKAProteinkinase A
PKC α/δ/ζProteinkinase C α δ und ζ
PLDPrionen-ähnliche Domäne
Prä-miRNAVorläufer miRNA
pri-miRNAprimäre miRNA
PRMT1Protein Arginin N-Methyltransferase 1
PTHNebenschilddrüsenhormon
PTMposttranslationale Modifikation
r15-LOXErythroid-15-Lipoxygenase
RBDRNA-bindende Domäne
RBPRNA-bindendes Protein
RGG/RGArginin/Glycin-reich
RRMRNA-Erkennungsmotiv
sFaslösliches Fas
SGsStressgranulat
SIRT1Sirtuin 1
SMNÜberleben des Motoneurons
snRNP U1kleines nukleäres Ribonukleoprotein-Partikel U1
SRserin/argininreich
SRPK1/2SR-Proteinkinase 1 und 2
SRSF1/3SR-Spleißfaktor 1 und 3
StUbLSUMO-gezielte Ubiquitin-Ligase
SUMOkleiner Ubiquitin-ähnlicher Modifikator
TDP-43TAR-DNA-bindendes Protein von 43 kDa
TIA-1T-Zell-Intrazelluläres Antigen 1
TIARTIA-1-bezogen
TIARTIA-1-verwandtes Protein
TRAF6TNF-Rezeptor-assoziierter Faktor 6
TRNtransportieren
TTPTristetraprolin
UbUbiquitin
UBXD8Ubiquitin-regulatorisches X-Domäne-enthaltendes Protein 8
UCP2Entkopplungsprotein-2
UPSUbiquitin-Proteasom-System
UTRunübersetzte Region
XIAPX-Chromosom-gebundener Inhibitor des Apoptoseproteins
β-TrCP 1β-Transducin-Repeat-enthaltendes Protein 1.

Einleitung

Während der Translation bindet eine kleine ribosomale Untereinheit an ein mRNA-Molekül. Gleichzeitig erkennt ein Initiator-tRNA-Molekül eine spezifische Codonsequenz auf demselben mRNA-Molekül und bindet daran. Eine große ribosomale Untereinheit schließt sich dann dem neu gebildeten Komplex an. Die Initiator-tRNA befindet sich an einer Bindungsstelle des Ribosoms, die als bezeichnet wird P und hinterlässt die zweite Bindungsstelle, die EIN Website, geöffnet. Wenn ein neues tRNA-Molekül die nächste Codonsequenz auf der mRNA erkennt, heftet es sich an die offene EIN Seite? ˅. Es bildet sich eine Peptidbindung, die die Aminosäure der tRNA im P zur Aminosäure der tRNA in der EIN Bindungsstelle.


Webseiten

Lehrerbereich: Zelltranskription und -übersetzung

Teachers' Domain ist eine kostenlose Bildungsressource, die von der WGBH mit Mitteln der NSF erstellt wurde und Tausende von Medienressourcen, unterstützenden Materialien und Tools für den Unterricht im Klassenzimmer enthält. Eine dieser Ressourcen konzentriert sich auf die Themen Transkription und Übersetzung interaktive Aktivität, die mit einem allgemeinen Überblick über das zentrale Dogma der Molekularbiologie beginnt und dann auf die Prozesse der Transkription und Übersetzung genauer eingeht. Neben der interaktiven Aktivität enthält die Ressource auch eine Hintergrunderzählung und Diskussionsfragen, die für die Bewertung verwendet werden. Obwohl das Material als geeigneter Inhalt für die Klassenstufen 9-12 ausgewiesen ist, würde es als hervorragende Einführung in das Thema für Biologie-Hauptfächer dienen oder wäre gut geeignet für nicht-biologische Hauptfächer auf postsekundärer Ebene . Siehe: Lehrerbereich: Zelltranskription und -übersetzung

Das DNA-Lernzentrum (DNALC) DNA Interactive (DNAi) des Howard Hughes Medical Institute Das Genetic Science Learning Center der University of Utah

