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15.2C: Elongation und Termination in Prokaryoten - Biologie

15.2C: Elongation und Termination in Prokaryoten - Biologie


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Die Transkriptionselongation beginnt mit der Freisetzung der Polymerase σ-Untereinheit und endet über das Rho-Protein oder über eine stabile Haarnadel.

Lernziele

  • Erklären Sie den Prozess der Elongation und Termination bei Prokaryoten

Wichtige Punkte

  • Die Transkriptionselongationsphase beginnt mit der Dissoziation der σ-Untereinheit, die es dem Kern-RNA-Polymerase-Enzym ermöglicht, entlang der DNA-Matrize fortzuschreiten.
  • Die Rho-abhängige Termination wird dadurch verursacht, dass das Rho-Protein mit der blockierten Polymerase an einem Abschnitt von G-Nukleotiden auf der DNA-Matrize nahe dem Ende des Gens kollidiert.
  • Die Rho-unabhängige Termination wird verursacht, dass die Polymerase an einer stabilen Haarnadelkurve anhält, die durch eine Region komplementärer C-G-Nukleotide am Ende der mRNA gebildet wird.

Schlüsselbegriffe

  • Verlängerung: die Anlagerung von Nukleotiden am 3′-Ende einer wachsenden RNA-Kette während der Transkription

Dehnung bei Prokaryoten

Die Transkriptionselongationsphase beginnt mit der Freisetzung der σ-Untereinheit aus der Polymerase. Die Dissoziation von σ ermöglicht es dem Kern-RNA-Polymerase-Enzym, entlang der DNA-Matrize fortzuschreiten, wobei mRNA in 5'-zu 3'-Richtung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 Nukleotiden pro Sekunde synthetisiert wird. Mit fortschreitender Elongation wird die DNA vor dem Kernenzym kontinuierlich abgewickelt und dahinter wieder aufgewickelt. Da die Basenpaarung zwischen DNA und RNA nicht stabil genug ist, um die Stabilität der mRNA-Synthesekomponenten aufrechtzuerhalten, fungiert die RNA-Polymerase als stabiler Linker zwischen der DNA-Matrize und den naszierenden RNA-Strängen, um sicherzustellen, dass die Elongation nicht vorzeitig unterbrochen wird.

Kündigung bei Prokaryoten

Sobald ein Gen transkribiert ist, muss die prokaryontische Polymerase angewiesen werden, von der DNA-Matrize zu dissoziieren und die neu hergestellte mRNA freizusetzen. Abhängig vom zu transkribierenden Gen gibt es zwei Arten von Terminationssignalen: eines ist proteinbasiert und das andere ist RNA-basiert.

Die Rho-abhängige Termination wird durch das Rho-Protein kontrolliert, das hinter der Polymerase auf der wachsenden mRNA-Kette folgt. Gegen Ende des Gens trifft die Polymerase auf eine Reihe von G-Nukleotiden auf der DNA-Matrize und sie bleibt stehen. Dadurch kollidiert das Rho-Protein mit der Polymerase. Die Interaktion mit Rho setzt die mRNA aus der Transkriptionsblase frei.

Die Rho-unabhängige Termination wird durch spezifische Sequenzen im DNA-Matrizenstrang kontrolliert. 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 aneinander. Das Ergebnis ist eine stabile Haarnadelkurve, die die Polymerase zum Stillstand bringt, sobald sie beginnt, eine Region reich an A–T-Nukleotiden zu transkribieren. Die komplementäre U–A-Region des mRNA-Transkripts bildet nur eine schwache Wechselwirkung mit der Template-DNA. Dies, gekoppelt mit der blockierten Polymerase, induziert genügend Instabilität, damit das Kernenzym abbrechen und das neue mRNA-Transkript freisetzen kann.

Nach Beendigung ist der Transkriptionsprozess abgeschlossen. Zum Zeitpunkt der Termination wäre das prokaryontische Transkript bereits verwendet worden, um mit der Synthese zahlreicher Kopien des kodierten Proteins zu beginnen, da diese Prozesse gleichzeitig im Zytoplasma ablaufen können. Die Vereinheitlichung von Transkription, Translation und sogar mRNA-Abbau ist möglich, weil alle diese Prozesse in der gleichen 5'-zu-3'-Richtung ablaufen und weil es in der prokaryontischen Zelle keine membranöse Kompartimentierung gibt. Im Gegensatz dazu verhindert das Vorhandensein eines Kerns in eukaryontischen Zellen die gleichzeitige Transkription und Translation.


