Biologie IV: Molekularbiologie der Zelle - Exam

Aufgabe 1)

Mechanismen der DNA-Replikation:Die DNA-Replikation ist ein zentraler Prozess im Zellzyklus, bei dem die DNA verdoppelt wird, um Tochterstränge aus einem Mutterstrang zu bilden. Dieser Prozess folgt dem semikonservativen Modell, bei dem jeder Tochterstrang eine ursprüngliche und eine neue DNA-Stranghälfte enthält. Der Startpunkt der Replikation ist der Replikationsursprung (Origin of Replication), wo die Replikationsgabel gebildet wird. Die Synthese erfolgt unterschiedlich für den Leitstrang (leading strand) und den Folgestrang (lagging strand). Wichtige Enzyme sind:

• Helicase zur Entwindung der DNA
• Primase zur Synthese von RNA-Primern
• DNA-Polymerase, mit Pol III als Hauptenzym für die Synthese und Pol I für die Primerentfernung
• Ligase zur Verbindung der Okazaki-Fragmente

Durch Proofreading und Fehlerkorrektur durch die DNA-Polymerase wird die Genauigkeit der Replikation erhöht. Während der Leitstrang kontinuierlich synthetisiert wird, erfolgt die Synthese des Folgestrangs in diskontinuierlichen Okazaki-Fragmenten.

a)

Beschreibe das semikonservative Modell der DNA-Replikation und erkläre die Bedeutung für die genetische Stabilität.

Lösung:

Das Semikonservative Modell der DNA-Replikation:Das semikonservative Modell der DNA-Replikation ist ein Mechanismus, bei dem jeder der zwei Tochterstränge eine Hälfte des ursprünglichen Mutterstranges und eine neu synthetisierte Stranghälfte enthält. Dies bedeutet, dass jede der beiden resultierenden DNA-Doppelstränge zur Hälfte aus der originalen Mutter-DNA und zur anderen Hälfte aus neuem, komplementärem DNA-Material besteht.Prozess der Semikonservativen Replikation:

• Zu Beginn der Replikation öffnet sich die DNA-Doppelhelix, und die beiden Stränge trennen sich voneinander.
• Jeder ursprüngliche DNA-Strang dient dann als Vorlage (Matrize) für die Synthese eines neuen, komplementären Stranges.
• Die Helicase entwindet die DNA, was zur Bildung der Replikationsgabel führt.
• Die Primase synthetisiert RNA-Primer, die als Startpunkte für die DNA-Synthese dienen.
• Die DNA-Polymerase III addiert Nukleotide zum wachsenden DNA-Strang, indem sie entlang der Matrize fährt und komplementäre Basenpaare hinzufügt (A mit T, G mit C).
• Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer und füllt die Lücken mit DNA.
• Die Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente auf dem Folgestrang.

Bedeutung für die Genetische Stabilität:

• Das semikonservative Modell gewährleistet, dass jede Tochterzelle eine exakte Kopie der ursprünglichen DNA erhält, was die genetische Stabilität aufrechterhält.
• Der Prozess des Proofreading durch die DNA-Polymerase erhöht zusätzlich die Genauigkeit der Replikation und minimiert Mutationen. Fehler, die während der Synthese passieren, werden erkannt und korrigiert.
• Durch die Korrekturmechanismen wird sichergestellt, dass Veränderungen in der DNA-Sequenz minimiert werden und die genetische Information intakt und konsistent weitergegeben wird.

Zusammenfassung:Das semikonservative Modell der DNA-Replikation trägt entscheidend zur Erhaltung der genetischen Stabilität bei, indem es exakte Kopien der DNA bereitstellt und fehlerhafte DNA-Synthese korrigiert. Durch diese Mechanismen sorgt die Zelle dafür, dass genetische Informationen zuverlässig an nachfolgende Generationen weitergegeben werden.

b)

Erläutere die Funktion und Bedeutung folgender Enzyme in der DNA-Replikation: Helicase, Primase, DNA-Polymerase III, DNA-Polymerase I und Ligase.

Lösung:

Funktion und Bedeutung der Enzyme in der DNA-Replikation:

• Helicase:Die Helicase ist verantwortlich für die Entwindung der DNA-Doppelhelix. Sie trennt die beiden Stränge, indem sie die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen löst. Dies ermöglicht die Bildung der Replikationsgabel und schafft Zugriff auf die Einzelstränge für die weiteren Replikationsprozesse.
• Primase:Die Primase katalysiert die Synthese von RNA-Primern. Diese Primer sind kurze RNA-Sequenzen, die als Startpunkte für die DNA-Synthese dienen. DNA-Polymerasen benötigen diese Primer, da sie nur an ein bestehendes 3'-Ende neuer Nukleotide addieren können und nicht direkt mit der Synthese beginnen können.
• DNA-Polymerase III:Die DNA-Polymerase III ist das Hauptenzym für die Synthese der neuen DNA-Stränge. Sie fügt Nukleotide an das 3'-Ende der RNA-Primer an und verlängert den neuen DNA-Strang. Auf dem Leitstrang erfolgt die Synthese kontinuierlich, während auf dem Folgestrang diskontinuierlich kurze DNA-Stücke, sogenannte Okazaki-Fragmente, synthetisiert werden.
• DNA-Polymerase I:Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer und ersetzt diese durch DNA-Nukleotide. Dies ist besonders wichtig für die Fertigstellung des neu synthetisierten DNA-Strangs, insbesondere auf dem Folgestrang, wo viele RNA-Primer vorhanden sind.
• Ligase:Die Ligase katalysiert die Bildung von Phosphodiesterbindungen zwischen den Okazaki-Fragmenten auf dem Folgestrang. Sie verbindet die diskontinuierlich synthetisierten DNA-Fragmente zu einem durchgehenden Strang und stellt so die Kontinuität der DNA sicher.

