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2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_23 - Biologie

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_23 - Biologie


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Lernziele im Zusammenhang mit 2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_23

  • Schlagen Sie angesichts des zentralen Dogmas eine Begründung für die Notwendigkeit vor, jeden Schritt einschließlich des Abbaus von Biomolekülen zu regulieren.
  • Beschreiben Sie die Rolle sowohl positiver als auch negativer Transkriptionsregulatoren bei der Kontrolle der Genexpression.
  • Zeichnen Sie Modelle, die helfen zu erklären, wie die allosterische Bindung kleiner Moleküle an sowohl positiv als auch negativ wirkende Transkriptionsfaktoren in beiden Fällen ihre Fähigkeit erklären kann, die Transkription in Abhängigkeit von der Konzentration kleiner Moleküle entweder zu „hochdrehen“ oder „herunterzudrehen“.
  • Voraussage anhand von Informationen über die allosterische Regulation eines DNA-bindenden Proteins, welchen Effekt eine Änderung der Konzentration des allosterischen Regulators auf die Bindung eines Transkriptionsfaktors an ein regulatorisches Element haben würde.

Einführung in die Genregulation

Bei der Regulierung geht es um Entscheidungen. Gewebe).

Da das Thema Regulierung sowohl ein tiefes als auch ein breites Studienfach in der Biologie ist, behandeln wir in Bis2a nicht jedes Detail - es sind viel zu viele. Vielmehr versuchen wir, wie wir es bei allen anderen Themen getan haben, uns darauf zu konzentrieren, (a) einige logische Kernkonstrukte und Fragen zu skizzieren, die Sie haben müssen, wenn Sie sich JEDEM Szenario mit Regulierung nähern, (b) einige gängige Vokabeln und allgegenwärtige Mechanismen zu lernen und ( c) Prüfung einiger konkreter Beispiele, die die in a und . gemachten Punkte veranschaulichen

B

.

Genexpression

Einführung

Alle Zellen kontrollieren, wann und wie viel jedes ihrer Gene exprimiert wird. Diese einfache Aussage – eine, die aus der Beobachtung des Zellverhaltens abgeleitet werden könnte – wirft viele Fragen auf, die wir mithilfe unserer Design-Challenge-Rubrik zerlegen können.

Versuch, "Genexpression" zu definieren

Als erstes müssen wir jedoch definieren, was es bedeutet, wenn wir sagen, dass ein Gen "exprimiert" ist. Wenn das Gen ein Protein kodiert, könnte man vernünftigerweise annehmen, dass "Expression" eines Gens bedeutet, wie viel funktionelle Protein die Zelle produziert. Was aber, wenn das Gen kein Protein, sondern eine funktionelle RNA kodiert? In diesem Fall könnte „exprimiert“ bedeuten, wie viel von der funktionellen RNA die Zelle produziert. Eine andere Person könnte vernünftigerweise annehmen, dass sich „Expression“ nur auf den ersten Schritt bei der Erstellung einer Kopie der genomischen Informationen bezieht Vielleicht möchten Sie zählen, wie viele Transkripte in voller Länge erstellt werden. Ist es die Anzahl der Endprodukte, die durch die genomische Information kodiert werden, oder ist es die Anzahl der Reads der Information, die wichtig ist, um "Expression" richtig zu beschreiben. In der Praxis sind wir leider stellen oft fest, dass die Definition vom Kontext der Diskussion abhängt. Denken Sie daran. Um sicherzustellen, dass wir über dasselbe sprechen, versuchen wir in Bis2A, den Begriff "Ausdruck" hauptsächlich zu verwenden, um die Herstellung des/der funktionellen Endprodukt(s) Je nach Einzelfall kann das Endprodukt eine Protein- oder RNA-Spezies sein.

Die Designherausforderung bei der Regulierung der Genexpression

Um diese Diskussion aus einer Design-Challenge-Perspektive voranzutreiben, können wir formal festlegen, dass das „große Problem“, an dem wir interessiert sind, die Regulierung des Proteinreichtums in einer Zelle ist. Problem: Die Zelle muss die Fülle jedes funktionellen Proteins regulieren. Wir können dann damit beginnen, dass wir Teilprobleme stellen:

Nehmen wir uns jedoch einen Moment Zeit, um zunächst ein paar Ideen neu zu laden. Der Prozess der Genexpression erfordert mehrere Schritte, abhängig vom Schicksal des Endprodukts. Bei strukturellen und regulatorischen RNAs (d. h. tRNA, rRNA, snRNA usw.) erfordert der Prozess, dass ein Gen transkribiert wird und dass jede erforderliche posttranskriptionelle Verarbeitung stattfindet. Bei einem proteinkodierenden Gen muss auch das Transkript in Protein übersetzt werden und bei Bedarf müssen auch Modifikationen am Protein vorgenommen werden. Sowohl die Transkription als auch die Translation sind mehrstufige Prozesse, und die meisten dieser Unterschritte sind auch potenzielle Kontrollstellen.