23.2 – Prokaryotische Transkription

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Listen Sie die verschiedenen Schritte der prokaryotischen Transkription auf
  • Diskutieren Sie die Rolle von Promotoren bei der prokaryotischen Transkription
  • Beschreiben Sie, wie und wann die Transkription beendet wird

Die Prokaryoten, zu denen Bakterien und Archaea gehören, sind meist einzellige Organismen, denen per Definition membrangebundene Kerne und andere Organellen fehlen. Ein bakterielles Chromosom ist ein geschlossener Kreis, der im Gegensatz zu eukaryotischen Chromosomen nicht um Histonproteine ​​herum organisiert ist. Die zentrale Region der Zelle, in der sich prokaryontische DNA befindet, wird als nukleoide Region bezeichnet. Darüber hinaus haben Prokaryonten häufig reichlich Plasmide, die kürzere, zirkuläre DNA-Moleküle sind, die möglicherweise nur ein oder wenige Gene enthalten. Plasmide können bei der Zellteilung unabhängig vom bakteriellen Chromosom übertragen werden und tragen oft Merkmale, wie sie bei Antibiotikaresistenzen auftreten.

Die Transkription in Prokaryoten (und in Eukaryoten) erfordert, dass sich die DNA-Doppelhelix im Bereich der mRNA-Synthese teilweise entwindet. Der Abwickelbereich wird als Transkriptionsblase bezeichnet. Die Transkription geht für jedes Gen immer vom gleichen DNA-Strang aus, der als Template-Strang bezeichnet wird. Das mRNA-Produkt ist komplementär zum Matrizenstrang und fast identisch mit dem anderen DNA-Strang, der als Nicht-Matrizenstrang oder kodierender Strang bezeichnet wird. Der einzige Nukleotidunterschied besteht darin, dass in mRNA alle T-Nukleotide durch U-Nukleotide ersetzt sind ((Abbildung)). In einer RNA-Doppelhelix kann A U über zwei Wasserstoffbrücken binden, genau wie bei der A-T-Paarung in einer DNA-Doppelhelix.


Das Nukleotidpaar in der DNA-Doppelhelix, das der Stelle entspricht, von der das erste 5′ mRNA-Nukleotid transkribiert wird, wird als +1-Stelle oder Initiationsstelle bezeichnet. Nukleotide, die der Initiationsstelle vorangehen, sind mit einem „-“ gekennzeichnet und werden mit bezeichnet Upstream-Nukleotide. Umgekehrt werden Nukleotide, die der Initiationsstelle folgen, mit „+“-Nummerierung bezeichnet und als bezeichnet nachgeschaltete Nukleotide.


Dehnung bei Prokaryoten

Die Transkriptionselongationsphase beginnt mit der Freisetzung der σ-Untereinheit aus der Polymerase. Die Dissoziation von ermöglicht es dem Kern-RNA-Polymerase-Enzym, entlang der DNA-Matrize fortzuschreiten, wobei mRNA in der 5'- zu 3'-Richtung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 Nukleotiden pro Sekunde synthetisiert wird. Bei fortschreitender Elongation wird die DNA kontinuierlich vor dem Kernenzym abgewickelt und dahinter wieder aufgewickelt . Da die Basenpaarung zwischen DNA und RNA nicht stabil genug ist, um die Stabilität der mRNA-Synthesekomponenten aufrechtzuerhalten, fungiert die RNA-Polymerase als stabiler Linker zwischen der DNA-Matrize und den naszierenden RNA-Strängen, um sicherzustellen, dass die Elongation nicht vorzeitig unterbrochen wird.


Phasen der DNA-Replikation (mit Diagramm) | Prokaryoten

Die Replikationsinitiation in E. coli erfordert 6 Proteine, nämlich DnaA, DnaB, DnaC, HU, Gyrase und SSBP (einzelsträngige Bindungsproteine). Zuerst binden 2-4 DnaA-Moleküle an oriC, was zur Faltung der Oric-Ursprungs-DNA um das DnaA-Aggregat führt. Als Ergebnis induziert DnaA nun das Schmelzen bei OricC. Nun bindet ein Aggregat mit je 6 Molekülen DnaB und DnaC an jede der drei separaten einzelsträngigen Regionen, die von DnaA produziert werden.

Das Aggregat verdrängt schließlich DnaA, und DnaC lädt das DnaB-Hexamer an den beiden durch Schmelzen erzeugten Gabeln. DnaB fungiert als Helikase und beginnt, die DNA abzuwickeln. Gyrase erleichtert das Abwickeln durch Helicase, da es einen Wirbel bietet. SSBP binden an die so hergestellten einzelsträngigen Regionen und stabilisieren sie. Die Initiierung der Replikation erfordert im Allgemeinen

60 bp ungewickelter DNA, und der Prozess verbraucht ATP. An jede der beiden Gabeln, die durch Abwickeln am Ursprung entstehen, bindet jeweils ein DnaB-Hexamer (Abb. 28.10).

Sobald eine Replikationsgabel erzeugt wurde, assembliert das Primosom am Ursprung und initiiert die Primersynthese, die als Priming bezeichnet wird. Das Priming erfolgt nur einmal und am Ursprung für die Replikation des Leitstrangs. Aber für die Replikation des nacheilenden Strangs erfolgt das Priming wiederholt in Intervallen von 1000 bis 2000 Basen.

Die Priming-Reaktion bei oriC ist ziemlich einfach, das Primosom besteht aus einem einzigen Protein, DnaG. DnaG muss von DnaB aktiviert werden. DnaB dient auch als Helikase, während DnaG die Primersynthese durchführt, werden normalerweise Primer von 15-50 Basen synthetisiert.

