Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten 09:04 min

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Transkript Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten

Hallo, willkommen zum Video über die Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten. Du lernst in diesem Video, wieso es besondere Herausforderungen bei der Regulation des eukaryotischen Genoms gibt. Außerdem lernst du, auf welchen Ebenen die Genregulation ablaufen kann. Voraussetzungen, um das Video optimal zu verstehen, sind Kenntnisse über die Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten. Zudem solltest den Ablauf der Genexpression - also den Prozess vom Gen zum Protein - bereits beherrschen. Die Kontrolle der Genexpression kann bei jedem Schritt auf dem Weg vom Gen zum funktionierenden Protein erfolgen. Die Kontrolle kann bereits mit der Ablesbarkeit eines Gens zusammenhängen, also auf der DNA- Ebene erfolgen. Es gibt Regulationsmechanismen, die bei der Transkription eingreifen. Danach wird die prä-mRNA prozessiert, es erfolgt das Spleißen und die Translation der reifen mRNA in ein Polypeptid. Dieses wird gefaltet und gegebenenfalls modifiziert und bei Bedarf abgebaut. Bei allen diesen Ebenen kann eine Regulation stattfinden. Die Regulation findet vorwiegend bereits auf der Ebene der Transkription statt. Bei Eukaryoten, die ein viel größeres und komplexeres Genom aufweisen als die Prokaryoten, ist der DNA- Proteinkomplex, den man als Chromatin bezeichnet, in verschiedene Überstrukturen gefaltet. Es gibt also, wie du bereits weißt, unterschiedliche Ebenen der DNA- Verpackung. Die Umstrukturierung des Chromatins bestimmt, wie gut die RNA- Polymerase und alle anderen bei der Transkription beteiligten Proteine zugänglich ist. Die Struktur des Chromatins beeinflusst die Verfügbarkeit der Gene für die Transkription. Das heißt: Wenn die DNA dichter verpackt ist, dann kommen die Proteine für die Transkription schwerer an den DNA- Abschnitt dran und er wird nicht abgelesen. Die Ablesbarkeit eines Gens ist abhängig von der DNA- Methylierung und der Histon-Acetylierung. Die Umstrukturierung des Chromatins beeinflusst die Verfügbarkeit der Gene für die Transkription. Dichter verpacktes Chromatin führt zu einem inaktiven Gen. Denn die RNA- Polymerase ist nicht in der Lage, das Gen abzulesen. Unter DNA- Methylierung versteht man das Anhängen von Methylgruppen - also CH3 - an die Basen der DNA. Inaktive DNA ist im Allgemeinen stärker methyliert im Vergleich zur DNA, die aktiv transkribiert wird. Das bedeutet: Die Methylierung der DNA führt zu einem inaktiven Gen. Unter Histon- Acetylierung versteht man das Anheften von Acetylgruppen - also COCH3 - an bestimmte Aminosäuren von Histon- Proteinen. Wenn Histone acetyliert werden, verändert sich die Gestalt, so dass sie locker an der DNA binden. Dadurch haben die Transkriptionsproteine einen erleichterten Zugang zu den Genen in der acetylierten DNA- Region. Das heißt: Acetylierte Histone hängen mit einem aktiven Gen zusammen. Wir kommen jetzt zur Regulation der Genaktivität bei der Transkription: Die Kontrolle der Genaktivität läuft vorwiegend auf der Ebene der Transkription ab. Bei diesem Prozess dockt am Promotor die RNA- Polymerase an. Doch diese benötigt noch andere Proteine, um die Transkription anzufangen. Die sogenannten Transkriptionsfaktoren können entweder mit der DNA oder mit DNA- bindenden Proteinen interagieren. Transkriptionsfaktoren sind also Proteine, die an der Aktivierung der RNA- Polymerase bei der Transkription beteiligt sind. Neben dem Promotor eines Gens gibt es noch andere DNA- Sequenzen, die für die Aktivierung der Transkription von Bedeutung sind. Eine solche DNA- Sequenz wird „Kontrollelement” genannt. Es handelt sich um einen Abschnitt in der nicht codierenden DNA, an dem ein bestimmter Transkriptionsfaktor bindet und die Transkription reguliert. Bei der Transkription binden zusätzlich zu der RNA- Polymerase mehrere Transkriptionsfaktoren, hier abgekürzt mit TF, an der Promotorregion und am Kontrollelement. Durch die Interaktion der Transkriptionsfaktoren, die am Kontrollelement binden und dem RNA- Polymerase- Komplex kann die Transkription reguliert werden. Die sogenannten „Enhancer” führen zu einer erhöhten Transkriptionsrate. Durch die sogenannten „Silencer” wird die Transkriptionsrate gesenkt. Diese Kontrollelemente binden spezifische Transkriptionsfaktoren. Diese können zellspezifisch sein. Das ermöglicht, dass jede Zelle eines vielzelligen Eukaryoten nur einen kleinen Teil ihrer Gene exprimiert. So sind zum Beispiel in Blutzellen, Darmzellen, Neuronen und Muskelzellen unterschiedliche Gene aktiv und bedingen so die unterschiedlichen Erscheinungsformen. Wir kommen jetzt zur posttranskiptionellen Regulation der Genaktivität. „Posttranskriptionell” bedeutet, dass diese Prozesse nach der Transkription stattfinden. Hierzu gehören das alternative Spleißen, die Regulation des mRNA- Abbaus, die Kontrolle der Translation und die Modifikation und der Abbau der Proteine. Eine weitere Form der Regulation der Genaktivität stellt die Genamplifikation dar. Hier werden zur Steigerung der Genexpression mehrere Genkopien erstellt. Bestimmte Zellen benötigen in bestimmten Entwicklungsabschnitten große Mengen eines bestimmten Proteins. Zum Beispiel haben Eizellen einen erhöhten Bedarf an Ribosomen. Um die Anzahl der Ribosomen zu erhöhen, werden also die Gene, die die Ribosomen codieren, vervielfacht. Wir kommen zur Zusammenfassung: Die Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten kann auf allen Ebenen beim Prozess vom Gen zum Protein erfolgen. Du hast gelernt, dass die Regulation bereits auf der Ebene des Chromatins und der DNA erfolgen kann. Hierzu zählen die Histon- Acetylierung und die DNA- Methylierung. Die Regulation der Genaktivität erfolgt vorwiegend auf der Ebene der Transkription. Hierbei sind unterschiedliche Transkriptionsfaktoren beteiligt. Außerdem gibt es bei Eukaryoten sogenannte Kontrollelemente. Du hast die Enhancer und die Silencer kennengelernt. Die Regulation kann auch nach der Transkription, also posttranskriptionell, erfolgen. Wir haben folgende Mechanismen angeschnitten: Das alternative Spleißen, die Regulation des mRNA- Abbaus, die Kontrolle der Translation und Proteinmodifikation und Proteinabbau. Außerdem hast du gelernt, dass es auch die Genamplifikation gibt, bei der mehrere Kopien eines Gens angefertigt werden. Danke für deine Aufmerksamkeit. Tschüs bis zum nächsten Video.

