Gentechnik VL:1

Was ist ein Gen?

Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der ein funktionelles Produkt codiert, also ein Protein oder eine funktionelle RNA (z.B. tRNA, rRNA, miRNA).

Welche Bereiche gehören zu einem eukaryotischen Gen dazu?

• Promotor Region: −35 bis +35

• Transkriptionsstart (TSS)

• codierenden Exons und nicht‑codierende Introns

• distales und proximales regulatorische DNA‑Elemente

• startcodon (ATG) und stoppcodon (z.B. TGA)

• Poly(A) Signal

• 5´-UTR (5´-nicht codierungs Bereich)

• 3´-UTR (3´-nicht codierungs Bereich)

Welche Bereiche gehören zu einem prokaryotischen Gen dazu?

• Promotor Region : -35 bis-10 Region

• Transkriptionsstart (TSS)

• Codierender Bereich (CDS / ORF)

• Exons

• startcodon (ATG) und stoppcodon (z.B. TGA)

• 5´-UTR : Enthält oft die Shine‑Dalgarno‑Sequenz

• 3´-UTR

• Terminator‑Sequenz

-Regulationsebenen der Genexpression: DNA-

Was ist ein Promotor?

Der Promotor ist eine DNA‑Region vor dem Transkriptionsstart, an die die RNA‑Polymerase II und generelle Transkriptionsfaktoren (GTFs) binden und die Transkription starten.

Was ist ein Transkriptionsfaktor?

Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, das die Transkription von DNA in RNA reguliert, indem es an spezifische DNA-Sequenzen bindet.

Was sind generelle Transkriptionsfaktoren (GTFs)?

GTFs sind Proteine, die zusammen mit der RNA‑Polymerase II den Präinitiationskomplex am Promotor bilden und die basale Transkriptionsaktivität ermöglichen.

Was sind regulatorische Transkriptionsfaktoren (RTFs)?

RTFs sind Proteine, die an Promotor‑nahe oder distale Elemente (Enhancer/Silencer) binden, und erhöhen als Aktivatoren oder verringern als Repressoren die RNA-Pol II aktivität, dadurch die Transkriptionsrate.

Was sind Enhancer und Silencer?

• Enhancer sind distale regulatorische DNA‑Elemente, an die Aktivator‑Transkriptionsfaktoren binden und die Transkriptionsrate erhöhen.

• Silencer sind ähnliche Elemente, an die Repressoren binden und die Transkription verringern.

Was machen Cofaktoren (Coaktivatoren und Corepressoren)?

• Coaktivatoren verstärken die Transkription, oft durch Chromatin‑Auflockerung (z.B. HATs)

• Corepressoren die Transkription hemmen, oft durch Chromatin‑Verdichtung (z.B. HDACs).

Was macht Mediatorcomplex?

Mediator ist ein großer Coaktivator‑Komplex, der RTFs an Enhancern mit der RNA‑Polymerase‑II und den GTFs am Promotor verbindet und so die Transkriptionsrate steuert.

Was versteht man unter Genexpression?

Genexpression ist der gesamte Prozess von der Transkription eines Gens zu RNA bis zur Bildung des funktionellen Genprodukts (Protein oder RNA), inklusive aller Regulationsschritte.

Nenne drei Gründe, warum Genexpression reguliert werden muss.

1) Gewebsspezifische Expression: verschiedene Zelltypen brauchen unterschiedliche Genprodukte.

2) Zeitliche Regulation: manche Gene werden nur in bestimmten Entwicklungsphasen benötigt.

3) Reaktion auf äußere Signale: z.B. Hormone, Stress, Nährstoffangebot.

Nenne die wichtigsten Regulationsebenen der Genexpression in Eukaryoten.

(3) DNA: TFs, Histonmodifikation, DNA-Methylierung

(4) RNA: Alternatives Spleißen RNA-Editing RNA-Stabilität miRNA

(1) Protein: Proteinmodifikation

-DNA Methylierung und Histonmodifikation-

Was ist Epigenetik?

Epigenetik beschreibt vererbbare Veränderungen der Genexpression, die nicht auf Änderungen der DNA‑Basensequenz beruhen, sondern auf chemischen Modifikationen von DNA und Histonen.

Welche wichtigen Histon‑modifizierenden Enzyme solltest du kennen?

• HATs: Histon‑Acetyltransferasen (Acetylierung)

• HDACs: Histon‑Deacetylasen (Deacetylierung)

• HMTs: Histon‑Methyltransferasen (Methylierung)

• HDMs: Histon‑Demethylasen (Demethylierung)

Welche Histonmarkierungen sind typischerweise mit aktivem Euchromatin verbunden?

• H3K4me3

• H3K9ac

• H3K27ac

Welche Histonmarkierungen sind typisch für inaktives Heterochromatin?

H3K9me3

H3K27me3

Wie führt H3K27me3 zur Inaktivierung von Genen (vereinfacht)?

H3K27me3 wird durch Polycomb‑Komplexe (PRC1 und PRC2) gesetzt, rekrutiert weitere Repressorkomplexe, führt zu dichtem Chromatin, sodass TFs und Pol II nicht mehr binden können.

Was machen die Poylcomb Repressive Complexe PRC1 und PRC2 ganz grob?

• PRC2 methylisiert Histon H3 an Lys27 (H3K27me3) und schaltet Gene ab.

• PRC1 bindet an H3K27me3‑Stellen und ubiquitiniert Histon H2A (H2AK119ub), was das Chromatin weiter verdichtet.