Die Replikationsgabel verläuft in Richtung 5’→3′ in Bezug auf den nacheilenden Strang. Die Replikationsgabel rückt vor und erzeugt eine einzelsträngige Region des nachlaufenden Strangs, der an SSBP vor dem Primosom gebunden ist. Das Primosom bewegt sich entlang dieser einzelsträngigen Region. Wenn das Primosom eine Stelle erreicht, an der ein Priming erfolgen kann, synthetisiert es einen RNA-Primer. Dieser Primer fördert die Synthese eines neuen Okazaki-Fragments (Abb. 28.11).

Energie aus ATP wird benötigt während:

(2) Freigabe von DnaB an den Gabeln durch DnaC,

(3) Helikasewirkung von DnaB,

(4) Schwenkwirkung der DNA-Gyrase,

(5) Aktivierung von Primase DnaG durch DnaB und

(6) Aktivierung der DNA-Polymerase III, um die Replikation zu beginnen.

Phase # 2. Primer-Elangierung (DNA-Replikation):

Sobald der Primer synthetisiert wurde, wird die DNA-Synthese vom Replisom aufgenommen, einem Komplex von Proteinen. In E. coli wird die DNA-Replikationsaktivität durch die DNA-Polymerase III-Komponente des Replisoms bereitgestellt.

10 Moleküle DNA-Polymerase III Die meisten dieser Moleküle sind mit Replikationsgabeln assoziiert. Das vollständige Enzym, Holoenzym, Molekül hat die folgenden Untereinheiten α2,2,2 ϒ, χ, ψ, δ, δ’, τ 2, β4 (Abb. 28.12).

Das Enzym wird an der Replikationsgabel wie folgt aufgebaut:

1. Zuerst erkennen der γ-δ-Komplex (Untereinheiten γ δ δ’ Χ ψ) oder „Clamp Loader’ und ein Paar β-Untereinheiten (die ‘clamp’) die grundierte Schablone und binden daran.

2. Sie heften sich nun an einen katalytischen Kern (∝ θ ԑ Untereinheiten).

3. Untereinheit τ schließt sich nun dem Komplex an. Es bringt zwei weitere β-Untereinheiten und einen weiteren katalytischen Kern in den Komplex ein. Dies erzeugt ein DNA-Polymerase III-Holoenzym.

Nach einem Modell funktioniert ein einzelnes Holo-Enzym-Molekül an einer Replikationsgabel. Jedes Holoenzymmolekül hat 2 katalytische Kerne, ein katalytischer Kern katalysiert die Replikation des Leitstrangs, während der andere die des nacheilenden Strangs katalysiert (Abb. 28.13).

Im Fall des Leitstrangs verlängert der katalytische Kern den Primer jeweils um Nukleotid. DnaB wickelt nach und nach den Duplex ab und die Replikationsgabel bewegt sich weiter.

Die Replikation des verzögerten Strangs beginnt irgendwann später. Wenn DnaB, das mit der fortschreitenden Gabelung verbunden ist, eine zum Priming geeignete Stelle erreicht, aktiviert es DnaG, um einen Primer in der normalen 5′ → 3′-Richtung zu synthetisieren, d. h. sich von der Gabelung zum Ursprung zu bewegen. Wenn der Primer 10-14 Basen lang wird, beginnt der andere katalytische Kern, diesen Primer in Richtung 5’→3′ zu verlängern.

Der nacheilende Strang wird im Prozess der Replikation vom Replisom nach oben gezogen und bildet daher eine zunehmend größere Schleife zwischen der Gabel und dem Replisom (Abb. 28.13).

Wenn das Replisom das 5′-Ende des Primers des vorherigen Okazaki-Fragments erreicht, stoppt es die Replikation und dissoziiert vom nacheilenden Strang. Unterdessen macht DNAB mit der Replikationsgabel weiter. Wenn es die geeignete Stelle erreicht, induziert es erneut die Primersynthese durch DnaG und die oben beschriebenen Ereignisse finden erneut statt.

In Eukaryoten werden zwei verschiedene Enzyme verwendet, um den führenden und den nacheilenden Strang zu replizieren. Der führende Strang wird durch die DNA-Polymerase repliziert, während die Replikation des nachlaufenden Strangs durch die DNA-Polymerase ԑ erfolgt. Die Primase-Aktivität ist auf die DNA-Polymerase α zurückzuführen, die sowohl die führenden als auch die nacheilenden Stränge primt. Es beginnt auch mit diesem Primer DNA zu synthetisieren, wird aber bald durch die DNA-Polymerase δ (im Fall des führenden Strangs) und ԑ (im Fall des nacheilenden Strangs) ersetzt.

Phase # 3. Beendigung der DNA-Replikation:

In E. coli wird die Termination durch spezifische Sequenzen signalisiert, die als ter-Elemente bezeichnet werden und als Bindungsstelle für das Protein Tus dienen. Das Tus-Protein bindet an das ter-Element und hindert DnaB daran, die DNA abzuwickeln.