Einige Teilprobleme könnten daher sein:

  1. Es ist vernünftig zu postulieren, dass es einen Mechanismus geben muss(s) um den ersten Schritt dieses mehrstufigen Prozesses zu regulieren, die Initiierung der Transkription (einfach den Anfang machen). Wir könnten also sagen: "Wir brauchen einen Mechanismus, um die Initiation der Transkription zu regulieren." Wir könnten dies auch in eine Frage umwandeln und fragen: "Wie kann die Initiierung der Transkriptionerreicht werden"?
  2. Wir können ähnliche Überlegungen verwenden, um zu sagen: "Wir brauchen einen Mechanismus zur Regulierung des Transkriptionsendes" oder zu fragen "Wie wird die Transkription beendet?"
  3. Mit dieser Konvention können wir sagen: "Wir müssen den Beginn der Übersetzung und den Stopp der Übersetzung regeln".
  4. Wir haben nur über die Synthese von Protein und RNA gesprochen. Es ist auch vernünftig zu sagen: "Wir brauchen einen Mechanismus, um den Abbau von RNA und Protein zu regulieren."

Fokus auf Transkription

In diesem Kurs konzentrieren wir uns in erster Linie darauf, die ersten paar Probleme/Fragen zu untersuchen, die Transkriptionsinitiation und -termination zu regulieren – von der genomischen Information zu einer funktionellen RNA, entweder so wie sie ist (z. B. mit einer funktionellen RNA) oder bereit für die Translation. Dies ermöglicht es uns, einige grundlegende Konzepte zur Regulation der Genexpression zu untersuchen und einige reale Beispiele für diese Konzepte in Aktion zu untersuchen.

Teilprobleme für die Transkription und die Aktivität der RNA-Polymerase

Betrachten wir ein proteinkodierendes Gen und gehen wir eine Logik durch. Wir stellen uns zunächst einen einfachen Fall vor, bei dem ein proteinkodierendes Gen von einem einzigen zusammenhängenden DNA-Abschnitt kodiert wird. Wir wissen, dass zur Transkription dieses Gens eine RNA-Polymerase an den Anfang der kodierenden Region rekrutiert werden muss. Die RNA-Polymerase ist nicht „smart“ an sich. Es muss einen Mechanismus geben, basierend auf chemischer Logik, um die Rekrutierung der RNA-Polymerase an den Anfang des proteinkodierenden Gens zu unterstützen. Auch wenn dieser Prozess reguliert werden soll, muss es einen oder mehrere Mechanismen geben, die bestimmen, wann eine RNA-Polymerase an den Anfang eines Gens rekrutiert werden soll, Wenn es sollte nicht, und/oder wenn es wird an die DNA rekrutiert, ob sie mit der Transkription beginnen soll und wie oft dieser Prozess sollte passieren. Beachten Sie, dass der vorherige Satz mehrere unterschiedliche Teilprobleme/Fragen hat (z. B. wann wird die Polymerase rekrutiert?; Wenn rekrutiert, sollte sie mit der Transkription beginnen?; wenn sie mit der Transkription beginnt, wie oft sollte dieser Prozess wiederholt werden?). Wir können auch vernünftigerweise folgern, dass es einige Mechanismen geben muss, um die Polymerase anzuweisen (mehr Anthropomorphismen), die Transkription zu stoppen. Da die Rolle der Transkription schließlich darin besteht, RNA-Kopien der Genomsegmente zu erstellen, sollten wir auch Probleme/Fragen im Zusammenhang mit anderen Faktoren berücksichtigen, die die Häufigkeit von RNA beeinflussen, wie zum Beispiel Abbaumechanismen. Es muss einige Mechanismen geben, und diese Mechanismen werden wahrscheinlich die Regulierung dieses Prozesses beinhalten.

