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Altklausurfragen pre 2023

DW
by Daniela W.

Nennen Sie einen möglichen Ursprung für Operons.

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  • Rolle des Horizontellen Gentransfers: Vorteil komplette Sets an Genen zu übertragen und dem Empfänger einen definierten Phenotyp zu übertragen

  • evtl. ausgehend von thermophilen Bakterien

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  1. Gen-Duplikation und -Fusion: Durch Gen-Duplikation könnten mehrere Kopien eines Gens entstanden sein, die sich anschließend unterschiedlich spezialisiert haben. Diese Duplikate könnten sich dann in der Nähe zueinander angeordnet haben, um unter der Kontrolle eines einzigen Promotors reguliert zu werden, was zur Bildung eines Operons führte. Dies könnte durch genetische Rekombination oder andere chromosomale Veränderungen geschehen sein.

  2. Horizontaler Gentransfer: Bakterien können Gene über horizontalen Gentransfer austauschen. Wenn mehrere funktionell verwandte Gene zusammen übertragen werden, könnten sie sich in einem neuen Wirt zu einem Operon zusammenschließen, um eine koordinierte Regulation zu ermöglichen. Diese Zusammenführung könnte durch gemeinsame Regulationselemente und Promotoren begünstigt werden.

  3. Selektionsdruck: Ein starker Selektionsdruck könnte die Bildung von Operons begünstigt haben. Organismen, die in der Lage waren, mehrere Gene gemeinsam und effizient zu regulieren, hatten möglicherweise einen Vorteil in bestimmten Umgebungen, was zu einer natürlichen Selektion für solche genetischen Strukturen führte.

  4. Regulatorische Effizienz: Die Nähe von funktionell verwandten Genen kann die regulatorische Effizienz erhöhen. Wenn Gene, die an demselben Stoffwechselweg beteiligt sind, nah beieinander liegen, können sie leichter und schneller durch gemeinsame Regulatorproteine kontrolliert werden. Dies könnte zur Selektion für die Bildung von Operons geführt haben.

  5. Co-transkriptionale Vorteile: Die gleichzeitige Transkription von Genen, die für zusammenarbeitende Proteine kodieren, könnte den Zusammenbau von Proteinkomplexen erleichtern und sicherstellen, dass alle notwendigen Komponenten in den richtigen Verhältnissen vorhanden sind. Dies könnte einen evolutionären Vorteil bieten und die Bildung von Operons fördern.


Was ist ein Sigma Faktor? Wofür wird dieser in der Transkription benötigt? Welcher Sigma Faktor tritt am häufigsten auf?


Untereinheiten der bakteriellen RNA-Polymerase, die notwendig sind, um die RNA-Polymerase an spezifische Promotorsequenzen der DNA zu binden und die Transkription zu starten

  1. Promotorerkennung: Sigma-Faktoren erkennen und binden spezifische Promotorsequenzen auf der DNA.

  2. Initiation der Transkription: Nachdem der Sigma-Faktor die RNA-Polymerase an den Promotor gebunden hat, hilft er bei der Entwindung der DNA-Doppelhelix, um den Einzelstrang als Matrize für die RNA-Synthese zugänglich zu machen. Dies ermöglicht den Beginn der RNA-Transkription.

  3. Austauschbarkeit: Verschiedene Sigma-Faktoren können je nach Umweltbedingungen oder Wachstumsphasen unterschiedliche Gene regulieren. Bakterien verfügen über mehrere Sigma-Faktoren, die jeweils spezifische Promotoren erkennen und so die Expression verschiedener Gen-Sets steuern.

  4. Regulation der Genexpression: Sigma-Faktoren ermöglichen es Bakterien, schnell auf Umweltveränderungen zu reagieren. Zum Beispiel kann ein bestimmter Sigma-Faktor aktiviert werden, wenn die Zelle Stressbedingungen ausgesetzt ist, wodurch Gene exprimiert werden, die an der Stressantwort beteiligt sind.

  5. Spezifität und Funktion: Jeder Sigma-Faktor hat eine spezifische Rolle und erkennt eine bestimmte Gruppe von Promotoren:

    • Sigma-70 (σ70): Der Haupt-Sigma-Faktor, der für die Transkription der meisten Haushaltsgene unter normalen Wachstumsbedingungen verantwortlich ist.

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  • dissociable subunit of the RNA polymerase holoenzyme needed for transcription initiation from promoter elements 

  • enables specific binding of promoter region

  • There are multiple interchangeable sigma factors, each of which recognizes a distinct set of promoters (promoters of house-keeping/heat-shock genes)

  • σ70 (primary sigma factor) is expressed under normal conditions in E. coli

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Was für einen Vorteil hat es, wenn Gene sich zu einem Operon zusammengefügt haben?/Vorteil von Operons?


???

Defintion operon:

  • Multigene bacterial operons have one promoter and one transcriptional stop. The transcript holds more than one gene with multiple translational starts and stops.

Reason:

  1. Koordinierte Genexpression: Durch die Organisation von Genen in einem Operon können alle Gene, die für eine bestimmte biochemische Funktion oder einen Stoffwechselweg benötigt werden, gleichzeitig und in einem koordinierten Muster exprimiert werden. Dies gewährleistet, dass alle benötigten Proteine in der richtigen Menge zur Verfügung stehen.

