VORLESUNGSFRAGE/ ÜBUNGSFRAGE 2:
Nukleosome
In dieser Vorlesung geht es ohne Ende um Verpackung und Histone. Ich mag Histone und DNA Verpackung, das wird bestimmt lustig. Ok fangen wir an:
Oben sehen wir ein Interphase Chromatin. Kurzer Blick auf die Zelluhr:
Im dekondensierten Chromatin sehen wir “Perlen”, bei diesen Perlen handelt es sich um Nukleosome.
Wie ist ein Nukleosom aufgebaut? (Übungsfrage 2)
Sind Histone die einzigen Proteine die DNA verpacken?
Wir haben ja schon gelernt, dass Histone während der Transkription irgendwie nerven. Sogenannte NAPs (siehe Backert Vorlesung) können helfen, die DNA während der Transkription zugänglich zu machen. Es gibt auch Proteine, die die Position der Histone verschieben können. Dieser Prozess ist ATP abhängig. Das zeigt uns, dass die Position der Histone nicht statisch sondern beweglich ist.
Wir wissen ein Nukleosom besteht aus H2A, H2B, H3 und H4. Hast du dich vielleicht gefragt wo H1 bleibt?
Was macht H1?
Welchen Verpackungsmechanismus nutzen die Histone noch?
Fertig mit Teil 1.
Ein Nukleosom besteht auch ACHT Histonen. H2A, H2B, H3 und H4 je zwei Mal, sowie 146 nt DNA um die Histone gewickelt und 80 nt zwischen den Histonen.
Nein natürlich nicht.
Das Histon H1 bindet an die DNA, die aus dem Nukleosom austritt/eintritt und hilft weiter zu kompaktieren
Welchen Verpackungsmechanismus nutzen Histone im Nukleosom noch?
Jedes Histon besitzt einen N-terminalen Schwanz, also pro Nukleosom acht Schwänze, die an die Schwänze benachbarter Nukleosomen binden und so eine Oligomerstrukltur bilden
VORLESUNGSFRAGE/ ÜBUNGSFRAGE 1 & 6:
Histoncodes
Wir haben schon gelernt, dass die acht Histone im Nukleosom jeweils einen N-terminalen Schwanz haben. Dieser wird beschriftet. Hehe. Also kovalent und reversibel modifiziert. Das ist der sogenannte Histoncode. Einer ist auch dein Passwort. So ein Histoncode sieht z.B. so aus:
H3Lys19ac
H3 für Histon 3, Lys für Lysin an der Stelle 19 und darauf befindet auch eine Acetylierung. Neben Acetylierung gibt es noch Phosphorylierung, Ubiquitylation und Methylierung.
(Übungsfrage 1): Welche Histonmodifikationen gibt es und was ist ihre Funktion? Nennen sie für zwei Beispiele die entsprechenden Enzyme, die die Modifikationen vornehmen oder entfernen.
Okay kommen wir bei der Karte nochmal auf die Geheimnisse der Epigenetik zurück.
Sieht bisschen wirr aus, aber man grob erkennen.
Wie wird der Histoncode vererbt? (Übungsfrage 6)
Auch in der Vererbung des Histoncodes können Fehler entstehen. So durch die weitergabe eines Oncohistons, H3K27M, verursacht Gehirnturmor bei Kindern. Diese Histonmodifikation bindet eng an den Reader Writer Komplex PRC2 und gibt die Modifkation an benachbarte Nukleosomen weiter.
VORLESUNGSFRAGE/ ÜBUNGSFRAGE 1:
Unter Histonmodifiaktionen versteht man die kovalent und reversible Modifikation an den N-terminalen Enden der acht Histone innerhalb eines Nukleosoms. Zu diesen Modifikationen zählen:
Ubiquitylation
Methylierung
Acetylierung
und Phosphorylierung
Acteylierung am Lysin
Durch die Acetylierung von Lysin via HAT (Histonacetyl-Transferase) verliert die Aminosäure ihre positive Ladung, so wird die Bindung zwischen Histon und DNA geschwächt, und die DNA ist besser ablesbar. Dieser Prozess ist reversibel durch das Enzym HistonDEacetylase HDAC.