Ein Schema, das ein proteinkodierendes Gen und einige Fragen oder Probleme zeigt, die wir uns stellen müssen, oder Probleme, für die wir Lösungen kennen müssen, wenn wir verstehen wollen, wie die Regulation des Transkriptionsanteils der Genexpression reguliert wird. Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Aktivierung und Unterdrückung der Transkription

Einige Grundlagen

Betrachten wir ein proteinkodierendes Gen und gehen wir eine Logik durch. Es muss einen Mechanismus geben, der auf chemischer Logik basiert, um die RNA-Polymerase an den Anfang des proteinkodierenden Gens zu rekrutieren. Wenn dieser Prozess reguliert werden soll, muss es einen oder mehrere Mechanismen geben, die bestimmen, wann eine RNA-Polymerase an den Anfang eines Gens rekrutiert werden soll, wann nicht und/oder ob sie an die DNA rekrutiert wird , ob mit der Transkription begonnen werden soll und wie oft dieser Vorgang erfolgen soll. wann wird die Polymerase rekrutiert?, wenn rekrutiert, sollte sie mit der Transkription beginnen?, wenn sie mit der Transkription beginnt, wie oft sollte dieser Prozess wiederholt werden?). Wir können auch vernünftigerweise folgern, dass es einige Mechanismen geben muss, um die Polymerase anzuweisen (mehr Anthropomorphismen), die Transkription zu stoppen.

Rekrutierung von RNA-Polymerase an spezifische Stellen

Um die Transkription zu initiieren, muss die RNA-Polymerase zu einem DNA-Segment nahe dem Beginn einer DNA-Region rekrutiert werden, die für ein funktionelles Transkript kodiert. Die Funktion der bisher beschriebenen RNA-Polymerase besteht jedoch nicht darin, spezifische Sequenzen zu binden, sondern sich entlang eines beliebigen DNA-Segments zu bewegen. Die Rekrutierung der Polymerase an eine bestimmte Stelle scheint daher ihrem üblichen Verhalten zu widersprechen. Um diesen Widerspruch zu erklären, müssen wir uns auf etwas Neues berufen. Entweder kann die Transkription überall beginnen und nur die Ereignisse, die zu einem vollständigen produktiven Transkript führen, tun etwas Nützliches oder etwas anderes als die RNA-Polymerase selbst hilft, das Enzym an den Anfang eines Gens zu rekrutieren. Letzteres ist für uns heute selbstverständlich.

Die Rekrutierung der RNA-Polymerase wird durch Proteine ​​vermittelt, die als allgemeine Transkriptionsfaktoren bezeichnet werden. Bei Bakterien haben sie einen besonderen Namen: Sigma-Faktoren. In Archaeen werden sie TATA-bindendes Protein und Transkriptionsfaktor IIB genannt. Bei Eukaryoten fungieren Verwandte der Archaeenproteine ​​​​mit vielen anderen, um die RNA-Polymerase zu rekrutieren. Die allgemeinen Transkriptionsfaktoren haben mindestens zwei grundlegende Funktionen: (1) Sie können eine spezifische DNA-Sequenz chemisch erkennen und (2) sie können die RNA-Polymerase binden. Zusammen lösen diese beiden Funktionen allgemeiner Transkriptionsfaktoren das Problem der Rekrutierung eines Enzyms, das ansonsten nicht in der Lage ist, eine spezifische DNA-Stelle zu binden. In einigen Texten wird gesagt, dass die allgemeinen Transkriptionsfaktoren (und insbesondere die Sigmafaktor-Varietäten) Teil der RNA-Polymerase sind. Während sie Teil des Komplexes sind, wenn sie helfen, die RNA-Polymerase anzugreifen, setzen sie die RNA-Polymerase nicht fort, nachdem sie mit der Transkription begonnen hat.

Die DNA-Stelle, die eine RNA-Polymerase rekrutiert, hat einen besonderen Namen. Wir nennen es a Promoter. Obwohl die DNA-Sequenzen verschiedener Promotoren nicht genau gleich sein müssen, haben verschiedene Promotorsequenzen typischerweise einige spezielle chemische Eigenschaften gemeinsam. Offensichtlich ist eine Eigenschaft, dass sie mit einer RNA-Polymerase assoziieren können. Außerdem weist der Promotor normalerweise eine DNA-Sequenz auf, die die Dissoziation der doppelsträngigen DNA erleichtert, so dass die Polymerase mit dem Lesen und Transkription der kodierenden Region beginnen kann. (Hinweis: Technisch hätten wir die Eigenschaften des Promoters in Teilprobleme der Designherausforderung aufschlüsseln können. Hier haben wir es übersprungen, aber Sie sollten immer noch in der Lage sein, einen Schritt zurück zu gehen und die Problembeschreibungen und / oder relevanten Fragen zu erstellen, sobald Sie etwas über Promoter erfahren).

In fast allen Fällen, aber insbesondere in eukaryontischen Systemen, kann der Komplex von Proteinen, der sich mit der RNA-Polymerase an Promotoren zusammenfügt (typischerweise Prä-Initiationskomplex genannt), mehrere Dutzend Proteine ​​umfassen. Jedes dieser anderen Proteine ​​hat eine spezifische Funktion, aber das ist für Bis2A viel zu detailliert, um darin einzutauchen.