Die Website des DNA Learning Center (DNALC), die Website DNA Interactive (DNAi) des Howard Hughes Medical Institute und die unten aufgeführte Website des Genetic Science Learning Center der University of Utah enthalten ausgezeichnete kommentierte Animationen, die Transkription und Übersetzung beschreiben. Diese Animationen sind nützlich als Ergänzung zur Vorlesung oder für die Studierenden zum selbstständigen Wiederholen. Die DNALC-Animationen befassen sich mit zentralen Dogmen, Transkription (einfach und fortgeschritten), mRNA-Spleißen, RNA-Spleißen, Triplett-Code und Translation (einfach und fortgeschritten). Die DNAi-Module "Code lesen" und "Code kopieren" beschreiben die Geschichte des Prozesses, die an der Entdeckung beteiligten Wissenschaftler und die Grundlagen des Prozesses und beinhalten auch eine Animation und ein interaktives Spiel. Besonders nützlich für Studenten sind die interaktiven Animationen der University of Utah, die es einem ermöglichen, beispielsweise "ein Gen zu transkribieren/übersetzen" oder die Auswirkungen von Genmutationen zu untersuchen, während sie "Neurofibromin-Aktivität in einer Zelle testen".

Das DNA-Lernzentrum (DNALC): 3-D-Animationsbibliothek
Die DNA-Interaktion des Howard Hughes Medical Institute: (DNAi): Code
Das Genetic Science Learning Center der University of Utah: Ein Gen transkribieren und übersetzen

Scitable

Die Nature Education-Website, Scitable, ist eine großartige Lernressource für Studenten, die mehr über Transkription und Übersetzung erfahren möchten oder Schwierigkeiten haben, sie zu verstehen. Die Site enthält eine durchsuchbare Bibliothek mit vielen "Übersichten" über Transkription, Übersetzung und verwandte Themen. Studenten haben Zugriff auf ein Genetik-"Study Pack", das Erklärungen, Animationen und Links zu anderen Ressourcen bietet. Darüber hinaus verfügt Scitable über eine "Ask An Expert"-Funktion, mit der Studenten spezifische genetische Fragen stellen können. Siehe: Scitable

NHGRI Talking Glossar of Genetics Terms iPhone App und Website

Die Website „Talking Glossary of Genetics Terms“ und die iPhone-App bieten Ihren Schülern ein leicht zu transportierendes und zugängliches Nachschlagewerk. Oftmals ist der unbekannte Wortschatz der größte Stolperstein für das Verständnis der Schüler. Diese App/Site bietet ihnen einen praktischen Hinweis auf gängige Begriffe, die bei der Beschreibung der Komponenten verwendet werden, die an der Transkription und Übersetzung beteiligt sind.
Sprechendes Glossar der Genetik-Begriffe
Sprechendes Glossar der Genetik-Begriffe iPhone App

Fallstudiensammlung der University of Buffalo: Die Entschlüsselung der Grippe

Dieser "Clicker-Fall" wurde entwickelt, um die Fähigkeit der Schüler zu entwickeln, in der DNA gespeicherte Informationen zu lesen und zu interpretieren. Unter Verwendung persönlicher Reaktionssysteme ("Clicker") zusammen mit einer PowerPoint-Präsentation verfolgen die Studenten die Geschichte von "Jason", einem studentischen Praktikanten bei den Centers for Disease Control & Prevention (CDC). Während er mit einem CDC-Team in Mexiko zusammenarbeitet, ist Jason die einzige Person, die nicht an einer neuen Grippe erkrankt. Es liegt an Jason, molekulare Daten zu verwenden, die von verschiedenen lokalen Grippestämmen gesammelt wurden, um herauszufinden, welcher die Krankheit verursachen könnte. Obwohl er für einen Einführungskurs in die Biologie für naturwissenschaftliche oder nicht-naturwissenschaftliche Studiengänge konzipiert ist, könnte der Fall für Kurse der Oberstufe angepasst werden, indem komplexere Probleme und Aspekte der Genexpression einbezogen werden, wie zum Beispiel die Exzision von Introns."
Siehe: Die Grippe entschlüsseln