Dies stoppt die Bewegung der Replikationsgabel. Der führende Strang wird bis zum ter-Element repliziert, während die Replikation des nacheilenden Strangs 50-100 bp vor dem ter-Element gestoppt wird. Es ist von Bedeutung, dass das Tus-Protein in der Lage ist, die Gabelbewegung nur in eine Richtung zu stoppen.


DNA-Replikation: Eukaryotische Elongation und Termination.

Wir haben im letzten Beitrag über die Initiation in den eukaryotischen Zellen gesprochen. Lassen Sie uns in diesem Beitrag einen Blick auf die Verlängerung und der Beendigung bei der eukaryotischen DNA-Replikation.

Während der Initiation bindet und entwickelt ein Repertoire von Proteinen die DNA an der Ursprung. Zu diesem Proteinkomplex die Polymerases geladen sind. Die Polymerasen arbeiten zusammen mit anderen Proteinen für die Verlängerung der Tochterstränge.

(Nur zur Info: Lesen Sie mehr über die eukaryotischen Ursprünge im Artikel mit dem Titel ‘Making Sense of Eukaryotic DNA Replication Origins‘.)

Verlängerung:

Die erste Polymerase, die die DNA-Synthese initiiert, ist die DNA-Polymerase α, die in der Form existiert DNA-Polymerase-α-Primase-Komplex. Die Primase-Untereinheit synthetisiert die RNA-Primer (ca. 7-12 Nukleotide), die dann auf die Polymerase-Domäne und mit DNA-Basen (ca. 20-25 Nukleotide) verlängert. Replikationsfaktor C (RFC) initiiert eine Reaktion namens Polymerase-Switching. Die DNA-Stränge werden dann durch andere Polymerasen verlängert, nämlich die DNA-Polymerase und DNA-Polymerase.

Leitstrangsynthese:

Abb. 1: Synthese von führendem oder kontinuierlichem Strang.

Wenn DNA pol α die Synthese des RNA-Primers und das Hinzufügen von DNA-Basen abschließt, RFC verursacht die Dissoziation von DNA pol α und assembliert proliferierendes Zellkernantigen (PCNA) im Bereich des Primerterminus. PCNA ist ein DNA-Klemme für DNA-Polymerasen.

Pol ε wurde als die wichtigste führende Strangsynthese-Polymerase (in Saccharomyces cerevisiae). Im Leitstrang ist die Replikation kontinuierlich und der Primer wird nur einmal synthetisiert und die Verlängerung durchgeführt (Abb. 1).

Nachlaufende Strangsynthese:

Abb. 2: Synthese eines verzögerten oder diskontinuierlichen Strangs mit einer Reihe von Okazaki-Fragmenten.

Polymerasen ist die wichtigste Polymerase bei der Synthese von Lagging-Strands. Die Replikation in den nacheilenden Strängen ist diskontinuierlich und erfolgt unter Bildung mehrerer Okazaki Fragmente (Abb. 2).

Okazaki-Fragmente (Abb. 3), die in Eukaryoten während der Lagging-Strand-Synthese erzeugt werden, sind etwa 200 Basen (Prokaryoten, etwa 2000 Basen) lang. Da mehrere Okazaki-Fragmente hergestellt werden, Polymerase-Switching bei der Synthese von Okazaki-Fragmenten von größerer Bedeutung.

Daher besteht ein Okazaki-Fragment aus RNA-Nukleotiden (7-10 Nukleotide), dann werden etwa 10-20 Nukleotide von DNA-Basen durch das . hinzugefügt DNA-Pol α. Danach ist die RFC bewirkt ein Polymerase-Switching und die Desoxyribonukleotide werden durch DNA pol δ gehalten von der PCNA, das Rutschen Klemme (siehe Abbildung unten). DNA pol dissoziiert nach der Synthese des gesamten DNA-Abschnitts, da es sich dem vorherigen RNA-Primer annähert.

(Nur zur Info: Erfahren Sie mehr über PCNA)

Die an der Replikation beteiligten Proteine, insbesondere PCNA (Boehm et al., 2016).

RNA-Primer werden entfernt durch RNase H1, so dass ein Ribonukleotid noch an den DNA-Teil (3′ -Ende) des Okazaki-Fragments gebunden bleibt. Dieses weggelassene Ribonukleotid wird dann entfernt durch Lappenendonuklease 1 (FEN 1). Polymerase füllt dann die Lücken, die zwischen Okazaki-Fragmenten nach der Primer-Entfernung gebildet wurden. Die nick zwischen dem Okazaki-Fragment und dem nachlaufenden Strang gebildet werden durch DNA-Ligase I, wodurch ein einzelner nacheilender Strang gebildet wird.

Abb. 4: Entfernung des RNA-Primers und Verknüpfung einzelner Okazaki-Fragmente.