Ein Modell des E. coli-Präinitiationskomplexes. Der Sigma-Faktor ist rot eingefärbt. Die DNA ist als orangefarbene Röhren und gegenüberliegende Ringstrukturen dargestellt. Der Rest des Präinitiationskomplexes ist rosa gefärbt. Beachten Sie, dass die DNA Bereiche der Doppelhelix und eine offene Struktur innerhalb des PIC aufweist. Namensnennung: Struktur abgeleitet aus PDB-Koordinaten (4YLN) Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Ein abstraktes Modell einer generischen Transkriptionseinheit, wie oben gezeigt, mit der Zugabe eines Promotors und PIC. Zuvor erwähnte Fragen, die in Bis2a wahrscheinlich nicht behandelt werden, sind ausgegraut. Facciotti (eigene Arbeit)

Staaten eines regulierten Promoters

Da Promotoren eine RNA-Polymerase rekrutieren, sind diese Stellen und der Aufbau des Präinitiationskomplexes offensichtliche Stellen für die Regulierung der ersten Schritte der Genexpression. Auf der Ebene der Transkriptionsinitiation klassifizieren wir den Promotor oft in eine von drei Klassen. Wir nennen die ersten konstitutiv. Konstitutive Promotoren werden im Allgemeinen nicht sehr stark reguliert. Ihr Grundzustand ist "ein". Wenn die konstitutive Transkription von einem Promotor sehr hoch ist (im Vergleich zu den meisten anderen Promotoren), werden wir diesen Promotor umgangssprachlich einen "starken konstitutiven" Promotor nennen. Wenn die Transkriptionsmenge von einem konstitutiven Promotor gering ist (im Vergleich zu den meisten anderen Promotoren), nennen wir diesen Promotor einen "schwachen konstitutiven" Promotor.

Eine zweite Möglichkeit, Promotoren durch die Verwendung des Begriffs zu klassifizieren aktiviert oder gleichwertig induziert. Diese austauschbaren Begriffe werden verwendet, um Promotoren zu beschreiben, die gegenüber einem externen Stimulus empfindlich sind und auf diesen Stimulus durch eine Erhöhung der Transkription reagieren. Aktivierte Promotoren haben einen Basenzustand, der wenig bis keine Transkription zeigt. Die Transkription wird dann als Reaktion auf einen Stimulus "aktiviert" - der Stimulus schaltet den Promotor "an".

Der dritte Begriff, der zur Klassifizierung von Promotoren verwendet wird, ist schließlich die Verwendung des Begriffs unterdrückt. Diese Promotoren reagieren auch auf Stimuli, tun dies jedoch durch eine Verringerung der Transkription. Der Grundzustand für diese Promotoren ist ein gewisses Grundniveau der Transkription, und der Stimulus wirkt, um die Transkription zu unterdrücken oder zu unterdrücken. Die Transkription wird als Reaktion auf einen Stimulus „verdrängt“ – der Stimulus schaltet den Promotor „aus“.

Die oben angegebenen Beispiele gingen davon aus, dass ein einzelner Stimulus wirkt, um Promotoren zu regulieren. Obwohl dies der einfachste Fall ist, können viele Promotoren unterschiedliche Informationen integrieren und können abwechselnd durch einige Stimuli aktiviert und durch andere Stimuli unterdrückt werden.


Mögliche NB-Diskussion Punkt

In Bis2A haben Sie anhand einiger Beispiele für Regulationsmechanismen erfahren, wie wichtig es für die Zelle ist, ihre Biologie regulieren zu können. Können Sie vor diesem Hintergrund erklären, warum es von Vorteil ist, noch konstitutive Promotoren zu haben, die in der Regel nicht sehr stark reguliert werden? Welche Arten von Genen würden Ihrer Meinung nach einen starken konstitutiven Promotor haben? Was ist mit einem schwachen konstitutiven Promotor?


Transkriptionsfaktoren helfen, das Verhalten eines Promotors zu regulieren

Wie empfindlich reagieren Promotoren auf externe Reize? Mechanistisch sind sowohl bei der Aktivierung als auch bei der Repression regulatorische Proteine ​​erforderlich, um die Transkriptionsausgabe des beobachteten Gens zu verändern. Die Proteine, die für die Regulierung der Expression verantwortlich sind, werden im Allgemeinen als Transkriptionsfaktoren. Die spezifischen DNA-Sequenzen, die von Transkriptionsfaktoren gebunden werden, werden oft als Operatoren bezeichnet und meistens befinden sich die Operatoren sehr nahe an den Promotorsequenzen.