Animation zur Proteinsynthese von Biology-Forums.com

Translation ist der Prozess der Herstellung von Proteinen aus der mRNA. Dieses YouTube-Video zeigt die molekularen Komponenten, die an dem Prozess beteiligt sind. Es animiert auch, wie das Peptid durch Interaktion zwischen mRNA, Ribosom, tRNA und Resten verlängert wird. Animation zur Proteinsynthese

Die zentrale Dogma-Animation des RIKEN Omics Science Center

Das „zentrale Dogma“ der Molekularbiologie lautet: „DNA erzeugt RNA macht Protein“. Dieser Anime zeigt, wie molekulare Maschinen die Gene in der DNA jeder Zelle in tragbare RNA-Nachrichten umschreiben, wie diese Boten-RNA modifiziert und aus dem Zellkern exportiert wird und schließlich wie der RNA-Code gelesen wird, um Proteine ​​​​zu bauen. Animation: Das zentrale Dogma

Eine Prezi dieser Informationen finden Sie unter: NHGRI Teacher Resouces-Central Dogma

Beitragendes Pädagogenteam:

Kari D. Loomis, Ph.D., Mars Hill College
Luisel Ricks, Ph.D., Howard University
Mark Bolt, Ph.D., University of Pikeville
Cathy Dobbs, Ph.D., Joliet Junior College
Changhui Yan, Ph.D., North Dakota State University
Solomon Adekunle, Ph.D., Southern University

Lehrerbereich: Zelltranskription und -übersetzung

Teachers' Domain ist eine kostenlose Bildungsressource, die von der WGBH mit Mitteln der NSF erstellt wurde und Tausende von Medienressourcen, unterstützenden Materialien und Tools für den Unterricht im Klassenzimmer enthält. Eine dieser Ressourcen konzentriert sich auf die Themen Transkription und Übersetzung interaktive Aktivität, die mit einem allgemeinen Überblick über das zentrale Dogma der Molekularbiologie beginnt und dann auf die Prozesse der Transkription und Übersetzung genauer eingeht. Neben der interaktiven Aktivität enthält die Ressource auch eine Hintergrunderzählung und Diskussionsfragen, die für die Bewertung verwendet werden. Obwohl das Material als geeigneter Inhalt für die Klassenstufen 9-12 ausgewiesen ist, würde es als hervorragende Einführung in das Thema für Biologie-Hauptfächer dienen oder wäre gut geeignet für nicht-biologische Hauptfächer auf postsekundärer Ebene . Siehe: Lehrerbereich: Zelltranskription und -übersetzung

Das DNA-Lernzentrum (DNALC) DNA Interactive (DNAi) des Howard Hughes Medical Institute Das Genetic Science Learning Center der University of Utah

Die Website des DNA Learning Center (DNALC), die Website DNA Interactive (DNAi) des Howard Hughes Medical Institute und die unten aufgeführte Website des Genetic Science Learning Center der University of Utah enthalten ausgezeichnete kommentierte Animationen, die Transkription und Übersetzung beschreiben. Diese Animationen sind nützlich als Ergänzung zur Vorlesung oder für die Studierenden zum selbstständigen Wiederholen. Die DNALC-Animationen befassen sich mit zentralen Dogmen, Transkription (einfach und fortgeschritten), mRNA-Spleißen, RNA-Spleißen, Triplett-Code und Translation (einfach und fortgeschritten). Die DNAi-Module "Code lesen" und "Code kopieren" beschreiben die Geschichte des Prozesses, die an der Entdeckung beteiligten Wissenschaftler und die Grundlagen des Prozesses und beinhalten auch eine Animation und ein interaktives Spiel. Besonders nützlich für Studenten sind die interaktiven Animationen der University of Utah, die es einem ermöglichen, beispielsweise "ein Gen zu transkribieren/übersetzen" oder die Auswirkungen von Genmutationen zu untersuchen, während sie "Neurofibromin-Aktivität in einer Zelle testen".

