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Galerie de cartes mentales Kapitel 5 Mindmap der prokaryotischen Genexpressionsregulation
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Kapitel 5 Mindmap der prokaryotischen Genexpressionsregulation
Molekularbiologie Prokaryotische Genexpressionsregulation, einschließlich Genexpressionsmerkmale, Genexpressionsregulationsmerkmale, Regulierung der Transkriptionsebene usw.
Modifié à 2023-11-08 17:37:49
Kapitel 5 Mindmap der prokaryotischen Genexpressionsregulation
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Regulierung der prokaryotischen Genexpression
Genexpressionsmerkmale
Die Genexpression ist zustandsspezifisch
Die Expressionsniveaus vieler Gene (induzierbare und reprimierbare Gene) werden durch den Ernährungszustand und Umweltfaktoren beeinflusst
Die Gentranskription erfolgt meist in Operon-Einheiten
Es besteht aus einem Promotor, einem Operator-Gen und einer Gruppe funktionell verwandter Strukturgene, die von ihm kontrolliert werden.
Die Spezifität der Gentranskription wird durch den σ-Faktor bestimmt
Transkriptions- und Übersetzungskopplung
Merkmale der Genexpressionsregulation
Die Genexpression wird an mehreren Stellen reguliert
Die Transkription (insbesondere die Initiierung und Verlängerung der Transkription) ist das wichtigste Glied bei der Regulierung der Genexpression
Transkriptionsfaktoren sind DNA-bindende Proteine
Zu den Wirkungen von Transkriptionsfaktoren zählen negative und positive Regulation
Negative Regulierung: Repressorprotein
Positive Regulierung: Aktivatorprotein
Prokaryoten sind hauptsächlich auf negative Regulation angewiesen
Es gibt einen koordinierten Regulierungsmechanismus
Es gibt einen Dämpfungskontrollmechanismus
Es gibt einen Notfallkontrollmechanismus
Regulierung auf Transkriptionsebene
Regulierung der RNA-Synthese
Regulierungselemente
Cis-wirkendes Element - DNA
Promoter, Terminator
Promotor: Eine DNA-Sequenz, die von der RNA-Polymerase erkannt, kombiniert und initiiert werden kann, um die Gentranskription zu initiieren.
Terminator: Eine DNA-Sequenz, die der RNA-Polymerase ein Signal zur Beendigung der Transkription gibt.
Operator-Gen
Oft angrenzend an den Promotor oder überlappend mit der Promotorsequenz
ist die Bindungsstelle für Repressorproteine
Das Repressorprotein bindet an das Operatorgen und verhindert so die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor und hemmt so die Transkription von Strukturgenen.
Aktivin-Bindungsstelle
Oft stromaufwärts des Promotors gelegen
ist die Bindungsstelle für Aktivatorproteine
Wenn aktivierende Proteine an diese Stelle binden, verstärken sie die Transkriptionsinitiationsaktivität der RNA-Polymerase.
transaktives Element – regulatorisches Protein
Repressorprotein
Repressor, negativer Regulator
In Kombination mit dem Operator-Gen kann die RNA-Polymerase nicht an den Promotor binden oder nach der Bindung die Transkription nicht initiieren.
Vermittelt negative Regulierung
Aktivatorprotein
Aktivator, positiver Regulator
Bindet an die Bindungsstelle des Aktivatorproteins, um die Transkriptionsinitiationsaktivität der RNA-Polymerase zu erhöhen
Vermittelt positive Regulierung
Effektor
Induktor
Effektor, der die Operon-Expression verursacht
Repressorprotein passivieren→negative regulatorische Induktion
aktivierendes Protein → positive Regulationsinduktion
Corepressor
Effektor, der das Operon ausschaltet
Aktiviertes Repressorprotein → negative regulatorische Repression
Passivierter Aktivator → positive regulatorische Repression
Initiationskontrolle (Promotorkontrolle)
Regulierung der Transkriptionsinitiierung auf Operonebene
Repressor-negatives Regulierungssystem
Induzierbares Operon (Laktose-Operon, Katabolismus)
Bei Laktose ist das vom regulatorischen Gen kodierte Repressorprotein aktiv, bindet an das Operator-Gen und das Gen wird ausgeschaltet.