Nukleosom-Assembly:

Während der Elongation findet auch entlang der DNA eine kontinuierliche Demontage als Reassemblierung der Nukleosomenverpackung statt. Wie wir wissen, ist eines der Merkmale der eukaryotischen DNA, dass sie in Form von hochkompakten Strukturen verpackt ist, die als bezeichnet werden Chromosomen. Es beinhaltet das Wickeln der negativ geladenen DNA um die basischen Proteine, genannt Histone um Strukturen namens . zu bilden Nukleosomen (Abb. unten). Jedes Nukleosom besteht aus 8 histon Proteine, jeweils zwei H2A, H2B, H3 und H4. Histon H1 bildet die Linker zwischen zwei Nukleosomen.

Die Nukleosomen.

Bei der Replikation werden zwei Nukleosomen vor der Replikationsgabel, also nicht replizierte DNA, zu destabilisiert. Daher führt die Bewegung der Replikationsgabel dazu, dass die DNA-Verpackung desorganisiert wird, damit die Replikationsproteine ​​mit der DNA interagieren können.

In dem replizierter Teil, waren die führenden und nacheilenden Stränge bis etwa 225 bp bzw. 285 bp nukleosomenfrei. Dieser Region folgend wurde die DNA mit Histon-Octomer verpackt, aber einigen fehlte Histon H1. Nach etwa 450 bp bis 650 bp von der Replikationsgabel wurden vollständige Nukleosomen mit H1 in den Tochtersträngen nachgewiesen. Daher gibt es schrittweise Montage der Tochterstränge zu einem vollständigen Nukleosom.

Die elterlichen Nukleosomen dissoziieren und binden zufällig die Tochter-DNA-Stränge, so dass jeder Strang halb des elterliche Nukleosomen. Die restlichen Nukleosomkomponenten, die für die Verpackung der beiden Tochterstränge benötigt werden, werden synthetisiert de novo und auf die Tochterstränge montiert.

Beendigung:

Nach erfolgreicher Elongation muss die Replikation beendet werden, um zwei separate Kopien der DNA zu erhalten.

Mit zwei benachbarten Replikationsgabeln:

Da die eukaryotische Zelle eine große Anzahl von Ursprünge, beinhaltet die Beendigung das Zusammenführen von zwei benachbarten Replikationsgabeln. Dies umfasst vier verschiedene Schritte:

– Auflösung:

Die DNA-Strecke zwischen den beiden benachbarten Gabeln (Abb. 5.a) ist abgewickelt (Abb. 5.b) und der herannahende CMGs aneinander vorbeigehen (Abb. 5.c). Das letzte Okazaki-Fragment wird von DNA pol δ und FEN1 verarbeitet (Abb. 5.d).

Die Lücken in den Tochtersträngen (wie in normalen Okazaki-Fragmenten) werden aufgefüllt und zwei sich entgegengesetzt nähernde synthetisierte Stränge werden ligiert.

– Dissoziation von Replisom:

Der Replisomenkomplex zerlegt nach der Konvergenz der beiden Replikationsgabeln. Dieser Prozess beinhaltet eine terminationsspezifische Polyubiquitylierung von Mcm7 und dem p97/VCP/Cdc48 trennen (Abb. 5.e).

– Dekatenation:

Wenn es irgendwelche Verflechtungen in den Tochter-DNA-Strängen gibt oder Catenane, sie werden entfernt mit Topoisomerase II Trennung der beiden Stränge.

Abb. 5: Termination beinhaltet das Zusammenführen der beiden benachbarten Forks (Dewar & Walter, 2017).

Mit den Enden der Chromosomen:

Bekanntlich ist die DNA in eukaryontischen Chromosomen a linear -Molekül beinhaltet die Termination in eukaryotischer DNA auch die vollständige Replikation an der endet von Chromosomen bekannt als Telomere (Abb. 6).

Abb. 6: Telomere bilden das schützende Ende der eukaryontischen linearen DNA (Aulinas, 2013).

Bei der Synthese von Okazaki-Fragmenten RNA-Primer zur Verfügung stellen 3′-OH Gruppe für die Replikation von 5′ bis 3′. Bei der Entfernung des RNA-Primers aus dem nacheilender Strang Bei der Chromosomenende, das ende bleibt nicht repliziert und der neu synthetisierte Strang ist verkürzt (Abb. 7).

Abb. 7: Verkürzung der Chromosomenenden.

Diese Verkürzung des Chromosoms wird durch das Vorhandensein spezieller Wiederholungen von Sequenzen namens . verhindert Telomere (und Telomer-assoziierte Proteine) an den Enden der DNA in Chromosomen enthalten. Für z.B. menschliche Chromosomen werden durch Telomere mit wiederholten Sequenzen von (TTAGGG)n von etwa 15–20 kb bei der Geburt geschützt. Diese Strukturen schützen die Enden der Chromosomen davor, fälschlicherweise als DNA-Doppelstrangbrüche (DSB).

Im Normalfall somatische Zellen, die telomere Region der eukaryontischen Chromosomen ist verkürzt mit jeder Runde der DNA-Replikation. Nach einer bestimmten Anzahl von DNA-Replikationen und damit Zellteilungen werden die Telomere soweit verkürzt, dass es zu replikativen Zellen kommt Altern oder Apoptose.