Das DNA-Lernzentrum (DNALC): 3-D-Animationsbibliothek
Die DNA-Interaktion des Howard Hughes Medical Institute: (DNAi): Code
Das Genetic Science Learning Center der University of Utah: Ein Gen transkribieren und übersetzen

Scitable

Die Nature Education-Website, Scitable, ist eine großartige Lernressource für Studenten, die mehr über Transkription und Übersetzung erfahren möchten oder Schwierigkeiten haben, sie zu verstehen. Die Site enthält eine durchsuchbare Bibliothek mit vielen "Übersichten" über Transkription, Übersetzung und verwandte Themen. Studenten haben Zugriff auf ein Genetik-"Study Pack", das Erklärungen, Animationen und Links zu anderen Ressourcen bietet. Darüber hinaus verfügt Scitable über eine "Ask An Expert"-Funktion, mit der Studenten spezifische genetische Fragen stellen können. Siehe: Scitable

NHGRI Talking Glossar of Genetics Terms iPhone App und Website

Die Website „Talking Glossary of Genetics Terms“ und die iPhone-App bieten Ihren Schülern ein leicht zu transportierendes und zugängliches Nachschlagewerk. Oftmals ist der unbekannte Wortschatz der größte Stolperstein für das Verständnis der Schüler. Diese App/Site bietet ihnen einen praktischen Hinweis auf gängige Begriffe, die bei der Beschreibung der Komponenten verwendet werden, die an der Transkription und Übersetzung beteiligt sind.
Sprechendes Glossar der Genetik-Begriffe
Sprechendes Glossar der Genetik-Begriffe iPhone App

Fallstudiensammlung der University of Buffalo: Die Entschlüsselung der Grippe

Dieser "Clicker-Fall" wurde entwickelt, um die Fähigkeit der Schüler zu entwickeln, in der DNA gespeicherte Informationen zu lesen und zu interpretieren. Unter Verwendung persönlicher Reaktionssysteme ("Clicker") zusammen mit einer PowerPoint-Präsentation verfolgen die Studenten die Geschichte von "Jason", einem studentischen Praktikanten bei den Centers for Disease Control & Prevention (CDC). Während er mit einem CDC-Team in Mexiko zusammenarbeitet, ist Jason die einzige Person, die nicht an einer neuen Grippe erkrankt. Es liegt an Jason, molekulare Daten zu verwenden, die von verschiedenen lokalen Grippestämmen gesammelt wurden, um herauszufinden, welcher die Krankheit verursachen könnte. Obwohl er für einen Einführungskurs in die Biologie für naturwissenschaftliche oder nicht-naturwissenschaftliche Studiengänge konzipiert ist, könnte der Fall für Kurse der Oberstufe angepasst werden, indem komplexere Probleme und Aspekte der Genexpression einbezogen werden, wie zum Beispiel die Exzision von Introns."
Siehe: Die Grippe entschlüsseln

Animation zur Proteinsynthese von Biology-Forums.com

Translation ist der Prozess der Herstellung von Proteinen aus der mRNA. Dieses YouTube-Video zeigt die molekularen Komponenten, die an dem Prozess beteiligt sind. Es animiert auch, wie das Peptid durch Interaktion zwischen mRNA, Ribosom, tRNA und Resten verlängert wird. Animation zur Proteinsynthese

Die zentrale Dogma-Animation des RIKEN Omics Science Center

Das „zentrale Dogma“ der Molekularbiologie lautet: „DNA erzeugt RNA macht Protein“. Dieser Anime zeigt, wie molekulare Maschinen die Gene in der DNA jeder Zelle in tragbare RNA-Nachrichten umschreiben, wie diese Boten-RNA modifiziert und aus dem Zellkern exportiert wird und schließlich wie der RNA-Code gelesen wird, um Proteine ​​​​zu bauen. Animation: Das zentrale Dogma

Eine Prezi dieser Informationen finden Sie unter: NHGRI Teacher Resouces-Central Dogma


Regulatorische Proteine

Die Transkriptionsregulation wird teilweise durch regulatorische Proteine ​​vermittelt, die an die DNA in ihrer helikalen Form binden können (ein Abwickeln ist nicht erforderlich) und die Transkriptionsaktivität der RNA-Polymerase regulieren.