Zusammenfassung:Diese Enzyme spielen essenzielle Rollen in der DNA-Replikation, indem sie die strukturelle Integrität und Kontinuität der neu synthetisierten DNA sicherstellen. Die Helicase und Primase schaffen die Voraussetzungen für die Synthese, während die DNA-Polymerasen die tatsächliche Synthese der neuen Stränge durchführen. Die Ligase finalisiert den Prozess, indem sie die Synthesefragmente zu einem kontinuierlichen Strang verbindet. Gemeinsam sichern sie die Präzision und Effizienz der DNA-Replikation.

c)

Erkläre den Prozess der diskontinuierlichen Synthese am Folgestrang. Wie wird die Synthese dabei gestartet, und was sind die grundlegenden Schritte der Fragmentverknüpfung? Verwende geeignete mathematische Gleichungen oder Diagramme, um die Syntheserate der Okazaki-Fragmente darzustellen.

Lösung:

Prozess der diskontinuierlichen Synthese am Folgestrang:Die diskontinuierliche Synthese am Folgestrang (lagging strand) erfolgt aufgrund des antiparallelen Charakters der DNA-Stränge. Da die DNA-Polymerase nur in 5'-3'-Richtung synthetisieren kann und der Folgestrang in 3'-5'-Richtung verläuft, wird der Folgestrang in kurzen Abschnitten, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert.Start der Synthese:

• Primase: Die Primase synthetisiert kurze RNA-Primer entlang des Folgestrangs. Diese Primer dienen als Startpunkte für die DNA-Synthese.
• DNA-Polymerase III: Die DNA-Polymerase III verwendet die RNA-Primer, um die Okazaki-Fragmente zu verlängern, indem sie Nukleotide an das 3'-Ende der Primer hinzufügt.

Grundlegende Schritte der Fragmentverknüpfung:

• RNA-Primer-Entfernung: Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer und ersetzt sie durch DNA-Nukleotide, die mit dem benachbarten Okazaki-Fragment verbunden werden.
• Ligation: Die DNA-Ligase katalysiert die Bildung von Phosphodiesterbindungen zwischen den Okazaki-Fragmenten, wodurch ein kontinuerlicher DNA-Strang entsteht.

Syntheserate der Okazaki-Fragmente:Die Syntheserate der Okazaki-Fragmente kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

• Formel:\[k = \frac{\text{Anzahl der Okazaki-Fragmente (OF)}}{\text{Zeit (t)}}\]

Hierbei steht \(k\) für die Syntheserate, \(OF\) für die Anzahl der Okazaki-Fragmente und \(t\) für die Zeit.Diagramm zur Darstellung der Syntheserate:

 | Anzahl der Okazaki-Fragmente  ||      (^)|       |*      |       | *    |       | *    |       |  *   |       |   *  |       |    * |       -----------------> Zeit (t)

Das Diagramm zeigt die Anzahl der Okazaki-Fragmente im Laufe der Zeit. Die lineare Beziehung zwischen der Anzahl der Fragmente und der Zeit stellt die konstante Syntheserate \(k\) dar.Zusammenfassung:Die diskontinuierliche Synthese am Folgestrang ist ein komplizierter, aber systematischer Prozess, bei dem mehrere Enzyme zusammenarbeiten, um die DNA korrekt zu replizieren. Durch das Verständnis der mathematischen Darstellung der Syntheserate wird die Effizienz und Präzision der DNA-Replikation verdeutlicht.

Aufgabe 2)

Das Mismatch-Reparatursystem ist ein Fehlerkorrekturmechanismus, der Fehlpaarungen in der DNA repariert, die während der Replikation entstehen. Es erkennt Fehlpaarungen durch die veränderte DNA-Struktur und involviert die Enzyme MutS, MutL und MutH. MutS bindet an die Fehlpaarung, MutL vermittelt zwischen MutS und MutH, und MutH schneidet den Fehlerbereich aus. Eine Exonuklease entfernt den fehlerhaften DNA-Strangbereich, während DNA-Polymerase und Ligase die Lücke auffüllen. Fehlende Reparaturmechanismen können zu erhöhten Mutationsraten führen, wie sie beispielsweise bei HNPCC (hereditäres nicht-polypöses Kolonkarzinom) beobachtet werden.

a)

Beschreibe den Ablauf der Mismatch-Reparatur im Detail. Welche Rolle spielen MutS, MutL und MutH, und wie arbeitet die Exonuklease mit der DNA-Polymerase und Ligase zusammen, um die DNA wiederherzustellen?