Ohne Laktose verliert das vom regulatorischen Gen kodierte Repressorprotein seine Aktivität und kann nicht an das manipulierte Gen binden, was zur Genexpression führt
Repressor-Operon (Tryptophan-Operon, Anabolismus)
Ohne trp ist das Repressorprotein inaktiv, kann nicht an das Operator-Gen binden und das Gen ist aktiviert.
Eine große Anzahl von Trp, Trp, bindet an das Repressorprotein und dann an das Operator-Gen, wodurch das Gen ausgeschaltet wird
cAMP-CAP-positives Regulierungssystem
Schlüssel Konzepte
CAP: Katabolisches Genaktivierungsprotein, auch bekannt als CRP (CAMP-Rezeptorprotein), ist ein positiver Regulator, der für einige Promotoren notwendig ist, um die Transkription zu initiieren.
CAP-Site: CAP-Bindungsstelle
cAMP: zyklisches AMP, intrazellulärer Second Messenger, Induktor
Glukoseeffekt: Bakterien nutzen bevorzugt Glukose als Kohlenstoffquelle
Der CAP-cAMP-Komplex fördert die Transkription
Der cAMP-Spiegel steht im umgekehrten Verhältnis zum Glukosespiegel
Kontrolle
Reduzieren Sie die cAMP-Aktivität und CAP ist inaktiv
Nur wenn cAMP-CAP an die CAP-Stelle auf der DNA bindet, kann das Lactose-Operon geöffnet werden und Gene können exprimiert werden.
Glucose hemmt die Adenylylcyclase-Aktivität durch Metaboliten, wodurch der cAMP-Gehalt verringert wird, wodurch CAP nicht in der Lage ist, an DNA zu binden, das Lactose-Operon geschlossen wird, Gene nicht exprimiert werden, der β-Galactosidase-Gehalt niedrig ist und Lactose nicht verwertet wird.
Doppelte Regulierung des Laktoseoperons: Es wird gleichzeitig durch positive und negative Systeme reguliert. Erst wenn cAMP-CAP an die CAP-Bindungsstelle bindet und sich das Repressorprotein vom Operator löst, kann die Expression von Strukturgenen beginnen.
Terminierungsregelung (Dämpfungsregelung)
Die Kopplung von Transkription und Übersetzung ist die Grundlage der Dämpfungsregulierung
Konzept
Abschwächung: Ein negativer Regulierungsmechanismus, der durch einen Abschwächer in der Leaderregion eines Operons erreicht wird und die laufende Transkription stoppt. Kommt nur in Prokaryoten vor
Attenuator: Eine Nukleotidsequenz in der DNA, die zu einem vorzeitigen Abbruch der Transkription führen kann (Region 123–150).
Leader-Peptid: Es handelt sich um ein aus 14 Aminosäuren bestehendes Polypeptid, das zwei Tryptophan-Trp enthält
Kontrolle
Niedrige Tryptophan-Konzentrationen → Weiterlesen
Hohe Tryptophankonzentration → Abschwächung
Mangel an anderen/allen Aminosäuren → Abschwächung
Duale negative Regulation des Tryptophan-Operons: Repressive Regulation und Abschwächungsregulation ergänzen sich
Link: Ersteres wirkt auf den Link zur Transkriptionsinitiierung und letzterer auf den Link zur Transkriptverlängerung.
Signal: Ersteres ist der Tryptophan-Spiegel; letzteres ist der Tryptophanyl-tRNA-Spiegel
Eigenschaften: Ersteres ist effektiv und wirtschaftlich; letzteres ist subtil und schnell
Arabisches Operon
Strukturgene
araBAD
Regulierungselemente
zwei Promoter
araBAD-Promoter araPBAD
araC-Promotor araPC
Vier weitere regulatorische Elemente araO2, araO1, araI1, araI2
Kontrollmechanismus
Keine Arabinose: Das regulatorische Protein bindet an I1 und O2, blockiert die Transkription des Arabinose-Gens und erzeugt eine negative regulatorische Wirkung.