Übersicht regulatorische Proteine

  • Regulieren Sie die Transkription durch Bindung an regulatorische Sequenzen der DNA:
    • Veranstalter
    • Enhancer-Sequenzen
    • Isolatorfolgen
    • DNA-Bindungsdomäne: Teil des Proteins, der an die DNA bindet
    • Funktionelle Domäne: Teil des Proteins, der mit der DNA und/oder anderen Proteinen interagiert, um seine Funktion auszuführen
    • Helix – Windung – Helix
    • Zinkfinger
    • Leucin-Reißverschlüsse

    Helix – Windung – Helix

    Regulatorische Proteine ​​mit dem Helix-Turn-Helix-DNA-Bindungsmotiv haben folgende Eigenschaften:

    • Struktur: 2 senkrecht zueinander orientierte helikale Segmente, die über ein geschlungenes Proteinsegment miteinander verbunden sind
    • Schleifensegment enthält die funktionale Domäne
    • Proteine ​​binden die DNA durch die große Furche
    • Arbeite oft zu zweit
    • Eine Untergruppe von Helix-Turn-Helix-Proteinen ist als Homöodomäne-Proteine ​​bekannt, bei denen es sich um regulatorische Proteine ​​handelt, die häufig an der Entwicklung beteiligt sind.

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

    Zinkfinger

    • 3 fingerartige Strukturen interagieren mit DNA durch die große Furche.
    • Verwendet Zink, um sich eng mit der DNA zu verbinden
    • Das gleiche Motiv wird in Steroidrezeptoren beobachtet, die eine Zinkfingerdomäne enthalten → ermöglicht es den aktivierten Rezeptoren, direkt an die DNA zu binden und die Transkription direkt zu beeinflussen

    Das Zink-Finger-Bindungsmotiv:
    Wird häufig bei Steroidrezeptor-Bindungsmechanismen verwendet

    Leucin-Reißverschluss

    Leucin-Zipper bestehen aus 2 Proteinen, die jeweils eine helikale Untereinheit und eine hydrophobe Untereinheit enthalten.

    • Die helikalen Untereinheiten:
      • Betreten Sie die DNA durch die große Furche
      • Assoziieren mit entgegengesetzten Enden der DNA innerhalb der Furche
      • Bleiben Sie außerhalb der DNA (weil DNA hydrophil ist)
      • Enthält Leucin-Moleküle, die die beiden Proteine ​​​​zusammenführen

      Das Leucin-Reißverschluss-Bindungsmotiv:
      Hat 2 Untereinheiten, die zusammengezippt werden

      Ähnliche Videos


      Wir betrachten Proteine ​​oft als Nährstoffe in unserer Nahrung oder als Hauptbestandteil von Muskeln, aber Proteine ​​sind auch mikroskopisch kleine Moleküle im Inneren von Zellen, die vielfältige und lebenswichtige Aufgaben erfüllen. Nach Abschluss des Humangenomprojekts wenden sich die Wissenschaftler dem menschlichen “Proteom”, dem Katalog aller menschlichen Proteine, zu. Diese Arbeit hat gezeigt, dass die Welt der Proteine ​​faszinierend ist, voller Moleküle mit so komplizierten Formen und präzisen Funktionen, dass sie fast phantasievoll erscheinen.

      Die Funktion eines Proteins hängt von seiner Form ab, und wenn die Proteinbildung fehlschlägt, verursachen die resultierenden unförmigen Proteine ​​​​Probleme, die von schlecht reichen, wenn Proteine ​​ihre wichtige Arbeit vernachlässigen, bis hin zu hässlich, wenn sie innerhalb der Zellen ein klebriges, klumpiges Durcheinander bilden. Aktuelle Forschungen legen nahe, dass die Welt der Proteine ​​alles andere als unberührt ist. Die Proteinbildung ist ein fehleranfälliger Prozess, und Fehler auf diesem Weg wurden mit einer Reihe von menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht.