Lösung:

Das Mismatch-Reparatursystem (MMR) ist ein entscheidender Mechanismus zur Fehlerkorrektur in der DNA. Dieser Prozess läuft in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten ab, bei denen spezifische Enzyme und Proteine involviert sind, um Fehlpaarungen in der DNA zu erkennen und zu reparieren. Im Folgenden wird der Ablauf der Mismatch-Reparatur im Detail beschrieben:

• Mistmatch-Erkennung: Der erste Schritt zur Reparatur einer Fehlpaarung beginnt mit der Erkennung durch das Enzym MutS. MutS scannt die DNA und erkennt Fehlpaarungen aufgrund der veränderten Struktur der DNA-Doppelhelix an der Stelle der Fehlpaarung.
• Vermittlung des Reparaturprozesses: Nach der Bindung von MutS an die Fehlpaarung rekrutiert es das Enzym MutL. MutL dient als Vermittler zwischen MutS und MutH, indem es die Kommunikation und die korrekte Positionierung der Enzyme sicherstellt.
• Schneiden der Fehlpaarungsstelle: Das Enzym MutH wird von MutL aktiviert und schneidet den DNA-Strang, der die Fehlpaarung enthält, in der Nähe einer Methylierungsstelle. Dies markiert die beschädigte DNA für die Entfernung.
• Entfernung des fehlerhaften DNA-Strangs: Eine Exonuklease bindet an die Schnittstelle und entfernt einen Teil des DNA-Strangs, der die Fehlpaarung beherbergt. Dieser Schritt sorgt dafür, dass die beschädigte Region vollständig eliminiert wird.
• Füllen der Lücke: Nachdem der beschädigte Abschnitt entfernt wurde, füllt DNA-Polymerase die Lücke durch die Synthese neuer DNA unter Verwendung des intakten Gegenstrangs als Vorlage.
• Ligation der DNA: Schließlich schließt DNA-Ligase die verbleibende Lücke im Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA, indem sie die Enden der neu synthetisierten DNA mit dem ursprünglichen Strang verbindet. Dadurch wird die DNA wiederhergestellt und die Fehlpaarung erfolgreich korrigiert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MutS die Fehlpaarung erkennt, MutL zwischen MutS und MutH vermittelt, MutH den fehlerhaften Bereich ausschneidet, und eine Exonuklease zusammen mit der DNA-Polymerase und Ligase die DNA wiederherstellt. Fehlfunktionen in diesem Reparaturmechanismus können zu schweren genetischen Instabilitäten und erhöhten Mutationsraten führen, wie sie bei Krankheiten wie HNPCC (hereditäres nicht-polypöses Kolonkarzinom) beobachtet werden.

b)

Betrachte den Fall von HNPCC, einer Krankheit, die durch Defekte im Mismatch-Reparatursystem verursacht wird. Erläutere die molekularen Konsequenzen von fehlenden oder fehlerhaften Mismatch-Reparaturproteinen und deren Einfluss auf die Mutationsrate. Wie könnte diese erhöhte Mutationsrate zur Entwicklung von Krebs beitragen?

Lösung:

Das hereditäre nicht-polypöse Kolonkarzinom (HNPCC), auch als Lynch-Syndrom bekannt, ist eine erbliche Krebsform, die durch Defekte im Mismatch-Reparatursystem (MMR) verursacht wird. Um die molekularen Konsequenzen zu verstehen, erkläre ich hier, wie fehlende oder fehlerhafte Mismatch-Reparaturproteine die Mutationsrate erhöhen und zur Krebsentstehung beitragen können.

• Fehlende oder fehlerhafte Mismatch-Reparaturproteine: MutS, MutL und MutH sind Schlüsselproteine im MMR-System. Wenn eines dieser Proteine fehlt oder defekt ist, können Fehlpaarungen, die während der DNA-Replikation entstehen, nicht effizient erkannt und repariert werden. Dies führt zu einer Ansammlung von Fehlern in der DNA. Besonders bei HNPCC sind häufig Mutationen in den Genen MLH1, MSH2, MSH6 und PMS2 zu finden, die für die korrekte Funktion der MMR-Proteine essenziell sind.
• Erhöhte Mutationsrate: Ohne funktionierendes MMR-System bleibt die DNA-Integrität gefährdet. Die Häufung von Punktmutationen und Mikrosatelliteninstabilität (MSI) führt zu einer stark erhöhten Mutationsrate. Jede Zelle, die sich teilt und repliziert, hat nun ein deutlich höheres Risiko, zusätzliche Mutationen zu akkumulieren.
• Entwicklung von Krebs: Die erhöhte Mutationsrate beeinträchtigt verschiedene zelluläre Prozesse. Mutationen in Tumorsuppressorgenen wie TP53 oder APC sowie in Onkogenen wie K-RAS können das Gleichgewicht zwischen Zellwachstum und -tod stören. Durch die erhöhte Mutationslast werden Zellen anfällig für unkontrolliertes Wachstum und Krebsentwicklung. Bei HNPCC entsteht Krebs häufig im Dickdarm, aber auch andere Organen wie der Magen, die Eierstöcke und die Gebärmutter können betroffen sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Defekte im Mismatch-Reparatursystem durch die Fehlfunktion oder das Fehlen der Proteine MutS, MutL und MutH zu einer erhöhten Mutationsrate führen. Diese instabile genetische Umgebung begünstigt die Akkumulation von Mutationen in kritischen Genen, was schließlich zur Entwicklung von Krebs führen kann. HNPCC-Patienten haben daher ein erheblich erhöhtes Risiko für die Entwicklung verschiedener Krebsarten, insbesondere des Darmkrebses.