Mit Arabinose: Das regulatorische Protein wird in einen Aktivator umgewandelt, der an I1 und I2 bindet und so die Transkription des Arabinose-Gens aktiviert. Die Initiierung der Transkription erfordert außerdem die gemeinsame Beteiligung von CAMP-CRP. positive Regulierungseffekte hervorrufen
Merkmale
AraC hat zwei Funktionen: Es ist sowohl ein Repressorprotein als auch ein Aktivatorprotein
Kann sowohl negative als auch positive regulatorische Rollen spielen
Auch AraC selbst unterliegt der autologen Regulierung
Strenge Kontrolle
bakterielle Notfallreaktion
auslösende Bedingung
Bei Bakterien kommt es manchmal zu Notfällen wie einem Aminosäuremangel – einem völligen Mangel an Aminosäuren.
Notfallmaßnahmen
Stoppt fast alle biochemischen Reaktionen, die verschiedene RNAs, Zucker, Fette und Proteine produzieren
Kontrollmechanismus
Induktor: leere tRNA
Notsignal: Magic Spot Nucleotide
Mechanismus: Leere tRNA reguliert die Syntheserate von Protein und RNA
Kontrolle der Übersetzungsebene
Auswirkungen der mRNA-Stabilität auf die Translation
Der bakterielle Reproduktionszyklus dauert 20–30 Minuten und erfordert eine schnelle Synthese oder einen schnellen Abbau von mRNA, um sich an Umweltveränderungen anzupassen.
Die meisten bakteriellen mRNAs sind kurzlebig
Die mRNA-Lebensdauer wird durch RNA-bindende Proteine reguliert
5‘Der Einfluss von UTR auf die Übersetzung
SD-Sequenz: eine purinnukleotidreiche Sequenz (9–12 bp) vor dem Startcodon der mRNA
Riboschalter: ein RNA-Strukturelement auf der mRNA, das an freie Metaboliten oder andere kleine Molekülliganden binden kann, um Konformationsänderungen in der mRNA zu verursachen und dadurch die Genexpression zu regulieren.
Homöopathische Regulation: Veränderungen der Selbstform, die durch die Kombination von Aptamerdomäne und kleinen Molekülen verursacht werden
Transregulation: die Veränderung der eigenen Form, die durch die Verbindung mit Antisense-RNA- oder DNA-Fragmenten verursacht wird
Regulatorische Wirkungen von Antisense-RNA
Gene, die transkribiert werden, um Antisense-RNA zu produzieren, werden Antisense-Gene genannt
Diese Art komplementärer RNA, die die Funktion der mRNA beeinträchtigt, wird micRNA oder Antisense-RNA genannt.
Negative Regulation durch Bindung komplementärer RNA-Sequenzen an spezifische Ziel-mRNAs
Auswirkungen seltener Codons auf die Translation
Proteine, die häufiger seltene Codons verwenden, weisen geringere Expressionsraten auf
Proteine, die in Zellen häufiger seltene Codons verwenden, sind meist regulatorische Proteine, während Strukturgene seltener seltene Codons verwenden.
Einfluss überlappender Gene auf die Translation
Überlappende Codes stellen sicher, dass zwei aufeinanderfolgende Gene von demselben Ribosom translatiert werden
Die gekoppelte Translation ist ein wichtiges Mittel, um sicherzustellen, dass zwei Genprodukte mengenmäßig gleich sind
Andere Möglichkeiten zur Steuerung der Übersetzungsstufen
Ribosomaler Frameshift
Ribosomen-Code-Hopping
Ribosomenrettung
Allgemeines Wissen über die Regulierung der Genexpression
Genexpressionskonzept
Typische Genexpression ist der Prozess, bei dem Gene durch Transkription und Translation biologisch aktive Proteine produzieren.
Manche Gene werden nur transkribiert, aber nicht übersetzt. Zur Genexpression gehört auch der Prozess der Transkription und Synthese von RNA aus rRNA- und tRNA-kodierenden Genen.