      Die weite Welt der Proteine:

      In einer typischen menschlichen Zelle gibt es 20.000 bis über 100.000 einzigartige Proteintypen. Warum so viele? Proteine ​​sind die Arbeitspferde der Zelle. Jeder führt fachmännisch eine bestimmte Aufgabe durch. Einige sind strukturell und verleihen beispielsweise Muskelzellen oder langen, dünnen Neuronen Steifheit und Steifigkeit. Andere binden an bestimmte Moleküle und transportieren sie an neue Orte, und wieder andere katalysieren Reaktionen, die es Zellen ermöglichen, sich zu teilen und zu wachsen. Möglich wird dieser Reichtum an Vielfalt und Spezifität in der Funktion durch eine scheinbar einfache Eigenschaft von Proteinen: Sie falten sich.

      Proteine ​​falten sich in eine funktionelle Form

      Ein Protein beginnt in der Zelle mit einer langen Kette von durchschnittlich 300 Bausteinen, den sogenannten Aminosäuren. Es gibt 22 verschiedene Arten von Aminosäuren, und ihre Reihenfolge bestimmt, wie sich die Proteinkette um sich selbst faltet. Beim Falten bilden sich in der Regel zuerst zwei Arten von Strukturen. Einige Regionen der Proteinkette rollen sich zu schleichenden Formationen zusammen, die “alpha-Helices” genannt werden, während andere Regionen sich zu Zickzackmustern falten, die als “beta-Blätter bezeichnet werden, die den Falten eines Papierfächers ähneln. Diese beiden Strukturen können interagieren, um komplexere Strukturen zu bilden. In einer Proteinstruktur wickeln sich beispielsweise mehrere Beta-Blätter um sich selbst, um eine hohle Röhre zu bilden, aus der einige Alpha-Helices an einem Ende herausragen. Das Rohr ist kurz und gedrungen, so dass die Gesamtstruktur Schlangen (Alpha-Helices) ähnelt, die aus einer Dose (Beta-Blattrohr) hervorgehen. Einige andere Proteinstrukturen mit beschreibenden Namen sind das “beta Barrel,” der “beta Propeller,” das “alpha/beta Horseshoe,” und das “jelly-roll fold.”

      Diese komplexen Strukturen ermöglichen es Proteinen, ihre vielfältigen Aufgaben in der Zelle zu erfüllen. Das “snakes in a can” Protein erzeugt, wenn es in eine Zellmembran eingebettet ist, einen Tunnel, der den Verkehr in und aus Zellen ermöglicht. Andere Proteine ​​bilden Formen mit Taschen, die als “aktive Stellen” bezeichnet werden und die perfekt geformt sind, um an ein bestimmtes Molekül zu binden, wie ein Schloss und ein Schlüssel. Durch die Faltung in verschiedene Formen können Proteine ​​sehr unterschiedliche Rollen übernehmen, obwohl sie aus den gleichen Grundbausteinen bestehen. Um eine Analogie zu ziehen: Alle Fahrzeuge bestehen aus Stahl, aber die schlanke Form eines Rennwagens gewinnt Rennen, während ein Bus, ein Muldenkipper, ein Kran oder ein Zamboni so geformt sind, dass er seine eigenen einzigartigen Aufgaben erfüllt.

      Warum scheitert die Proteinfaltung manchmal?

      Die Faltung ermöglicht es einem Protein, eine funktionelle Form anzunehmen, aber es ist ein komplexer Prozess, der manchmal fehlschlägt. Die Proteinfaltung kann aus drei Hauptgründen schief gehen:

      1: Eine Person könnte eine Mutation besitzen, die eine Aminosäure in der Proteinkette verändert, wodurch es für ein bestimmtes Protein schwierig wird, seine bevorzugte Faltung oder seinen „nativen“ Zustand zu finden. Dies ist beispielsweise bei vererbten Mutationen der Fall, die zu Mukoviszidose oder Sichelzellenanämie führen. Diese Mutationen befinden sich in der DNA-Sequenz oder im “gen”, das ein bestimmtes Protein kodiert. Daher beeinflussen diese Arten von ererbten Mutationen nur dieses bestimmte Protein und seine damit verbundene Funktion.