Aufgabe 3)

Epigenetische Regulation der GenexpressionDie Steuerung der Genaktivität erfolgt durch nicht-genetische Faktoren wie DNA-Methylierung, Histonmodifikationen und nicht-kodierende RNAs.

• DNA-Methylierung: Dabei wird eine Methylgruppe an Cytosinbasen, meist an CpG-Inseln, hinzugefügt, was die Transkription hemmt.
• Histonmodifikationen: Posttranslationale Modifikationen der Histone, wie Acetylierung und Methylierung, beeinflussen die Chromatinstruktur und damit die Genexpression.
• Chromatin-Remodeling: Veränderungen des Chromatins durch ATP-abhängige Komplexe, die die Zugänglichkeit der DNA beeinflussen.
• nicht-kodierende RNAs: z.B. miRNAs und lncRNAs regulieren die Genexpression auf posttranskriptionaler Ebene.

a)

Beschreibe detailliert den Prozess der DNA-Methylierung und deren Auswirkungen auf die Genexpression. Gehe dabei besonders auf die Rolle der CpG-Inseln ein.

Lösung:

DNA-Methylierung und deren Auswirkungen auf die Genexpression

Der Begriff DNA-Methylierung bezieht sich auf einen epigenetischen Mechanismus, bei dem eine Methylgruppe \(\text{–CH}_3\) an die DNA angehängt wird. Dies geschieht in der Regel an Cytosinbasen, die sich in der Nähe von Guaninbasen befinden, bekannt als CpG-Dinukleotide oder CpG-Inseln.

Hier ist eine detaillierte Beschreibung des Prozesses der DNA-Methylierung und deren Auswirkungen auf die Genexpression:

1. Prozess der DNA-Methylierung

• Die Methylierung erfolgt durch Enzyme namens DNA-Methyltransferasen (DNMTs). Diese Enzyme transferieren eine Methylgruppe von S-Adenosylmethionin (SAM) auf das 5-Atom des Cytosinringes, wodurch 5-Methylcytosin entsteht.
• Dieser Prozess findet hauptsächlich an CpG-Inseln statt, die regionsweise in der Nähe von Promotoren vieler Gene liegen.
• Die CpG-Inseln sind kurze Regionen mit einer hohen Dichte an CpG-Dinukleotiden. Diese Regionen sind normalerweise hypomethyliert (weniger methylierte Cytosine), wenn ein Gen aktiv ist, und hypermethylierte Cytosine, wenn ein Gen inaktiv ist.

2. Auswirkungen der DNA-Methylierung auf die Genexpression

• Die Methylierung von CpG-Inseln in Promotorregionen führt in der Regel zur Repression (Unterdrückung) der Genexpression.
• Die Methylgruppen verhindern physisch das Binden von Transkriptionsfaktoren und anderen Proteinen, die für die Initiation der Transkription erforderlich sind.
• Zusätzlich rekrutieren methylierte CpG-Inseln methylbindende Proteine (MBPs), die weitere Chromatin-modifizierende Enzyme anziehen, wie z.B. Histondeacetylasen (HDACs), welche die Chromatinstruktur weiter verdichten und so die Gene unzugänglich für die Transkriptionsmaschinerie machen.
• Insgesamt führt dies zu einem geschlossenen, dichten Chromatin, bekannt als Heterochromatin, welches transkriptionell inaktiv ist.

Zusammengefasst stellt die DNA-Methylierung einen wichtigen Mechanismus dar, durch den Zellen bestimmte Gene dauerhaft ausschalten können. Dies ist entscheidend für die Zelltypen-spezifische Genexpression, die embryonale Entwicklung und die Aufrechterhaltung der zellulären Identität.

b)

Histonmodifikationen sind entscheidend für die Regulation der Genexpression. Erkläre die Unterschiede zwischen Histonacetylierung und Histonmethylierung und deren jeweilige Auswirkungen auf die Chromatinstruktur und die Genaktivität.

Lösung:

Histonmodifikationen und ihre Auswirkungen auf Chromatinstruktur und Genaktivität

Modifikationen an Histonen sind Schlüsselmechanismen zur Regulation der Genexpression. Zwei der häufigsten Formen dieser Modifikationen sind die Histonacetylierung und die Histonmethylierung.

1. Histonacetylierung

• Bei der Histonacetylierung werden Acetylgruppen (\(\text{–COCH}_3\)) an die Lysinreste in den Histonproteinen, insbesondere an die Histonschwänze, angehängt.
• Die Enzyme, die die Acetylgruppen hinzufügen, nennt man Histonacetyltransferasen (HATs). Im Gegensatz dazu entfernen Histondeacetylasen (HDACs) diese Gruppen wieder.
• Die Acetylierung neutralisiert die positive Ladung der Lysinreste, was die Wechselwirkungen zwischen den Histonen und der negativ geladenen DNA schwächt.
• Dies führt zu einer relaxierten (offenen) Chromatinstruktur, bekannt als Euchromatin, was die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren und die Transkriptionsmaschinerie erhöht.
• Folglich ist die Histonacetylierung in der Regel mit einer erhöhten Genaktivität verbunden.