8 Kommentare
  1. Serpil

    Hallo Lucas,
    vielen Dank für deinen Hinweis. Ich habe mir die Aufgabe angeschaut und wenn ich es richtig erkenne, wird genau das Gegenteil behauptet.
    Schreib nochmal, wenn ich falsch liegen sollte.
    Viele Grüße aus der Redaktion

    Von Serpil Kilic, vor mehr als 2 Jahren
  2. Default

    Ein Hinweis: Die Bonusfrage beinhaltet einen Fehler; dort wird behauptet es sei richtig, dass die Methylierung die Transkriptionsrate begünstigt...bitte beheben :)

    Von Lucas Schloemer, vor mehr als 2 Jahren
  3. Serpil

    Hallo Lsousa,
    deine Anmerkung wird keinesfalls als Angriff wahrgenommen. Im Gegenteil: Wir freuen uns sehr über Kritik und Tipps, die uns helfen unsere Videos zu optimieren.
    Viele Videos überschneiden sich thematisch, sodass die Themen in anderen Videos detaillierter erläutert werden. Vielleicht gibt es unter den verlinkten Videos welche, die dir weiterhelfen können.
    Vielen Dank für deinen Kommentar!
    LG

    Von Serpil Kilic, vor fast 4 Jahren
  4. Toothless avatar

    Ich übe nicht gern Kritik an einem aufwändig gemachten Video, aber hier muss es mal sein. In dem Video werden viele Fachbegriffe in sehr schneller Abfolge (was gut ist) aber oft fast ohne Erklärung (was sehr, sehr schlecht ist) aufgezählt. Es wäre wünschenswert, die Zusammenhänge, auslösende Faktoren und genauen Funktionen (z.B. wo genau bindet was wie an? - chemische Erklärung) genauer und ausführlicher zu erläutern. Auch über die "angeschnittenen" Themen wurde eigentlich nicht viel mehr gesagt, als deren Name. Ich bin immer für schnelles und geballtes Lernen, doch hier fehlen wichtige Details. Ich hoffe meine Vorschläge werden als konstruktive Kritik und nicht als Angriff (wie sie nicht gemeint sind) aufgefasst und bedanke mich für die Erstellung dieses Lernfilms.

    Von Lsousa, vor fast 4 Jahren
  5. Nadja

    Schön, dass dir unser Video gefallen hat! Ich nehme an du meinst die Transkriptionsfaktoren? Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die an der Aktivierung der RNA-Polymerase beteiligt sind, sodass diese dann mit der Transkription beginnen kann. Schau dir dazu doch nochmal Minute 4:00 - 4:45 des Videos an. Ich hoffe ich konnte dir weiterhelfen.

    Von Nadja B., vor mehr als 4 Jahren
  1. Default

    Tolles Video! Aber was sind Transkriptionsproteine???

    Von Kaya Jensen, vor mehr als 4 Jahren
  2. Biola

    Ich freue mich, dass dir das Video weitergeholfen hat und über deinen Kommentar!:)

    Von Maja O., vor mehr als 6 Jahren
  3. Default

    Wow...ich bin begeistert.supiiiiiii

    Von Zarif, vor mehr als 6 Jahren
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Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten kannst du es wiederholen und üben.

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

    Tipps

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

    Amplification könnte man mit verstärken übersetzen

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

    Tipps

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

    Lösung

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

  • Beschreibe die Bedeutung der Stabilität der mRNA.

    Tipps

    Bedenke, dass das Exosom mRNAs abbaut.

    Lösung

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

  • Schildere die Regulation der Genexpression.

    Tipps

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

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

    Tipps

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

    Lösung

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

  • Ordne den Schlüsselbegriffen der Transkription eine Funktion zu.

    Tipps

    Regulation erfolgt oft durch Kontrolle...

    Lösung

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