Hier wird die Nomenklatur möglicherweise verwirrend – insbesondere beim Vergleich der bakteriellen und eukaryotischen Forschung. In

Bakterienforschung

, wenn der Transkriptionsfaktor so wirkt, dass er DNA und die RNA-Polymerase so bindet, dass die Transkription erhöht wird, dann wird er typischerweise als an . bezeichnet Aktivator. Wenn im Gegensatz dazu der Transkriptionsfaktor durch die Bindung von DNA die Transkription des Gens unterdrückt oder verringert, wird er als a . bezeichnet Unterdrücker.

Warum sind die Klassifikationen von Aktivator und Repressor potenziell problematisch? Diese Begriffe beschreiben die Proteine ​​mit idealisierten Einzelfunktionen. Während dies bei einigen Transkriptionsfaktoren zutreffen mag, können in Wirklichkeit andere Transkriptionsfaktoren die Genexpression unter einigen Bedingungen aktivieren, während sie unter anderen Bedingungen reprimieren. Einige Transkriptionsfaktoren modulieren die Expression je nach Kontext entweder nach oben oder nach unten, anstatt die Transkription "aus" oder vollständig "einzuschalten". Um diese Verwirrung zu umgehen, vermeiden einige Ihrer Dozenten die Verwendung der Begriffe Aktivator und Repressor und diskutieren stattdessen lieber die Aktivität der Transkription verschiedener Transkriptionsfaktoren als entweder einen positiven oder einen negativen Einfluss auf die Genexpression in bestimmten Fällen. Wenn wir diese Begriffe verwenden, hören Sie möglicherweise, wie Ihr Lehrer sagt, dass der betreffende Transkriptionsfaktor WIE/ALS ein Repressor WIRKT oder dass er WIE/ALS ein Aktivator WIRKT, wobei Sie darauf achten sollten, ihn nicht einfach als Aktivator oder Repressor zu bezeichnen. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass Sie sagen, dass ein Transkriptionsfaktor die Transkription positiv oder negativ beeinflusst.

VORSICHT: Abhängig von Ihrem Lehrer können Sie einige echte biologische Beispiele für positive und negative Regulierungsmechanismen behandeln. In diesen spezifischen Beispielen werden die üblichen Namen der Transkriptionsfaktoren verwendet – da die Beispiele typischerweise aus der Bakterienliteratur stammen, können die Namen der Transkriptionsfaktoren die Begriffe "Repressor" oder "Aktivator" enthalten. Diese Namen sind Relikte ihrer ersten Entdeckung. Versuchen Sie, mehr Zeit damit zu verbringen, die Logik der Funktionsweise des Systems zu untersuchen, als zu versuchen, alle besonderen Eigenschaften dieses spezifischen Proteins für alle anderen Fälle mit derselben Markierung im Gedächtnis zu speichern. Nur weil wir ein Protein als Repressor bezeichnen, heißt das nicht, dass es in allen Fällen nur als negativer Regulator agiert oder wie im Beispiel mit externen Signalen interagiert.


Mögliche NB-Diskussion Punkt

Welche Arten von Interaktionen finden Ihrer Meinung nach zwischen den Aminosäuren des Transkriptionsfaktors und der Doppelhelix der DNA statt? Wie erkennen Transkriptionsfaktoren ihre Bindungsstelle auf der DNA?


Allosterische Modulatoren regulatorischer Proteine

Die Aktivität vieler Proteine, einschließlich regulatorischer Proteine ​​und verschiedener Transkriptionsfaktoren, kann

Seinallosterischmoduliert

verschiedene Faktoren, einschließlich der relativen Häufigkeit von kleinen Molekülen in der Zelle. Wir bezeichnen diese kleinen Moleküle oft als Induktoren oder co-Unterdrücker

oder

co-Aktivatoren und sind oft Metaboliten wie Lactose oder Tryptophan oder kleine regulatorische Moleküle wie

Lager

oder GTP. Diese Wechselwirkungen ermöglichen es dem TF, auf Umgebungsbedingungen zu reagieren und seine Funktion entsprechend zu modulieren. Es hilft bei der Entscheidung, ob ein Gen in Abhängigkeit von der Häufigkeit des Umweltsignals transkribiert werden soll.