2. Histonmethylierung

• Die Histonmethylierung bezieht sich auf das Anhängen von Methylgruppen (\(\text{–CH}_3\)) an bestimmte Aminosäuren der Histonproteine, insbesondere Lysin und Arginin.
• Dieses Anhängen wird durch Histonmethyltransferasen (HMTs) katalysiert, während die Entfernung der Methylgruppen durch Histondemethylasen (HDMs) erfolgt.
• Im Gegensatz zur Acetylierung hat die Histonmethylierung unterschiedliche Auswirkungen auf die Genexpression, je nachdem, welche Aminosäurereste methyliert werden und wie viele Methylgruppen angehängt werden (Monomethylierung (me1), Dimethylierung (me2), Trimethylierung (me3)).
• Zum Beispiel ist die Trimethylierung von H3K4 (Histon H3 an Lysin 4) in der Regel mit aktiver Transkription verbunden, während die Trimethylierung von H3K27 (Histon H3 an Lysin 27) in der Regel mit einer repressiven Chromatinstruktur (Heterochromatin) und somit mit einer geringen Genaktivität verbunden ist.

Zusammenfassend:

• Histonacetylierung ist meist mit aktivem, lockerem Chromatin (Euchromatin) und erhöhter Genexpression assoziiert.
• Histonmethylierung kann sowohl zu aktiver als auch zu repressiver Chromatinstruktur führen, abhängig von der Art und Position der Methylmodifikation.

Diese Modifikationen sind daher entscheidend für die präzise Regulation der Genexpression, da sie die Architektur des Chromatins und die Zugänglichkeit der DNA für verschiedene zelluläre Maschinen beeinflussen.

c)

Diskutiere die Funktion von Chromatin-Remodeling-Komplexen. Erläutere, welche Rolle ATP in diesem Prozess spielt und wie Chromatin-Remodeling die Zugänglichkeit der DNA beeinflusst.

Lösung:

Funktion von Chromatin-Remodeling-Komplexen

Chromatin-Remodeling-Komplexe spielen eine wesentliche Rolle bei der Regulation der Genexpression, indem sie die Struktur des Chromatins verändern und somit die Zugänglichkeit der DNA für verschiedene zelluläre Prozesse beeinflussen. Diese Komplexe nutzen die Energie aus ATP-Hydrolyse, um nukleosomale DNA zu repositionieren, zu entfernen oder zu modifizieren.

1. Rolle von ATP im Chromatin-Remodeling

• ATP (Adenosintriphosphat) liefert die notwendige Energie für die Arbeit der Chromatin-Remodeling-Komplexe. Diese Komplexe besitzen ATPase-Aktivität, was bedeutet, dass sie die Hydrolyse von ATP zu ADP (Adenosindiphosphat) katalysieren können.
• Die durch die ATP-Hydrolyse freigesetzte Energie wird genutzt, um die Position oder die Zusammensetzung der Nukleosomen zu verändern. Nukleosomen bestehen aus einer Einheit von DNA, die um ein Oktamer aus Histonproteinen gewickelt ist.

2. Mechanismen des Chromatin-Remodelings

• Repositionierung: Chromatin-Remodeling-Komplexe können die Position der Nukleosomen entlang der DNA verschieben. Dies geschieht durch das „Schieben“ oder „Verdrängen“ der DNA über die Histonoberfläche.
• Entfernung: Einige Komplexe sind in der Lage, Nukleosomen vollständig von der DNA zu entfernen, wodurch Abschnitte der DNA zugänglich werden.
• Austausch: Chromatin-Remodeling-Komplexe können spezifische Histonvarianten in die Nukleosomen einbauen oder bestehende Histone durch andere ersetzen, was die Eigenschaften des Chromatins verändern kann.

3. Auswirkungen des Chromatin-Remodelings auf die Zugänglichkeit der DNA

• Zugänglichkeitssteigerung: Durch die Repositionierung oder Entfernung von Nukleosomen wird die DNA für Transkriptionsfaktoren und die Transkriptionsmaschinerie zugänglicher. Dies kann die Aktivität von Genen fördern, die in der Nähe dieser neu geöffneten DNA-Regionen liegen.
• Regulation von Transkriptionsfaktor-Bindung: Chromatin-Remodeling kann spezifische Transkriptionsfaktoren aktivieren oder inhibieren, indem es deren Erkennungsmotive freilegt oder verdeckt.
• Verminderte Zugänglichkeit: In einigen Fällen kann das Remodeling dazu führen, dass Nukleosomen dichter gepackt und somit DNA-Regionen weniger zugänglich werden. Dies führt zum „Schließen“ des Chromatins und kann die Genexpression herunterregulieren.

Zusammengefasst sind Chromatin-Remodeling-Komplexe essenziell für die dynamische Regulation der Genexpression. Indem sie die Chromatinstruktur verändern, steuern sie die Zugänglichkeit der DNA für verschiedene zelluläre Prozesse und tragen so zur präzisen Kontrolle der Genaktivität bei.

d)

Analysiere die Bedeutung von nicht-kodierenden RNAs in der Regulation der Genexpression. Besprich die Mechanismen, durch die miRNAs und lncRNAs die Genexpression auf posttranskriptionaler Ebene beeinflussen und gib Beispiele für spezifische nicht-kodierende RNAs und deren Ziele.