      2: Andererseits kann das Versagen der Proteinfaltung als ein fortlaufender und allgemeinerer Prozess angesehen werden, der viele Proteine ​​betrifft. Wenn Proteine ​​hergestellt werden, kann die Maschine, die die Anweisungen aus der DNA liest, um die langen Aminosäureketten zu erzeugen, Fehler machen. Wissenschaftler schätzen, dass diese Maschine, das Ribosom, bei bis zu 1 von 7 Proteinen Fehler macht! Diese Fehler können dazu führen, dass sich die resultierenden Proteine ​​weniger wahrscheinlich richtig falten.

      3: Selbst wenn eine Aminosäurekette keine Mutationen oder Fehler aufweist, erreicht sie möglicherweise nicht ihre bevorzugte gefaltete Form, einfach weil Proteine ​​nicht zu 100 % richtig gefaltet werden. Die Proteinfaltung wird noch schwieriger, wenn sich die Bedingungen in der Zelle, wie Säuregehalt und Temperatur, von denen ändern, an die der Organismus gewöhnt ist.

      Ein Versagen der Proteinfaltung verursacht mehrere bekannte Krankheiten, und Wissenschaftler vermuten, dass viele weitere Krankheiten mit Faltungsproblemen zusammenhängen. Es gibt zwei völlig unterschiedliche Probleme, die in Zellen auftreten, wenn sich ihre Proteine ​​nicht richtig falten.

      Eine Art von Problem, genannt “Funktionsverlust”, tritt auf, wenn sich nicht genug von einem bestimmten Protein richtig faltet, was zu einem Mangel an “Fachkräften” führt, die für eine bestimmte Arbeit benötigt werden. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass ein richtig gefaltetes Protein perfekt geformt ist, um ein Toxin zu binden und es in weniger toxische Nebenprodukte aufzuspalten. Ohne genügend des verfügbaren richtig gefalteten Proteins baut sich das Toxin auf schädliche Mengen auf. Als weiteres Beispiel kann ein Protein dafür verantwortlich sein, Zucker zu metabolisieren, sodass die Zelle ihn zur Energiegewinnung nutzen kann. Die Zelle wächst aufgrund von Energiemangel langsam, wenn nicht genügend Protein in ihrem funktionellen Zustand vorhanden ist. Der Grund, warum die Zelle in diesen Fällen krank wird, ist das Fehlen eines bestimmten, richtig gefalteten, funktionellen Proteins. Mukoviszidose, Tay-Sachs-Krankheit, Marfan-Syndrom und einige Krebsarten sind Beispiele für Krankheiten, die entstehen, wenn eine Proteinart ihre Aufgabe nicht erfüllen kann. Wer hätte gedacht, dass eine Proteinart unter Zehntausenden so wichtig sein kann?

      Proteine, die sich nicht richtig falten, können sich unabhängig von der Funktion des Proteins auch auf die Gesundheit der Zelle auswirken. Wenn sich Proteine ​​nicht in ihren funktionellen Zustand falten, können die resultierenden fehlgefalteten Proteine ​​in Formen verzerrt werden, die für die überfüllte zelluläre Umgebung ungünstig sind. Die meisten Proteine ​​besitzen klebrige, „Wasser hassende„Aminosäuren, die sie tief in ihrem Kern vergraben. Falsch gefaltete Proteine ​​tragen diese inneren Teile nach außen, wie eine mit Schokolade überzogene Süßigkeit, die zerkleinert wurde, um ein klebriges Karamellzentrum zu enthüllen. Diese falsch gefalteten Proteine ​​kleben oft zusammen und bilden Klumpen, die als "Aggregate" bezeichnet werden. Wissenschaftler vermuten, dass die Ansammlung falsch gefalteter Proteine ​​bei mehreren neurologischen Erkrankungen eine Rolle spielt, darunter Alzheimer, Parkinson, Huntington und Lou Gehrig (ALS)-Krankheit, aber Wissenschaftler arbeiten immer noch daran, genau herauszufinden, wie diese falsch gefalteten, klebrigen Moleküle Zellen schädigen.