Stellen wir uns einen negativen Transkriptionsregulator vor. Im einfachsten Fall, den wir bisher betrachtet haben, wäre die Transkription eines Gens mit einer Bindungsstelle für diesen Transkriptionsfaktor niedrig, wenn der TF vorhanden ist, und hoch, wenn der TF fehlt. Wir können diesem Modell nun ein kleines Molekül hinzufügen. Hier kann das kleine Molekül den negativen Transkriptionsregulator durch Sätze komplementärer Wasserstoff- und Ionenbindungen binden. In diesem ersten Beispiel betrachten wir den Fall, in dem die Bindung des kleinen Moleküls an den TF eine Konformationsänderung des TF induziert, die seine Fähigkeit, DNA zu binden, stark reduziert. Wenn dies der Fall ist, würde der negative Regulator – einmal durch sein kleines Molekül gebunden – aus der DNA freigesetzt werden. Das würde

damit

den negativen Einfluss lindern und zu einer erhöhten Transkription führen. Diese Regulierungslogik könnte sich in folgendem Szenario entwickelt haben: Ein niedermolekulares Lebensmittel fehlt typischerweise in der Umwelt. Daher Gene, die für Enzyme kodieren, die diese abbauen/verwenden

Essen sollte aufbewahrt werden

die meiste Zeit "aus", um die zelluläre Energie zu erhalten, die ihre Synthese verwenden würde. Ein negativer Regler könnte dies erreichen. Wenn das Lebensmittel in der Umwelt auftaucht, wäre es angebracht, dass die Enzyme, die für seine Verarbeitung verantwortlich sind, zu

ausgedrückt werden

. Das Nahrungsmittel könnte dann wirken, indem es an den negativen Regulator bindet, die Konformation des TF ändert, seine Freisetzung aus der DNA bewirkt und die Transkription der prozessierenden Enzyme aktiviert.

Ein abstraktes Modell einer generischen Transkriptionseinheit, die von einem negativen Regulator reguliert wird, dessen Aktivitätist moduliertdurch ein kleines Molekül (dargestellt durch einen Stern). Hier bewirkt die Bindung des kleinen Moleküls die Freisetzung des TF aus der DNA. Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Wir können ein zweites Modell dafür in Betracht ziehen, wie ein negativ wirkendes TF mit einem kleinen Molekül wechselwirken könnte. Hier kann der TF allein seine regulatorische Stelle nicht an die DNA binden. Wenn jedoch ein kleines Molekül an dieTFes tritt eine Konformationsänderung auf, die DNA-bindende Aminosäuren in die "richtige" Orientierung für die DNA-Bindung umorientiert. Der TF-Small-Molecule-Komplex bindet nun an die DNA und beeinflusst die Transkription negativ.

Ein abstraktes Modell einer generischen Transkriptionseinheit, die von einem negativen Regulator reguliert wird, dessen Aktivitätist moduliertdurch ein kleines Molekül (dargestellt durch einen Stern). Hier bewirkt die Bindung des kleinen Moleküls, dass der TF an die DNA bindet. Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Beachten Sie, wie die Aktivität der TF

moduliert werden

auf deutlich unterschiedliche Weise durch ein kleines Molekül. Abhängig vom Protein kann die Bindung dieses externen Signals entweder die Bindung des TF-Small-Molecule-Komplexes an die DNA bewirken ODER die Bindung des kleinen Moleküls kann die Freisetzung des TF-Small-Molecule-Komplexes von der DNA bewirken. Wir können die gleichen Beispiele für einen positiven Regulator ausarbeiten.

In beiden oben vorgeschlagenen Fällen ist die Bindung eines kleinen Moleküls an ein TF

wird abhängen

davon ab, wie stark der TF mit dem kleinen Molekül wechselwirkt. Dies hängt von der Art und der räumlichen Orientierung der chemischen funktionellen Gruppen des Proteins, ihren Protonierungszuständen (falls zutreffend) und den komplementären funktionellen Gruppen auf dem kleinen Molekül ab. Es sollte daher nicht überraschen, zu erfahren, dass die Bindung des kleinen Moleküls an den TF von verschiedenen Faktoren abhängt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die relativen Konzentrationen des kleinen Moleküls und des TF und des pH-Wertes.

Ist es positive oder negative Regulierung?

Einen gemeinsamen Punkt der Verwirrung lösen

Es ist für viele Bis2a-Studenten keine Seltenheit, dass

sei etwas verwirrt

darüber, wie Sie feststellen können, ob ein Transkriptionsfaktor als positiver oder negativer Regulator fungiert. Diese Verwirrung kommt oft nach einer Diskussion der Modi, mit denen der Stimulus (d. h. ein kleines Molekül) die Aktivität eines Transkriptionsfaktors beeinflussen kann. Dies ist nicht allzu überraschend. In den obigen Beispielen könnte die Bindung eines Effektormoleküls an einen Transkriptionsfaktor eine von zwei verschiedenen Wirkungen haben: (1) Die Bindung des Effektormoleküls könnte die Freisetzung eines DNA-gebundenen Transkriptionsfaktors von seiner Bindungsstelle veranlassen,

deprimierend

einen Promotor und "Einschalten" der Genexpression. (2) die Bindung des Effektormoleküls an den Transkriptionsfaktor könnte den TF veranlassen, an seine DNA-Bindungsstelle zu binden, die Transkription zu unterdrücken und die Genexpression "auszuschalten". Im ersten Fall könnte es so aussehen, als ob die TF

handelt

Expression positiv zu regulieren, während es im zweiten Beispiel so aussehen könnte, als ob die TF negativ wirkt.