Lösung:

Bedeutung von nicht-kodierenden RNAs in der Regulation der Genexpression

Nicht-kodierende RNAs (ncRNAs) spielen eine entscheidende Rolle in der Regulation der Genexpression auf verschiedenen Ebenen, insbesondere auf der posttranskriptionalen Ebene. Zu den wichtigsten ncRNAs gehören die microRNAs (miRNAs) und die langen nicht-kodierenden RNAs (lncRNAs).

1. Mechanismen der Genregulation durch miRNAs

miRNAs sind kurze, etwa 22 Nukleotide lange RNA-Moleküle, die die Genexpression durch die Bindung an mRNA-Moleküle beeinflussen können:

• mRNA-Abbau: miRNAs binden komplementär zu spezifischen Sequenzen in der 3'-untranslatierten Region (3' UTR) der Ziel-mRNAs. Diese Bindung rekrutiert das RNA-induzierte Silencing-Komplex (RISC), welches die Degradation der Ziel-mRNA fördert.
• Translationshemmung: Alternativ können miRNAs die Translation ihrer Ziel-mRNAs verhindern, indem sie die Bindung der Ribosomen an die mRNA behindern oder die Initiation der Translation blockieren.

Beispiele für miRNAs:

• miR-21: Diese miRNA ist oft in verschiedenen Krebsarten überexprimiert und fördert das Tumorwachstum, indem sie tumor-suppressive Gene zielgerichtet abbaut.
• let-7: Eine gut untersuchte miRNA, die viele Onkogene reguliert und in der Krebsentstehung eine Rolle spielt. Ihre reduzierte Expression ist oft mit einer schlechten Prognose bei Krebspatienten verbunden.

2. Mechanismen der Genregulation durch lncRNAs

lncRNAs sind länger als 200 Nukleotide und vielfältiger in ihren Mechanismen zur Beeinflussung der Genexpression:

• Chromatin-Modifizierung: lncRNAs können mit Chromatin-Remodeling-Komplexen interagieren und diese zu spezifischen Genorten rekrutieren, um die Chromatinstruktur zu verändern und dadurch die Transkription zu fördern oder zu hemmen.
• Regulation der Transkription: lncRNAs können die Transkriptionsmaschinerie selbst beeinflussen, indem sie Transkriptionsfaktoren oder Promotorsequenzen binden und so die Transkriptionsrate regulieren.
• RNA Interferenz: Einige lncRNAs wirken ähnliche wie miRNAs, indem sie mRNAs binden und deren Abbau oder Translation beeinflussen.

Beispiele für lncRNAs:

• Xist: Eine bekannte lncRNA, die eine Schlüsselrolle bei der X-Chromosom-Inaktivierung in weiblichen Säugetieren spielt. Xist bindet an das X-Chromosom und rekrutiert Proteinkomplexe, die die Transkription stilllegen.
• HOTAIR: Diese lncRNA interagiert mit dem Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) und beeinflusst die Genexpression durch epigenetische Modifikationen. Sie ist in vielen Tumoren überexprimiert und fördert die Progression und Metastasierung von Krebs.

Zusammengefasst tragen miRNAs und lncRNAs durch verschiedene Mechanismen entscheidend zur Regulation der Genexpression bei. Ihr gezielter Einfluss auf mRNAs und Chromatinstrukturen ermöglicht eine präzise Kontrolle der Genaktivität in vielen biologischen Prozessen und Krankheitszuständen.

Aufgabe 4)

Die Signaltransduktionspfade MAPK (Mitogen-aktivierte Proteinkinase) und PI3K/Akt sind zentrale Mechanismen, die eine Vielzahl von Zellprozessen wie Wachstum, Proliferation und Überleben regulieren. Der MAPK-Weg umfasst eine Kaskade von Proteinen, die von RAS zu RAF, MEK und schließlich zu ERK führen. Der PI3K/Akt-Weg beinhaltet die Aktivierung von PI3K, die Umwandlung von PIP2 zu PIP3 und die nachfolgende Aktivierung von Akt. Beide Wege regulieren die Genexpression über verschiedene Transkriptionsfaktoren und sind oft in Krebs und anderen Erkrankungen fehlreguliert. Zudem interagieren diese Signalwege auf komplexe Weise miteinander und werden durch unterschiedliche externe Stimuli wie Wachstumshormone und Stress moduliert.

a)

Teilaufgabe 1: Beschreibe die Rolle der ERK-Kaskade im MAPK-Signalweg und erläutere, wie dieser Weg zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren führt.

Lösung:

Teilaufgabe 1: Beschreibe die Rolle der ERK-Kaskade im MAPK-Signalweg und erläutere, wie dieser Weg zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren führt.

Die ERK-Kaskade ist ein zentraler Bestandteil des MAPK-Signalwegs und spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung von Zellprozessen wie Wachstum, Differenzierung und Überleben. Die Kaskade beginnt mit der Aktivierung der GTPase RAS durch verschiedene externe Stimuli, wie Wachstumsfaktoren.