(Nur zur Info: Lesen Sie bitte über den Nobelpreis, der einer Arbeit über Telomere verliehen wurde.)

Allerdings in Keimbahn und Krebszellen, ein Enzym namens Telomerase, verlängert die Enden der Chromosomen, insbesondere das 5'-Ende der nacheilenden Stränge. Die Fähigkeit, die Länge der Telomere beizubehalten, macht diese Zellen unsterblich.

Telomerase ist ein umgekehrte Transkriptase das hat a RNA Vorlage, bekannt als Template-kodierendes RNA-Molekül (TER) zur Verlängerung der telomeren DNA (Abb. 8). Das Grundlegende Protein Bestandteil der Telomerase ist bekannt als TERT (Telomerase Reverse Transkriptase).

Beim Menschen hat die RNA-Vorlage die Sequenz AUCCCAAUC. Das neu synthetisierte telomere DNA-Wiederholungen werden dem Überhang hinzugefügt eindrähtig 3′ Ende der DNA (Abb. 8).

Abb. 8: Synthese telomerer DNA-Wiederholungen durch Telomerase (Verhoeven et al, 2014).

(Nur zur Info: Besuchen Sie die Animation zur Aktion von Telomerase und vieles mehr.)

Nachdem die Strangverlängerung am 3'-Ende durch die Telomerase abgeschlossen ist, vervollständigen DNA-Pol-α und DNA-Ligase die DNA-Strangsynthese.

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Lesen Sie mehr Beiträge von The Biotech Notes:

Bambaraet al. (1997)Enzyme und Reaktionen an der eukaryotischen DNA-Replikationsgabel. J. Biol.Chem. 272(8):4647-50.

Abmayr und Workman (2012) Festhalten durch DNA-Replikation: Histon-Modifikation oder Modifikator? Zelle. 150(5):875-7.

Verhoeven et al (2014). Zelluläre Alterung bei Depressionen: Permanente Prägung oder reversibler Prozess?: Ein Überblick über die aktuelle Evidenz, mechanistische Wege und Ziele für Interventionen. BioEssays 36(10): 968–78.

Bailey et al. (2015) Termination of DNA Replication Forks: „Breaking up is hard to do“. Nucleus 6 (3): 187-196.

Dewar & Walter (2017)Mechanismen der DNA-Replikationstermination. Nature Reviews Molekulare Zellbiologie 18:507–516.

Aulinas (2013) Telomere, Alterung und Cushing-Syndrom: Sind sie verwandt? Endokrinologie und Ernährung (englische Ausgabe) 60(6): 329-335.

Böhm et al. (2016)Die vielen Rollen von PCNA bei der eukaryotischen DNA-Replikation. Enzymes 39: 231-54.


15.2C: Elongation und Termination in Prokaryoten - Biologie

In diesem Abschnitt gehen Sie den folgenden Fragen nach:

  • Was sind die Schritte in der Reihenfolge bei der prokaryotischen Transkription?
  • Wie und wann wird die Transkription beendet?

Anschluss für AP ® Kurse

Während der Transkription bewegt sich das Enzym RNA-Polymerase entlang der DNA-Matrize, liest Nukleotide in 3′- bis 5′-Richtung, wobei U mit A und C mit G paart und das mRNA-Transkript in 5′- bis 3′-Richtung assembliert. Bei Prokaryoten wird die mRNA-Synthese an einer Promotorsequenz auf der DNA-Matrize initiiert. Die Transkription wird fortgesetzt, bis die RNA-Polymerase eine Stopp- oder Terminatorsequenz am Ende des Gens erreicht. Die Terminierung setzt die mRNA frei und erfolgt häufig durch die Bildung einer mRNA-Haarnadel.

Die präsentierten Informationen und die hervorgehobenen Beispiele im Abschnitt unterstützen die Konzepte, die in Big Idea 3 des AP ® Biology Curriculum Framework skizziert sind. Die im Curriculum Framework aufgeführten Lernziele bieten eine transparente Grundlage für den AP ® Biologiekurs, eine forschungsbasierte Laborerfahrung, Unterrichtsaktivitäten und AP ® Prüfungsfragen. Ein Lernziel verbindet erforderliche Inhalte mit einer oder mehreren der sieben Wissenschaftspraktiken.

Große Idee 3 Lebende Systeme speichern, rufen, übertragen und reagieren auf Informationen, die für Lebensprozesse unerlässlich sind.
Beständiges Verständnis 3.A Vererbbare Informationen sorgen für Kontinuität des Lebens.
Grundlegendes Wissen 3.A.1 DNA und in einigen Fällen RNA ist die primäre Quelle vererbbarer Informationen.
Wissenschaftliche Praxis 6.5 Der Student kann alternative wissenschaftliche Erklärungen bewerten.
Lernziel 3.1 Der Student ist in der Lage, wissenschaftliche Erklärungen zu konstruieren, die die Strukturen und Mechanismen von DNA und RNA nutzen, um die Behauptung zu untermauern, dass DNA und in einigen Fällen RNA die primären Quellen vererbbarer Informationen sind.