      Ein fehlgefaltetes Protein sticht unter den anderen hervor und verdient besondere Aufmerksamkeit. Das Protein “prion” bei der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, auch bekannt als Rinderwahnsinn, ist ein Beispiel für ein falsch gefaltetes Protein, das abtrünnig geworden ist. Dieses Protein ist nicht nur irreversibel fehlgefaltet, sondern überführt auch andere funktionelle Proteine ​​in seinen verdrillten Zustand.

      Wie schützen sich unsere Zellen vor falsch gefalteten Proteinen?

      Neuere Forschungen zeigen, dass Proteinfehlfaltungen häufig innerhalb von Zellen auftreten. Glücklicherweise sind Zellen daran gewöhnt, mit diesem Problem fertig zu werden, und verfügen über mehrere Systeme, um abweichende Proteinformationen neu zu falten oder zu zerstören.

      Chaperone sind ein solches System. Entsprechend benannt, begleiten sie Proteine ​​durch den Faltungsprozess, verbessern die Chancen eines Proteins, sich richtig zu falten, und geben sogar einigen fehlgefalteten Proteinen die Möglichkeit, sich neu zu falten. Interessanterweise sind Chaperone selbst Proteine! Es gibt viele verschiedene Arten von Begleitpersonen. Einige sind speziell darauf ausgerichtet, eine Art von Proteinfaltung zu unterstützen, während andere allgemeiner wirken. Manche Chaperone haben die Form großer Hohlkammern und bieten Proteinen, isoliert von anderen Molekülen, einen sicheren Raum, in dem sie sich falten können. Die Produktion mehrerer Chaperone wird gesteigert, wenn eine Zelle hohen Temperaturen oder anderen Bedingungen ausgesetzt ist, die die Proteinfaltung erschweren, wodurch diese Chaperone den Alias ​​​​„Hitzeschockproteine“ erhalten

      Eine weitere Verteidigungslinie der Zellen gegen fehlgefaltete Proteine ​​wird als Proteasom bezeichnet. Wenn falsch gefaltete Proteine ​​in der Zelle verweilen, werden sie von dieser Maschine, die Proteine ​​zerkaut und als kleine Aminosäurefragmente ausspuckt, gezielt zerstört. Das Proteasom ist wie ein Recyclingzentrum, das es der Zelle ermöglicht, Aminosäuren wiederzuverwenden, um mehr Proteine ​​​​zu produzieren. Das Proteasom selbst ist nicht ein Protein, sondern viele, die zusammen wirken. Proteine ​​interagieren häufig, um größere Strukturen mit wichtigen zellulären Funktionen zu bilden. Zum Beispiel ist der Schwanz eines menschlichen Spermas eine Struktur, die aus vielen Arten von Proteinen besteht, die zusammenarbeiten, um einen komplexen Rotationsmotor zu bilden, der das Sperma vorwärts treibt.

      Zukünftige Forschung zur Proteinfaltung und -fehlfaltung:

      Warum können einige fehlgefaltete Proteine ​​Systemen wie Chaperonen und dem Proteasom ausweichen? Wie können klebrige fehlgefaltete Proteine ​​die oben aufgeführten neurodegenerativen Erkrankungen verursachen? Falten sich manche Proteine ​​häufiger falsch als andere? Diese Fragen stehen im Vordergrund der aktuellen Forschung, die versucht, die grundlegende Proteinbiologie und die Krankheiten zu verstehen, die aus einer fehlgeschlagenen Proteinfaltung resultieren.

      Die weite Welt der Proteine ​​mit ihrer großen Vielfalt an Formen verleiht Zellen Fähigkeiten, die das Leben ermöglichen und seine Vielfalt (z. Vielleicht aus diesem Grund stammt das Wort “protein” vom griechischen Wort “protas,” und bedeutet “von primärer Bedeutung”

      –Beigetragen von Kerry Geiler, einer Doktorandin im 4. Jahr am Harvard Department of Organismic and Evolutionary Biology