• Aktivierung von RAF: Aktiviertes RAS rekrutiert und aktiviert das Protein RAF, eine Serin/Threonin-Kinase.
• Phosphorylierung von MEK: Aktiviertes RAF phosphoryliert und aktiviert MEK (MAPK/ERK Kinase).
• Aktivierung von ERK: Aktiviertes MEK phosphoryliert und aktiviert ERK (Extracellular Signal-Regulated Kinase). Dies ist die letzte Kinase in der Kaskade.
• Translokation in den Zellkern: Aktiviertes ERK transloziert in den Zellkern.
• Aktivierung von Transkriptionsfaktoren: Im Zellkern phosphoryliert ERK verschiedene Transkriptionsfaktoren wie c-Fos, c-Jun, und Elk-1, was zur Aktivierung der Genexpression führt.

Durch die Aktivierung dieser Transkriptionsfaktoren kann die ERK-Kaskade eine Vielzahl von Genen regulieren, die an Zellwachstum, Proliferation und Überleben beteiligt sind. Dysregulationen in der ERK-Kaskade können zu Krankheiten wie Krebs führen.

b)

Teilaufgabe 2: Erkläre, wie die PI3K/Akt-Signaltransduktionskette zur Aktivierung von Akt führt. Diskutiere dabei die Rolle von PIP2 und PIP3.

Lösung:

Teilaufgabe 2: Erkläre, wie die PI3K/Akt-Signaltransduktionskette zur Aktivierung von Akt führt. Diskutiere dabei die Rolle von PIP2 und PIP3.

Die PI3K/Akt-Signaltransduktionskette ist ein wesentlicher Signalweg zur Regulierung von Zellwachstum, Überleben und Metabolismus. Der Weg führt zur Aktivierung der Kinase Akt (auch bekannt als Protein Kinase B). Hier sind die einzelnen Schritte dieser Signaltransduktionskette:

• Aktivierung von PI3K: Externe Stimuli wie Wachstumsfaktoren binden an Rezeptoren auf der Zelloberfläche, was zur Aktivierung von PI3K (Phosphatidylinositol-3-Kinase) führt.
• Umwandlung von PIP2 zu PIP3: Aktiviertes PI3K phosphoryliert Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) zu Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat (PIP3). Diese Umwandlung findet in der Zellmembran statt.
• Rolle von PIP3: PIP3 fungiert als Dockingstelle für Proteine mit PH-Domänen (Pleckstrin Homology Domain), darunter auch die Kinase Akt. Dies führt zur Rekrutierung und Lokalisierung von Akt an die Zellmembran.
• Aktivierung von Akt: Nach der Rekrutierung an die Membran wird Akt durch PDK1 (3-Phosphoinositid-abhängige Kinase-1) und mTORC2 (mammalian Target of Rapamycin Complex 2) phosphoryliert und somit aktiviert.
• Dissoziation von Membran: Nach der vollständigen Aktivierung dissoziiert Akt von der Zellmembran und bewegt sich in das Zytoplasma und den Zellkern, wo es eine Vielzahl von Substraten phosphoryliert, die für Zellüberleben, Wachstum und Metabolismus wichtig sind.

Somit spielt PIP2 als Ausgangsphospholipid, und PIP3 als essentielles Signallipid, entscheidende Rollen in der Rekrutierung und Aktivierung von Akt. Eine Dysregulation dieses Signalwegs kann zu verschiedenen Krankheiten führen, darunter Krebs, Diabetes und neurodegenerative Erkrankungen.

c)

Teilaufgabe 3: Erörtere die Wechselwirkungen zwischen dem MAPK- und dem PI3K/Akt-Signalweg. Gehe dabei insbesondere auf die Rolle von TSC2 und mTOR ein.

Lösung:

Teilaufgabe 3: Erörtere die Wechselwirkungen zwischen dem MAPK- und dem PI3K/Akt-Signalweg. Gehe dabei insbesondere auf die Rolle von TSC2 und mTOR ein.

Die Signalwege MAPK und PI3K/Akt sind komplex miteinander verknüpft und beeinflussen gemeinsam eine Vielzahl von Zellprozessen. Diese Wechselwirkungen tragen zur Feinabstimmung von Zellwachstum, Proliferation und Überleben bei. Besonders wichtige Akteure in dieser Interaktion sind TSC2 (Tuberous Sclerosis Complex 2) und mTOR (mammalian Target of Rapamycin).

• Wechselwirkung von TSC2:TSC2 ist ein kritischer Regulator des mTOR-Signalwegs und interagiert mit TSC1, um den mTORC1 (mTOR Complex 1) zu hemmen. TSC2 kann durch Akt im PI3K/Akt-Signalweg phosphoryliert werden, wodurch seine Hemmung von mTORC1 aufgehoben wird. Dies führt zu einer Aktivierung von mTORC1 und nachfolgenden zellulären Wachstums- und Proliferationsprozessen. Auf der anderen Seite kann TSC2 auch durch ERK im MAPK-Signalweg phosphoryliert werden, was ebenfalls zu einer Hemmung von TSC2 und einer Aktivierung von mTORC1 führt.
• Rolle von mTOR:mTOR ist ein zentraler Regulator des Zellstoffwechsels, des Wachstums und der Proliferation. mTOR bildet zwei unterschiedliche Komplexe: mTORC1 und mTORC2. mTORC1 ist hauptsächlich für die Förderung von Proteinsynthese und Zellwachstum verantwortlich, während mTORC2 zur Aktivierung von Akt beiträgt und somit eine Rückkopplung im PI3K/Akt-Signalweg gewährleistet.
• Mechanismen der Wechselwirkung:
  • Akt- und ERK-Phosphorylierung von TSC2: Beide Signalwege, PI3K/Akt und MAPK, können zur Phosphorylierung und Inaktivierung von TSC2 führen, was letztendlich zur Aktivierung von mTORC1 führt.
  • mTORC1 reguliert Zellwachstum und Proliferation: Durch die Aktivierung von mTORC1 werden die Prozesse des Zellwachstums und der Proliferation angeregt. Dies wird durch die Förderung der Proteinsynthese und Hemmung des Proteinabbaus erreicht.
• Cross-Talk:Die Aktivierung von ERK im MAPK-Weg kann auch indirekt die PI3K/Akt-Signaltransduktion beeinflussen und umgekehrt. Diese Cross-Talk-Mechanismen sind besonders in der Krebsforschung von Interesse, da sie zur Resistenz gegen bestimmte Therapien beitragen können.