Die Challenge-Fragen zur Wissenschaftspraxis enthalten zusätzliche Testfragen für diesen Abschnitt, die Ihnen bei der Vorbereitung auf die AP-Prüfung helfen. Diese Fragen beziehen sich auf folgende Standards:
[APLO 2.23][APLO 3.28][APLO 4.8][APLO 4.24]

Die Prokaryoten, zu denen Bakterien und Archaeen gehören, sind meist einzellige Organismen, denen per Definition membrangebundene Kerne und andere Organellen fehlen. Ein bakterielles Chromosom ist ein kovalent geschlossener Kreis, der im Gegensatz zu eukaryotischen Chromosomen nicht um Histonproteine ​​herum organisiert ist. Die zentrale Region der Zelle, in der sich prokaryontische DNA befindet, wird als Nukleoid bezeichnet. Darüber hinaus haben Prokaryonten häufig reichlich Plasmide, bei denen es sich um kürzere zirkuläre DNA-Moleküle handelt, die möglicherweise nur ein oder wenige Gene enthalten. Plasmide können bei der Zellteilung unabhängig vom Bakterienchromosom übertragen werden und tragen oft Merkmale wie Antibiotikaresistenz.

Die Transkription in Prokaryoten (und in Eukaryoten) erfordert, dass sich die DNA-Doppelhelix im Bereich der mRNA-Synthese teilweise entwindet. Der Abwickelbereich wird als Transkriptionsblase bezeichnet. Die Transkription geht für jedes Gen immer vom gleichen DNA-Strang aus, der als Template-Strang bezeichnet wird. Das mRNA-Produkt ist komplementär zum Matrizenstrang und fast identisch mit dem anderen DNA-Strang, dem sogenannten Nicht-Templatstrang . Der einzige Unterschied besteht darin, dass in mRNA alle T-Nukleotide durch U-Nukleotide ersetzt werden. In einer RNA-Doppelhelix kann A U über zwei Wasserstoffbrücken binden, genau wie bei der A-T-Paarung in einer DNA-Doppelhelix.

Das Nukleotidpaar in der DNA-Doppelhelix, das der Stelle entspricht, von der das erste 5'-mRNA-Nukleotid transkribiert wird, wird als +1-Stelle oder Initiationsstelle bezeichnet. Nukleotide, die der Initiationsstelle vorangehen, sind mit negativen Zahlen versehen und werden stromaufwärts bezeichnet. Umgekehrt werden Nukleotide, die der Initiationsstelle folgen, mit „+“-Nummerierung bezeichnet und als nachgeschaltete Nukleotide bezeichnet.

Einleitung der Transkription in Prokaryoten

Prokaryonten haben keine membranumschlossenen Kerne. Daher können die Prozesse der Transkription, Translation und des mRNA-Abbaus alle gleichzeitig ablaufen. Die intrazelluläre Ebene eines bakteriellen Proteins kann schnell durch mehrere Transkriptions- und Translationsereignisse amplifiziert werden, die gleichzeitig auf derselben DNA-Matrize stattfinden. Die prokaryontische Transkription umfasst oft mehr als ein Gen und produziert polycistronische mRNAs, die mehr als ein Protein spezifizieren.

Unsere Diskussion hier wird die Transkription veranschaulichen, indem wir diesen Prozess in beschreiben Escherichia coli, eine gut untersuchte Bakterienart. Obwohl einige Unterschiede zwischen der Transkription in E coli und Transkription in Archaeen, ein Verständnis von E coli Die Transkription kann auf praktisch alle Bakterienarten angewendet werden.

Prokaryotische RNA-Polymerase

Prokaryoten verwenden dieselbe RNA-Polymerase, um alle ihre Gene zu transkribieren. In E coli, besteht die Polymerase aus fünf Polypeptid-Untereinheiten, von denen zwei identisch sind. Vier dieser Untereinheiten, bezeichnet als α, α, β, und β' umfassen das Polymerase - Kernenzym . Diese Untereinheiten bauen sich jedes Mal zusammen, wenn ein Gen transkribiert wird, und zerlegen sich, sobald die Transkription abgeschlossen ist. Jede Untereinheit hat eine einzigartige Rolle die beiden α-Untereinheiten sind notwendig, um die Polymerase auf der DNA aufzubauen β-Untereinheit bindet an das Ribonukleosidtriphosphat, das Teil des entstehenden „neugeborenen“ mRNA-Moleküls wird und die β' bindet den DNA-Matrizenstrang. Die fünfte Untereinheit, σ, ist nur an der Transkriptionsinitiation beteiligt. Es verleiht eine Transkriptionsspezifität, so dass die Polymerase beginnt, mRNA von einer geeigneten Initiationsstelle zu synthetisieren. Ohne σ, würde das Kernenzym von zufälligen Stellen transkribieren und mRNA-Moleküle produzieren, die Protein-Kauderwelsch spezifizierten. Die aus allen fünf Untereinheiten bestehende Polymerase wird Holoenzym genannt.