  2. Effizienz in der Genregulation: Ein Operon ermöglicht die Regulierung mehrerer Gene durch eine einzige regulatorische Region (wie einen Promotor und einen Operator). Dies spart Energie und Ressourcen, da nur ein Regulatorprotein notwendig ist, um die Expression mehrerer Gene zu steuern.

  3. Schnelle Anpassung an Umweltveränderungen: Bakterien können schnell auf Änderungen in ihrer Umwelt reagieren, indem sie die Expression ganzer Gencluster in einem Operon anpassen. Zum Beispiel kann ein Bakterium, das in eine Umgebung mit Laktose gelangt, schnell die Gene des Lac-Operons aktivieren, um die Laktose zu verwerten.

  4. Synchronisierte Abschaltung: Ebenso wie die gleichzeitige Aktivierung ermöglicht ein Operon die gleichzeitige Abschaltung der Genexpression. Dies ist nützlich, wenn die Produkte der Gene nicht mehr benötigt werden, was Energie und Ressourcen spart.

  5. Kompakte genetische Organisation: Operons tragen zur kompakten Organisation des Genoms bei, was besonders in prokaryotischen Zellen mit ihrem begrenzten Platzangebot wichtig ist.

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Repetitive Sequenzen

Nennen Sie alle Klassen von Interspersed Repeats.


“Complex repeats” (interspersed repeats)

  • Constitute ~45% of the human genome

  • Derived from biologically active ‘transposable elements’ (TEs)

  • Involve RNA intermediates (retroelements) or DNA intermediates (DNA transposons)

  • Retroelements: reproduce via reverse transcription followed by integration into the host DNA

    • long-terminal repeat transposons (LTR)

    • long interspersed elements (LINEs); these encode a reverse transcriptase

    • short interspersed elements (SINEs); these include Alu repeats

    • DIRS-like elements

    • Penelope-like elements (PLEs)

  • DNA transposons: capable of integrating themselves to, and excising themselves from, the host genome, thus taking advantage of the host replication through this ‘cut-and-paste’ mechanism.

    • DNA transposons constitute 3% of the human genome

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  1. Transposable Elements (TEs):

    • Class I TEs (Retrotransposons): These elements transpose through an RNA intermediate. They are transcribed into RNA, which is then reverse transcribed back into DNA and inserted into a new location in the genome. Subtypes include Long Interspersed Nuclear Elements (LINEs) and Short Interspersed Nuclear Elements (SINEs).

      • LINEs: Autonomous elements capable of independent transposition.

      • SINEs: Non-autonomous elements that rely on the enzymatic machinery of LINEs for their transposition.

    • Class II TEs (DNA Transposons): These elements transpose directly through a DNA intermediate. They cut and paste themselves into new locations within the genome.

  2. Processed Pseudogenes: These are non-functional sequences derived from functional genes through retrotransposition. They are created when mRNA transcripts are reverse transcribed and inserted back into the genome without their regulatory elements.

  3. Other Retrotransposons: This category includes elements like endogenous retroviruses (ERVs), which are remnants of ancient viral infections that have integrated into the host genome.

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  • Interspersed repeats: 

    • Retroelements:

      • LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements) [autonomous]

      • SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements) [nonautonomous]

      • LTRs (Long Terminal Repeat Retrotransposons)

    • DNA-Transposons

  • Tandemly repeated DNA: 

    • Microsatellites 

    • Minisatellites

    • Cryptically simple repeats 

    • Low complexity repeats 

    • Satellite and telomeric repeats 

  • Segmental Duplications

GREY:

  • TIRs (Terminal inverted repeats)

  • PLEs (Penelope-like elements)

  • DIRS-like elements


Erläutern Sie den Arbeitsablauf des targetScan Algorithmus.

Welche Daten benötigt man für deren Berechnung?

Welche Nachteile haben diese?

TargetScan: 

  • Vorhersage von miRNA-Zielgenen

  • thermodynamics-based modeling of RNA:RNA duplex interactions

  • comparative sequence analysis

Input:

  • miRNA that is conserved in multiple organisms 

  • a set of orthologous 3‘ UTR sequences from these organisms

Structures, energies, and scoring for predicted RNA-duplexes

  • search the UTRs in the first organism for segments of perfect Watson-Crick complementarity to bases 2–8 of the miRNA: “miRNA seed” and “seed matches”

  • extend each seed match with additional base pairs to the miRNA as far as possible in each direction, allowing G:U pairs, but stopping at mismatches

  • optimize basepairing of the remaining 3‘ portion of the miRNA to the 35 bases of the UTR immediately 5‘ of each seed match using the RNAfold program

  • assign a folding free energy G to each such miRNA:target site interaction

  • assign a Z score to each UTR

  • sort the UTRs in this organism by Z score and assign a rank Ri to each

predict as targets those genes for which both Zi≥ZC and Ri≤RCfor an orthologous UTR sequence in each organism, where ZC and RC are pre-chosen Z score and rank

Nachteile:

  • Incompleteness of orthologous gene annotations

  • Some targets may not meet the stringent seed matching, Z score, or rank criteria

  • Some target sites may lie outside the 3‘ UTR (plants)

  • Some targets may not be conserved in the complete set of organisms

⇒ The actual number of target genes regulated by each miRNA is likely to be substantially higher

Author

Daniela W.

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