Eukaryotic Gene Expression – Complexity of RNA Structure

00:01 In dieser Präsentation werden wir beginnen, eine Idee über die der Komplexität der RNA zu erhalten und auch die Komplexität und die Art und Weise, wie RNAs hergestellt werden.

00:08 Ich werde hier die Themen der eukaryotischen Genexpression behandeln und RNAs und RNA-Polymerase, wie wir sehen werden.

00:16 In Eukaryoten ist das Szenario für die Herstellung von RNA sehr kompliziert.

00:21 Die Proteine, die die DNA umhüllen, die den Protein-DNA-Komplex bilden genannt Chromatin, spielen eine wichtige Rolle bei der grundsätzlichen Verhinderung der Genexpression.

00:32 Damit also Gene in Eukaryonten exprimiert werden, müssen sie nicht nur in der Lage sein, dass die Polymerase den Promotor findet, sie müssen auch in der Lage sein, eine Region zu erschließen, damit der Promotor gefunden werden kann.

00:44 Und genau darüber möchte ich ein wenig sprechen.

00:47 Die Komplexität ist also enorm.

00:49 Und darüber hinaus, sind die Sequenzen größer und die Gene sind sehr weit voneinander entfernt.

00:56 Also Chromatin, um es zu definieren, ist ein Komplex aus DNA und Histonproteinen, die das bilden, was wir als die Chromosomen bezeichnen.

01:04 Die Histonproteine sind positiv geladene kleine Proteine, mit der die DNA umhüllt ist, wie wir sehen werden.

01:11 Um der DNA-Polymerase zu helfen, die richtige Sequenz zu finden, gibt es Proteine genannt Transkriptionsfaktoren, die helfen, diesen Prozess zu erleichtern.

01:21 Und sie funktionieren auf unterschiedliche Weise.

01:23 Und eine der Möglichkeiten, die ich hier besprechen werde, ist die durch die Verwendung von Enhancer-Sequenzen, die sie binden, um den Aufbau der der Transkriptionsmaschinerie zu erleichtern.

01:33 Nun, Chromatin ist das erste, was ich besprechen muss, weil Chromatin ist wirklich ein Komplex, der bewältigt werden muss, damit die RNA gemacht werden kann.

01:41 Wie ich schon sagte, ist es ein Komplex aus DNA und Protein, und in einigen Fällen auch RNA, die die eukaryotischen Chromosomen umfassen.

01:48 Damit die RNA-Polymerase die Transkription durchführen kann, muss dieses Chromatin verändert werden, sodass es einen Zugang zur DNA gibt.

01:58 Um Ihnen eine Vorstellung von dieser Komplexität zu geben, zeige ich Ihnen diese Bilder hier unten.

02:03 Und sie beginnen auf der linken Seite mit einer sehr weit entfernten Ansicht der Chromosomen, wie man es unter dem Mikroskop sehen könnte.

02:10 Und dann zoome ich der Reihe nach näher, und näher, und näher und gelange schließlich zu den einzelnen DNAs.

02:16 Wenn wir also ganz links beginnen, können wir ein Metaphase-Chromosome sehen, wo wir nur die grundlegenden Spulen haben, die dort vorhanden sind.

02:24 Und diese würden in einem Mikroskop für sichtbares Licht sichtbar sein.

02:27 Zoomen Sie noch ein wenig weiter hinein, können wir sehen, dass diese Spulen einige verschiedene Dinge besitzen, die helfen, sie zusammenzuhalten.

02:33 Und wenn wir noch weiter gehen, gelangen wir zu einem Interphasen-Chromosom, bei dem wir einen Teil des Chromosoms sehen können, der möglicherweise an der Herstellung von RNA beteiligt ist.

02:42 Wenn wir genauer hinschauen, sehen wir die Schleifen der einzelnen Chromatinfasern.

02:50 Die Fasern haben eine Struktur namens 30-Nanometer-Faser, die Sie hier aus der Ferne sehen können, und wenn man noch näher herangezoomt, können Sie nun sehen, dass sie eine sehr straffe Organisation haben.

03:02 Und aktiv transkribierende Gene haben eine DNA-Region, die als Perlen auf einer Schnur beschrieben werden, so wie hier zu sehen.

03:10 Und wenn man diese Perlen an einer Schnur näher betrachtet, entdecken wir, dass sie aus DNA bestehen, die um diese einzelnen Histonproteine gewickelt sind, die ich beschrieben habe.