In beiden obigen Beispielen ist jedoch der TF

handelt

als negativer Regler. Um dies zu bestimmen, schauen wir uns an, was passiert, wenn der TF DNA bindet (ob ein kleines Molekül

ist gebunden

zum TF oder nicht). In beiden Fällen unterdrückt die Bindung des TF an die DNA die Transkription. Der TF wirkt daher als negativer Regulator. Wir können eine ähnliche Analyse für positiv wirkende TFs durchführen.

Beachten Sie, dass ein TF manchmal als positiver Regulator bei einem Promotor und als negativer Regulator bei einem anderen Promotor fungieren kann, daher ist es oft wichtig, das Verhalten des TF im Einzelfall zu beschreiben (zu viel von dem Namen abzulesen, den es hat

zugewiesen worden

kann manchmal irreführen). Andere TF-Proteine ​​können abhängig von den Bedingungen abwechselnd sowohl als positive als auch als negative Regulatoren desselben Promotors wirken. Auch hier wird das Verhalten der TF für jeden Fall spezifisch beschrieben

wird empfohlen

.

Ein genetischer Test auf positive oder negative regulatorische Funktion eines TF

Wie stellt man fest, ob ein regulatorisches Protein positiv oder negativ funktioniert? Ein einfacher genetischer Test besteht darin, zu fragen: "Was passiert mit der Expression, wenn das regulatorische Protein fehlt?" Das kannerreicht werdendurch Entfernen des kodierenden Gens für den Transkriptionsfaktor aus dem Genom. Wenn ein Transkriptionsfaktor positiv wirkt, dannseine Anwesenheit ist erforderlichTranskription zu aktivieren. In seiner Abwesenheit gibt es kein regulatorisches Protein, daher keine Aktivierung, und das Ergebnis sind niedrigere Transkriptionsniveaus eines Zielgens. Für einen negativ wirkenden Transkriptionsfaktor ist das Gegenteil der Fall. In seinemAbwesenheitAusdruck sollteerhöht werden, weil das Gen, das die Expression niedrig hält, nicht mehr vorhanden ist.

Beendigung der Transkription und des RNA-Abbaus

Termination der Transkription bei Bakterien

Einmal ein Gen

wird transkribiert

, muss die bakterielle Polymerase

belehrt werden

von der DNA-Vorlage zu dissoziieren und das neu gemachte freizusetzen

mRNA

. Abhängig vom zu transkribierenden Gen gibt es zwei Arten von Terminationssignalen. Einer ist

Protein

-basierend

und

der andere ist RNA-basiert. Rho-abhängige Kündigung

ist kontrolliert

bis zum

rho

Protein, das hinter der Polymerase auf dem wachsenden

mRNA

Kette. Gegen Ende des Gens trifft die Polymerase auf eine Reihe von G-Nukleotiden auf der DNA-Matrize und sie bleibt stehen. Infolgedessen ist die

rho

Protein kollidiert mit der Polymerase. Die Interaktion mit Rho setzt die . frei

mRNA

aus der Transkriptionsblase.

Rho-unabhängige Terminierung

ist kontrolliert

durch spezifische Sequenzen im DNA-Matrizenstrang. Wenn sich die Polymerase dem Ende des zu transkribierenden Gens nähert, trifft sie auf eine Region, die reich an C-G-Nukleotiden ist. Die

mRNA

faltet sich in sich selbst zurück, und die komplementären C–G-Nukleotide binden

zusammen

. Das Ergebnis ist ein stabiler Haarnadel Dies führt dazu, dass die Polymerase anhält, sobald sie eine Region transkribiert, die reich an A-T-Nukleotiden ist. Die komplementäre U–A-Region des

mRNA

Transkript bildet nur eine schwache Wechselwirkung mit der Matrizen-DNA. Dies, gekoppelt mit der blockierten Polymerase, induziert genügend Instabilität, damit das Kernenzym abbrechen und das neue freisetzen kann

mRNA

Abschrift.