• H3K27me3 kann PRC2 zusätzlich allosterisch aktivieren, sodass noch mehr H3K27me3 entsteht (positiver Feedback‑Kreis).

Was ist DNA‑Methylierung bei Eukaryoten (Ort und Enzyme)?

Ort: In Eukaryoten ist die DNA-Methylierung auf die C5-Position von Cytosin, meist in der Sequenzabfolge 5‘-CpG-3‘ beschränkt

Enzyme:

• DNMT3A und DNMT3B: Neumethylierung von DNA

• DNMT1: Erhaltungsmethylierung von DNA

Wie kann DNA‑Methylierung Transkription hemmen (3 Mechanismen)?

• Durch Störung der Erkennungssequenz für Transkriptionsfaktoren

• Durch Bindung von Repressoren an methylierte Sequenzen. (Zugang der Transkriptionsmaschinerie wird blockiert)

• DNA-Methylierung initiiert die Bildung von Heterochromatin

-Regulationsebenen der Genexpression: RNA-

1:Alternatives Spleißen

Was ist alternatives Spleißen?

Alternatives Spleißen ist die prozessierte Entfernung und Kombination von Exons und Introns auf unterschiedliche Weise, sodass aus einer prä‑mRNA verschiedene mRNA‑Isoformen entstehen.

Warum ist alternatives Spleißen wichtig (drei Punkte)?

• Es erhöht die Proteindiversität eines Organismus.

• Es ist häufig zelltypspezifisch reguliert.

• Es nimmt mit der Komplexität eines Organismus zu; ein Gen kann viele Protein‑Isoformen erzeugen.

Wer bestimmt, welche Spleißvariante entsteht?

Spleißfaktoren (z.B. SR‑Proteine, hnRNPs) binden an exonic oder intronic splicing enhancer/silencer‑Sequenzen und steuern so die Auswahl der Spleißstellen.

2: RNA Editing

Was versteht man unter RNA‑Editing?

RNA‑Editing ist die enzymatische Veränderung einzelner Nukleotide in einer RNA nach der Transkription, wodurch sich die Information der RNA von der DNA‑Vorlage unterscheidet.

Wie funktioniert C‑zu‑U‑Editing beim Apolipoprotein B (ApoB)?

Durch hydrolytische Desaminierung von Cytidin zu Uracil in der mRNA entsteht ein Stoppcodon, sodass ein verkürztes Protein mit anderer Funktion gebildet wird.

3: mRNA‑Stabilität

Warum ist mRNA‑Stabilität wichtig für die Genexpression?

Die Halbwertszeit einer mRNA bestimmt, wie lange sie für die Translation verfügbar ist und damit, wie viel Protein synthetisiert werden kann.

Wie unterscheiden sich stabile und instabile mRNAs typischerweise?

mRNAs von „Haushaltsgenen“ wie Globin sind oft sehr stabil (Halbwertszeiten > Stunden), während mRNAs vieler Transkriptionsfaktoren sehr kurzlebig sind (Halbwertszeiten im Minutenbereich).

Wie können AU‑reiche Elemente (AREs) im 3'‑UTR die mRNA‑Stabilität beeinflussen?

AREs binden spezifische Proteine, die den Poly(A)‑Schwanz abbauen und anschließend den Exonuklease‑vermittelten Abbau der mRNA von 3' oder über Decapping von 5' einleiten.

4: miRNA

Was sind miRNAs?

miRNAs sind etwa 21–24 Nukleotide lange, nicht‑codierende, regulatorische RNAs, die an Ziel‑mRNAs binden und deren Translation hemmen oder deren Abbau fördern.

Wie wird die miRNA-Biogenese reguliert?

1. Transkription

• Transkriptionsfaktoren

2. Prozessierung im Zellkern

• RNA-bindende Enzyme können die Prozessierung der pri-miRNAs blockieren oder stimulieren

3. Prozessierung im Cytoplasma

• Aktivität von Dicer

• Abbau der miRNA durch Anheftung von Poly(U)-Schwanz (let 7-Familie)

Welche Typen von miRNA‑Genen gibt es (Struktur)?

• Intergenische miRNA‑Gene mit eigenem Promotor

• Introns von Protein‑codierenden Genen (intronische miRNAs)

• Selten exonic/intronische Kombinationen.

Welche Schritte der miRNA‑Reifung solltest du nennen können?

• Transkription der pri‑miRNA im Zellkern

• Prozessierung durch Drosha zu pre‑miRNA

• Export der pre‑miRNA ins Cytoplasma

• Spaltung durch Dicer zu einem dsRNA‑Duplex

• Einbau des Leitstrangs in den RISC‑Komplex; der andere Strang wird abgebaut.

Wie hemmen miRNAs die Genexpression (zwei Fälle)?

• Bei vollständiger Komplementarität: Argonaute im RISC spaltet die Ziel‑mRNA, die mRNA wird abgebaut.

• Bei partieller Komplementarität: die Translation wird blockiert, oft kombiniert mit langsamem mRNA‑Abbau.

-Regulationsebenen der Genexpression: Protein-

Was versteht man unter posttranslationaler Proteinmodifikation?

Das sind chemische Veränderungen eines Proteins nach der Translation, wie Phosphorylierung, Acetylierung, Methylierung, Glycosylierung, Proteolyse oder Ubiquitinierung.

Welche Funktionen können posttranslationale Modifikationen haben (drei Beispiele)?

• Änderung der Enzymaktivität oder Proteinfunktion

• Steuerung der subzellulären Lokalisation

• Markierung für den Abbau im Proteasom (z.B. durch Ubiquitinierung).