03:21 Und natürlich, wenn wir die Histon-Proteine ablösen, bleibt uns die bloße DNA.

03:28 Nun ist ein Nukleosom ein Begriff, mit dem wir vertraut sein müssen.

03:32 Diese Schleifenstruktur, die ich in der letzten Abbildung beschrieben habe, wird Nukleosom genannt.

03:36 Es ist also die einfachste Einheit der Chromatin-Struktur.

03:39 Und Sie können es hier sehen.

03:41 Innerhalb dieser Schleife, sehen Sie verschiedene farbige Proteine.

03:45 Und es wurden tatsächlich acht Proteine innerhalb dieser Schleife gefunden.

03:49 Es gibt jeweils zwei Kopien von vier Histonproteinen namens H2a, H2b, H3, und H4.

03:58 Die DNA ist um diesen Kern gewickelt, wie Sie hier sehen.

04:01 Und dann gibt es ein zusätzliches Protein namens H1, das ist auf der Außenseite.

04:05 Und Sie können sehen, wie dieser Umhüllungsprozess hier abläuft.

04:09 Nun werden Sie feststellen, dass die Proteine positiv geladen sind und das hilft ihnen bei der Interaktion mit der DNA, weil das DNA-Grundgerüst negativ geladen ist.

04:18 Wir sollten auch an das Histon H1 denken.

04:20 Es verdichtet und hält die Struktur zusammen.

04:23 Es hilft bei der Stabilisierung des Nukleosoms.

04:26 Nun ein wichtiger Punkt, den ich erwähnt habe, ist, dass die Histonproteine positiv geladen sind.

04:32 Das bedeutet, dass sie reich an basischen Aminosäuren sind, typischerweise Arginin und Lysin.

04:37 Und um die Struktur des Chromatins zu ändern, müssen wir die positive Ladung ändern, weil diese starke Anziehungskraft zwischen den positiven und negativen Ladungen ist das, was sie sehr fest zusammenhält.

04:49 Und der enge Zugang dieser Histonproteine zur DNA hemmt tatsächlich den Prozess der Transkription.

04:57 Wir können uns nun also vorstellen, dass dieser Typ Kern gewissermaßen gelockert werden muss oder Zugang zur Maschinerie der Transkription erhalten muss, damit die Transkription stattfinden kann.

05:07 Es finden tatsächlich chemische Veränderungen statt, die es ermöglichen, dass diese Veränderungen bei der Transkription auftreten.

05:13 Und die chemischen Veränderungen, die auftreten, ändern die positiven Ladungen.

05:18 Eine Gruppe von Enzymen, genannt die Histon-Acetyl-Transferasen oder HATs, verwenden Acetyl-CoA, um einige der positiven Ladungen der Lysinreste, die in Histonen vorkommen, zu ändern.

05:29 Diese Aktion hat zur Folge, dass ihre negative Ladung zu neutralisieren.

05:32 Denn durch das Anbringen dieser Acetylgruppe, ändert sich die Ladung der Seitenkette von Lysin von positiv zur Ladung Null.

05:40 Diese Null-Ladung, wie Sie sich vielleicht vorstellen können, ermöglicht eine Art Auflockerung der Interaktion zwischen den Histonproteinen und der DNA.

05:48 Diese Art der auflockernden Interaktion wird Remodellierung oder Umstrukturierung des Chromatins genannt.

05:52 Und das muss geschehen, damit die Transkription stattfinden kann.

05:56 Wir sehen den Duplex unten rund um die Histone herum, auflockert durch die chemische Modifikation.

06:01 Dies führt zu dem Szenario auf der rechten Seite.

06:03 Anstatt viele Spulen zusammen zu haben, haben wir einzelne Spulen wie die Perlen auf einer Schnur, die wir vorhin gesehen haben.

06:10 Zusätzlich zu der Tatsache, dass ihre Ladungen geändert wurde und diese Öffnung ermöglicht wurde, wie Sie hier sehen, kann das acetylierte Lysin ein spezifisches Ziel für Proteine, die die Transkription beeinflussen, sein.

06:19 Ein Grund, warum dies geschieht, ist, dass die DNA offen ist.

06:22 Ein weiterer Grund ist, dass die Acetylgruppe ein Ziel für ein Protein ist, das auch bei der Fokussierung der Transkriptionsmaschinerie, um an die Stelle zu gelangen, wo die Transkription stattfinden soll, hilft.

06:32 Acetyl-CoA wird auch zur Deckung der positiv geladenen Reste von Lysin verwendet.