Termination der Transkription bei Eukaryoten

Die Termination der Transkription ist für die verschiedenen Polymerasen unterschiedlich. Anders als bei Prokaryoten findet bei Eukaryoten eine Elongation durch die RNA-Polymerase II statt1,000–2.000 Nukleotide über das Ende des zu transkribierenden Gens hinaus. Diese Vor-mRNASchwanzwird nachträglich entferntdurch Spaltung währendmRNAwird bearbeitet.Auf der anderen Seite ist RNAPolymerasen I und III erfordern Terminationssignale. Gene, die von RNA-Polymerase I transkribiert werden, enthalten eine spezifische 18-Nukleotid-Sequenz, diewird erkanntdurch ein Terminationsprotein. Der Prozess der Termination in der RNA-Polymerase III umfassteinmRNAHaarnadel ähnlich wierho-unabhängige Termination der Transkription in Prokaryoten.

Abbruch der Transkription in Archaeen

Die Termination der Transkription in den Archaeen ist weit weniger untersucht als in den anderen beiden Lebensbereichen undist immer noch nicht gut verstanden. Während die funktionellen Details wahrscheinlich Mechanismen ähneln, diegesehen wordenin den anderen Domänen vonLebendie Details sind jenseitsder Umfang vondieser Kurs.

Abbau von RNA

Die Lebensdauer verschiedener RNA-Spezies in der Zelle kann dramatisch von Sekunden bis Stunden variieren. Die mittlere Lebensdauer vonmRNAkann je nach Organismus auch stark variieren. Zum Beispiel die durchschnittliche Lebensdauer fürmRNAin E coli ist ~5 Minuten. Die Halbwertszeit vonmRNAin Hefe beträgt ~20 Minuten und 600 Minuten für menschliche Zellen. Ein gewisser Abbau ist "gezielt". Einige Transkripte enthalten eine kurze Sequenz, die auf RNA-abbauende Enzyme abzielt und die Abbaurate beschleunigt. Es braucht nicht viel Fantasie, um zu folgern, dass dieser Prozess auch sein könnteevolutionär gestimmt seinfür verschiedene Gene. Es reicht für Bis2a aus, zu erkennen, dass Abbau – und die Einstellung des Abbaus – auch ein Faktor bei der Kontrolle der Expression eines Gens sein kann.

Tuning-Beendigung

Wie bei allen anderen biologischen Prozessen ist die Termination der Transkription nicht perfekt. Manchmal kann die RNA-Polymerase Terminatorsequenzen lesen und benachbarte Gene transkribieren. Das istinsbesondereDies trifft auf Bakterien- und Archaeengenome zu, wo die Dichte der kodierenden Gene hoch ist. Dieses transkriptionelle Durchlesen kann verschiedene Auswirkungen haben, aber die beiden häufigsten Ergebnisse sind: (1) Wenn die benachbarten Genesind verschlüsseltauf demselben DNA-Strang wie das aktiv transkribierte Gen, die benachbarten Gene können auchtranskribiert werden. (2) Wenndie benachbarten Gene werden transkribiertauf dem gegenüberliegenden Strang der aktiv transkribierten Gene interferiert das Durchlesen der RNA-Polymerase durch Polymerasen, die das benachbarte Gen aktiv transkribieren.Kein Wunder, Biologiehat manchmal Mechanismen entwickelt, die sowohl den Einfluss des Durchlesens minimieren als auch ihn ausnutzen. Daher ist die "Stärke" eines Terminators - und seine Wirksamkeit vonbeendendTranskription in eine bestimmte Richtung - sind von der Natur "gestimmt" und "Gebraucht" (beachte den Anthropomorphismus in Anführungszeichen), um die Expression von Genen zu regulieren.

Ein abstraktes Modell einer vollständigen grundlegenden Transkriptionseinheit und der verschiedenen "Teile", die auf der DNA kodiert sind und die Expression des Gens beeinflussen können. Wir erwarten von den Studierenden in Bis2A bisin der Lage seineine ähnliche konzeptionelle Figur aus dem Gedächtnis nachbilden. Namensnennung:Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Zusammenfassung der Genregulation

Im vorhergehenden Text haben wir verschiedene Möglichkeiten untersucht, einige Designherausforderungen zu lösen, die mit der Regulierung der Menge antranskriptdasgeschaffenfür eine einzelne kodierende Region des Genoms. Wir haben uns abstrakt einige Prozesse angeschaut, die für die Kontrolle der Transkriptionsinitiation verantwortlich sind, wie diesegemacht seinempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen undsehrkurz auf die Prozesse, diekündigenTranskription und handhaben den aktiven Abbau von RNA. Wir haben auch diskutiert, wie die Natur jeden dieser Prozesse quantitativ so einstellen kann, dass er "stärker" oder "schwächer" wirdund dass diese Abstimmung der "Stärke" (z. B. Promotorstärke, Abbauraten usw.)Beeinflussendas Verhalten des Gesamtprozesses auf potenziell funktionswichtige Weise.