Genexpressionsmuster
konstitutiver Ausdruck
Definition: Es wird selten durch interne und externe Umweltfaktoren beeinflusst. Es wird nur durch den Promotor und die RNA-Polymerase beeinflusst und kann in jedem Stadium der individuellen Entwicklung kontinuierlich exprimiert werden.
Gen: Housekeeping-Gen
Typ
Einige Genprodukte wie tRNA, rRNA, RNA pol
Enzyme, die am Grundstoffwechsel beteiligt sind
Fast alle Grundbestandteile von Zellen
gewebespezifischer Ausdruck
Definition: Bezieht sich auf eine Art der Genexpression, die aufgrund von Umweltveränderungen zu Veränderungen der Expressionsniveaus neigt.
induzierbarer Ausdruck
Das Phänomen einer erhöhten Genexpression als Reaktion auf Veränderungen der Umweltbedingungen wird als Induktion bezeichnet
induzierbare Gene
hemmender Ausdruck
Das Phänomen einer verringerten Genexpression bei sich ändernden Umweltbedingungen wird als Repression bezeichnet
reprimierbare Gene
kollaborativer Ausdruck
Definition: Unter der Kontrolle eines bestimmten Mechanismus muss eine Gruppe funktionell verwandter Gene koordiniert und gemeinsam exprimiert werden, was als koordinierte Expression bezeichnet wird.
Die Expression prokaryontischer Operons und Regulatoren ist eine koordinierte Expression
Genexpressionsmuster
Zeitspezifität
Definition: Entsprechend den funktionellen Anforderungen erfolgt die Expression eines bestimmten Gens streng in einer bestimmten zeitlichen Abfolge, die als Zeitspezifität der Genexpression bezeichnet wird.
Die Zeitspezifität der Genexpression in mehrzelligen Organismen wird auch als Stadienspezifität bezeichnet
räumliche Spezifität
Definition: Während des gesamten Prozesses des individuellen Wachstums erscheint ein bestimmtes Genprodukt nacheinander in verschiedenen Geweberäumen des Individuums, was als räumliche Spezifität der Genexpression, auch Zell- oder Gewebespezifität genannt, bezeichnet wird.
Regulierung der Genexpression
Definition: Dieselbe genetische Information (gleiche Strukturgene), die in verschiedenen Zellen des Körpers enthalten ist, exprimiert selektiv und programmatisch eine bestimmte Anzahl spezifischer Gene entsprechend unterschiedlichen Entwicklungsstadien, unterschiedlichen Gewebezellen und unterschiedlichen Funktionszuständen des Körpers.
regulatorische Faktoren
DNA-Sequenz
Eiweiß
kleine RNA
Regulierungsmechanismus
Wechselwirkungen zwischen Nukleinsäuremolekülen
Wechselwirkungen zwischen Nukleinsäuren und Proteinmolekülen
Wechselwirkungen zwischen Proteinmolekülen
Regulierungselemente
cis-wirkendes Element
Es kodiert selbst kein Protein, sondern stellt lediglich einen Aktionspunkt für die Interaktion mit transaktiven Faktoren bereit.
Zu den Sequenzen, die in Genflankierungssequenzen vorkommen und die Genexpression beeinflussen können, gehören Promotoren, Enhancer-Regulationssequenzen und induzierbare Elemente. Ihre Rolle besteht darin, an der Regulierung der Genexpression teilzunehmen.
trans-agierendes Element
Proteine, die die Kernsequenzen verschiedener cis-wirkender Elemente direkt oder indirekt erkennen oder daran binden können und so an der Regulierung der Transkriptionseffizienz von Zielgenen beteiligt sind.
Kontrollebene
grundlegender Kontrollpunkt
strukturelle Aktivierung von Genen
Transkriptionsinitiierung
wichtigste Etappe
Posttranskriptionelle Verarbeitung und Transport
Übersetzung und Nachbearbeitung der Übersetzung
biologische Bedeutung
Anpassung an die Umwelt, Aufrechterhaltung von Wachstum und Proliferation (prokaryotisch, eukaryotisch)
Aufrechterhaltung der Ontogenese und Differenzierung (eukaryotisch)