06:38 Die Histon-Acetylierung begünstigt nun, was wir Euchromatin nennen.

06:42 Euchromatin ist also ein Teil des gesamten Chromatins, das ist der Teil des Chromosoms, der transkriptionell aktiv ist.

06:50 Die Acetylierung begünstigt also die Transkription.

06:53 Wir können diesen Unterschied hier in diesem Schaltplan rechts unten auf dem Bildschirm sehen.

06:58 Wir sehen das sogenannte Heterochromatin, das war die Struktur, die wir vor der Acetylierung erhielten.

07:03 Und wir sehen das Euchromatin, das ist das, was wir danach haben.

07:07 Euchromatin wird beschrieben als aktiv und Heterochromatin wird als stumm beschrieben.

07:12 Wenn die Acetylierung die Bildung von Euchromatin begünstigt, dann ist die Entfernung der Acteylgruppe wesentlich für die Bildung von Heterochromatin.

07:22 Es gibt auch Enzyme namens Histon-Desacetylasen, die die Auswirkungen umkehren.

07:26 Und das tun sie, indem sie die Acetylgruppen aus den Seitenketten von Lysin entfernen.

07:31 Jetzt wird das Lysin positiv geladen und diese geordnete Struktur namens Heterochromatin bildet sich.

07:38 Dieses Heterochromatin wird nicht transkriptionell aktiv sein.

07:41 In Eukaryoten ist also die Fähigkeit RNA herzustellen, abhängig davon, ob das Chromatin sich im Zustand des Euchromatins oder im Zustand des Heterochromatins befindet.

07:55 Nun gibt es zahlreiche Änderungen, die an Histonproteinen vorgenommen werden.

07:59 Ich möchte nicht den Eindruck erwecken, dass die Acetylierung die einzige ist, die die stattfindet.

08:02 In der Tat, in einer Abbildung, die ich in einer Minute zeigen werde, gibt es eine Menge verschiedener Dinge, die mit den einzelnen Histonproteinen passieren können.

08:10 Dazu gehören Acetylierung und Deacetylierung, Methylierung und Demethylierung, also das Anbringen von Methylgruppen, Phosphorylierung und Dephosphorylierung, und Ubiquitinierung.

08:21 Also jede dieser einzelnen Änderungen können die einzelnen Histonproteine beeinflussen.

08:27 Also, in dieser Präsentation werde ich nicht in der Lage sein, all die verschiedenen Szenarien, die es gibt, durchzugehen.

08:31 Aber Sie können sich vorstellen, dass diese Änderungen vorhanden sind und zur Erleichterung entweder des Heterochromatin-Zustands oder des Euchromatin-Zustands beitragen.

08:39 Die chemischen Veränderungen an Basen in der DNA können diesen Prozess ebenfalls beeinflussen.

08:44 Und wir werden in einer späteren Folie sehen, wie dies zustande kommt.

08:48 Trotz dieser sehr komplexen Folie, können wir uns entspannen.

08:51 Ich werde sie nicht mit Ihnen durchgehen, aber diese sehr komplexe Folie zeigt die einzelnen Änderungen für jedes der einzelnen Proteine im Histonkern, dass der Kern von acht Proteinen in der Mitte des Nukleosoms ist, die mit jedem dieser Proteine passieren können.

09:09 Nun sind Eukaryoten sehr komplex. Sie brauchen eine Menge Kontrollen.

09:14 Sie unterscheiden sich von E. coli.

09:16 E. coli hat einige ziemlich einfache Bedürfnisse.

09:18 Habe ich Energie? Brauche ich Energie? Habe ich Laktose? Brauche ich Laktose? In eukaryotischen Zellen gibt es feinere Stufen der Kontrolle, die eingehalten werden müssen.

09:29 Bin ich eine Hautzelle? Bin ich eine Muskelzelle? Bin ich differenziert? Werde ich etwas anderes werden? Welche Bedürfnisse habe ich im Moment? Die Bedürfnisse sind also sehr, sehr breit gefächert.

09:41 Und diese weitreichenden Bedürfnisse sind sehr wichtig, richtig kontrolliert zu werden.

09:46 Wie wir also in einer anderen Präsentation über die Kontrolle des Laktose-Operons von E. coli unter sehr einfachen Umständen gesehen haben, sind die vielfältigen Umstände, in denen sich eine eukaryotische Zelle befindet, erstaunlich komplex.

09:58 Und deshalb sehen wir die Komplexität dieser Steuerelemente auf dem Bildschirm.