Prokaryontische Promotoren

Ein Promotor ist eine DNA-Sequenz, an die die Transkriptionsmaschinerie bindet und die Transkription initiiert. In den meisten Fällen existieren Promotoren stromaufwärts der Gene, die sie regulieren. Die spezifische Sequenz eines Promotors ist sehr wichtig, da sie bestimmt, ob das entsprechende Gen ständig, gelegentlich oder selten transkribiert wird. Obwohl die Promotoren zwischen den prokaryotischen Genomen variieren, sind einige Elemente konserviert. In den -10- und -35-Regionen stromaufwärts der Initiationsstelle gibt es zwei Promotor-Konsensussequenzen oder Regionen, die über alle Promotoren und über verschiedene Bakterienarten hinweg ähnlich sind (Fig. 15.7). Die -10-Konsensussequenz, die als -10-Region bezeichnet wird, ist TATAAT. Die -35-Sequenz, TTGACA, wird erkannt und gebunden von σ. Sobald diese Wechselwirkung erfolgt ist, binden die Untereinheiten des Kernenzyms an die Stelle. Die A–T-reiche -10-Region erleichtert das Abwickeln der DNA-Matrize, und es werden mehrere Phosphodiester-Bindungen hergestellt. Die Initiationsphase der Transkription endet mit der Produktion von abortiven Transkripten, bei denen es sich um Polymere von ungefähr 10 Nukleotiden handelt, die hergestellt und freigesetzt werden.

LINK ZUM LERNEN

Sehen Sie sich diese MolecularMovies-Animation an, um den ersten Teil der Transkription und die Wiederholung der Basensequenz der TATA-Box zu sehen.


SCHLUSSFOLGERUNGEN UND PERSPEKTIVEN

Das wichtigste Ergebnis der Studien über prokaryontische Translationsmechanismen des letzten Jahrzehnts ist die Sichtweise des Ribosoms als dynamische molekulare Maschine, die bei jedem Translationsschritt ihre Konformation ändert. Die Bewegungen von Ribosomenelementen, einschließlich Rotationen von Untereinheiten, Flexion von SSU-Domänen oder große Bewegungen der S1- und L12-Stiele, sind von Natur aus schnell und werden von ihren Liganden wie tRNAs und Translationsfaktoren gesteuert. Wir können nun die Choreographie vieler Translationsschritte mit einer Kombination aus Ensemblekinetik und Einzelmolekültechniken beschreiben. Sobald die Reihenfolge der Ereignisse festgelegt ist, können Kristallographie und Kryo-EM Strukturen von Zwischenprodukten liefern. In Zukunft wäre es spannend, zeitaufgelöste Strukturstudien ohne den Einsatz von Antibiotika oder nicht hydrolysierbaren GTP-Analoga zu erhalten, die heute zur Blockierung von Zwischenprodukten verwendet werden (z. B. durch zeitaufgelöste Kryo-EM oder XFEL [X- Freie-Elektronen-Strahlen-Laser] Kristallographie). Eine Verbesserung der Zeitauflösung von Einzelmolekültechniken kann zusätzliche, jedoch noch nicht charakterisierte Übergangszwischenprodukte liefern. Die Verfolgung der Translation in lebenden Zellen ist eine weitere aufstrebende Richtung. Daher ist es wahrscheinlich, dass wir bald ein nahezu vollständiges 3D-Bild der prokaryotischen Translation haben, das in Zeit und Raum und möglicherweise in lebenden Zellen aufgelöst wird. Die größte Herausforderung für die kommenden Jahre besteht darin, zu verstehen, wie eukaryotische Ribosomen funktionieren. Während prinzipiell die gleichen experimentellen Ansätze zur Untersuchung der Translation in Bakterien und Eukaryoten verwendet werden können, sind die technischen Hürden bei der Rekonstruktion funktioneller Pfade für jeden Translationsschritt extrem hoch und werden durch eine größere Zahl an akzessorischen Proteinen, eine weitgehende Heterogenität der Komponenten und Komplexe und wahrscheinlich eine größere Konformationsbeweglichkeit der Translationskomponenten in Eukaryoten. Die Lösung dieser technischen Herausforderungen und die Analyse der detaillierten strukturellen und funktionellen Mechanismen des eukaryotischen Ribosoms werden einen Meilenstein zum Verständnis der Translation und ihrer Regulation in Gesundheit und Krankheit darstellen.



Bemerkungen:

  1. Quarrie

    sehr neugierig:)

  2. Addo

    Ich kann jetzt nicht an der Diskussion teilnehmen - es ist sehr besetzt. Aber ich werde bald notwendigerweise schreiben, denke ich.

  3. Targ

    Sehr interessante Gedanken, gut erzählt, alles nur in den Regalen ausgelegt :)

  4. Airdsgainne

    Thank you for your help in this matter, now I will not make such a mistake.

  5. Heathley

    Es ist offensichtlich, Sie haben sich nicht irre

  6. Nikhil

    Gut, ich und dachte ich.

  7. Talehot

    Nein



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