Zusammengefasst stehen TSC2 und mTOR im Zentrum der Interaktionen zwischen dem MAPK- und PI3K/Akt-Signalweg. Durch die Integration der Signale aus beiden Wegen wird eine koordinierte Regulation von Zellwachstum, Überleben und Proliferation erreicht, was unter pathologischen Bedingungen, wie bei Krebs, zu einer Fehlregulation führen kann.

d)

Teilaufgabe 4: Wachstumsfaktoren und Stress sind bekannte Modulatoren dieser Signalwege. Entwickle ein hypothetisches Experiment, um die Auswirkung eines spezifischen Stressfaktors auf die Aktivität des PI3K/Akt-Signalwegs zu untersuchen. Skizziere den experimentellen Aufbau und die erwarteten Ergebnisse.

Lösung:

Teilaufgabe 4: Wachstumsfaktoren und Stress sind bekannte Modulatoren dieser Signalwege. Entwickle ein hypothetisches Experiment, um die Auswirkung eines spezifischen Stressfaktors auf die Aktivität des PI3K/Akt-Signalwegs zu untersuchen. Skizziere den experimentellen Aufbau und die erwarteten Ergebnisse.

Um die Auswirkung eines spezifischen Stressfaktors auf die Aktivität des PI3K/Akt-Signalwegs zu untersuchen, können wir ein Experiment mit Zellkulturen durchführen, die unter kontrollierten Bedingungen verschiedenen Stressfaktoren ausgesetzt werden. Ein möglicher Stressfaktor könnte oxidativer Stress sein, der durch Wasserstoffperoxid (H₂O₂) induziert wird.

Experimenteller Aufbau

• Zellkulturvorbereitung: Wähle eine geeignete Zelllinie, z.B. humane Fibroblasten oder Krebszellen (wie HeLa-Zellen), und kultiviere sie unter standardisierten Bedingungen.
• Stressinduktion: Teile die Zellkulturen in mehrere Gruppen ein:
  • Kontrollgruppe: Ohne Behandlung.
  • Stressgruppe: Behandle die Zellen mit verschiedenen Konzentrationen von H₂O₂ (z.B. 50 μM, 100 μM, 200 μM) für unterschiedliche Zeiträume (2, 6, 12 Stunden).
• Signalweganalyse: Isoliere Proteine aus den Zellen für die Western Blot-Analyse, um die Aktivitätsniveaus des PI3K/Akt-Signalwegs zu messen. Konzentriere Dich auf:
  • Phosphoryliertes Akt (p-Akt) als Marker für Aktivierung.
  • Totales Akt als Kontrollprotein.
• Zusätzliche Kontrollen: Nutze spezifische Inhibitoren (z.B. PI3K-Inhibitor LY294002), um sicherzustellen, dass Änderungen in der Akt-Phosphorylierung spezifisch für den PI3K/Akt-Signalweg sind.

Erwartete Ergebnisse

• Kontrollgruppe: Geringere oder keine Detektion von phosphoryliertem Akt (p-Akt) unter Standardbedingungen, was einem basalen Aktivitätsniveau des PI3K/Akt-Signalwegs entspricht.
• Stressgruppe: Abhängig von der H₂O₂-Konzentration und Inkubationszeit könnten verschiedene Ergebnisse beobachtet werden:
  • Niedrige H₂O₂-Konzentration (50 μM): Eine leichte, aber signifikante Erhöhung der p-Akt-Level, da oxidativer Stress oft Zellüberlebenswege wie PI3K/Akt aktiviert.
  • Mittlere bis hohe H₂O₂-Konzentrationen (100-200 μM): Zuerst eine Erhöhung der p-Akt-Niveaus, gefolgt von einer möglichen Abnahme bei längerer Exposition, da starker und anhaltender oxidativer Stress zu Zellschäden und Apoptose führen kann.
• Spezifische Inhibition: In Zellen, die mit einem PI3K-Inhibitor behandelt wurden, sollten die p-Akt-Level signifikant reduziert sein, unabhängig von der H₂O₂-Behandlung.

Zusammengefasst dient dieses experimentelle Design dazu, die Balance zwischen Zellüberleben und Zellschädigung/Aktivierung im Kontext des PI3K/Akt-Signalwegs unter oxidativem Stress zu untersuchen. Die Ergebnisse könnten wertvolle Einblicke in die Modulation dieses Signalwegs unter stressigen Bedingungen liefern.