Methylierung am Lysin
Ein Lysin kann dreifach methyliert werden durch eine Methylase und reversibel durch eine Demethylase. Wichtig zu wissen, durch die Acetylierung von Lysin verliert die Aminsosäure ihre positive Ladung, somit kann ein acetyliertes Lysin niemals methyliert werden und vice versa.
Phosphorylierung am Serin
Serin wird gerne Phosphoryliert, wissen wir ja, durch Phosphatase uns reversibel durch Kinase.
Chromatin-Reader-Komplexe lesen diese Histoncodes und vermitteln so zelluläre Antworten.
Beispiel 1: H3K27me3 - fakultatives Heterochromatin
wird produziert durch den Reader-writer-Komplex PRC2, PRC2 verbidnet die H3-Schwänze und führt zu einer engeren Verpackung
Beispiel 2: H3K9me3 - fakultatives Heterochromatin
in repeat Sequenzen wie Telomeren, gebunden von HP1 Dimeren, die zwei Nukleosomen zusammenbringt.
Parentales H3 und H4 bleiben mit der Replikationsgabel assoziiert, und werden zufällig auf einen neuen DNA Strang geladen. H2A und H2B werden entfernt und danach durch NAP1 wider eingebaut, neue Nukleosome entstehen. Neu synthestisierte Histone werden in DNA eingebaut - > 50 Prozent parental mit Histonmodifikation, 50 Prozent neusynthetisiert auf der neuen DNA.
Reader Writer Komplexe können dann die gleichen Muster von Modifikationen an benachbarte Nukleosomen weitergeben.
VORLESUNGSFRAGE/ÜBUNGSFRAGE 7
Zentromere
125 Nucleotide wickeln sich hier um ein besonderes Histon-Oktamer.
Hier sehen wir ein Hefe-Centromer:
In den Nukleosomen von Centromeren gibt es eine spezielle Histon3-Variante. Ein sequenzspezifisch-bindendes Protein, hier blau, bindet an das Nukleosom mit dem ausgetauschten H3 (mit Centromerprotein A CENP-A). Dieses wiederum kann dann mit Hilfe anderer Proteine ein Mikrotubuli fassen.
Bei Säugern ist es ähnlich, aber bisschen anders. Auch hier gibt es eine ausgetauschte H3-Variante CENP-A, aber die DNA Sequenz ist nicht entscheidend, sondern bindende Proteinkomplexe. Die DNA besteht hier aus Millionen sich wiederholenden Nukleotiden (alpha satellite DNA) und der Histonmodifikation H3K9me3, die wir schon kennen im konstitutiven Heterochromatin.
Welches Protein bindet an die Histonmodifikation H3K9me3?
Auch sind die Centromere in Säugern viel größer. Sie fassen nicht nmur ein Mikrotubuli sondern…
Wieviel Microtubuli fasst ein Säugercentromer?
Hoch repetitive DNA gibt es nicht nur am Centromer. Das führt manchmal dazu, dass sich ein neues Centromer bildet, ein sogenanntes Neozentromer.
Einer von 2000 SÄuglingen besitzt ein sogenanntes Neo-Zentromer. Okay das ist total spannend ich will unbedingt mehr darüber wissen. Bisher weis man noch nicht so viel darüber. Man glaubt (wiki), die Bildung von Neozentromeren ist ein epigenetischer Prozess, hat also nichts mit einer Veränderung der DNA sequenz zu tun. Bei Kindern mit NEozentromeren kommt es wohl häufig zu Entwicklungsverzögerungen. Man glaubt, durch Chromosomenumlagerung wurde versucht ein neues Zentromer zu erzeugen, um ein fehlendes auszugleichen. Neozentromere findet man auch in Krebszellen.
(Übungsfrage 7) Erklären sie den Aufbau und die Funktion eines Zentromers.
HP1
20 oder mehr
Ein Zentromer ist die Zentromerregion in einem replizierten mitotischen Chromosom und wichtig für eine stabile Vererbung. Hier werden die Schwesterchromatide durch Mikrotubuli geteilt. Die Mikrotubuli greifen am Kinetochore an.
VORLESUNGSFRAGE/ ÜBUNGSFRAGE 4:
Chromatin
Man unterscheidet zwei Arten von Chromatin. Jede Art von Chromatin basiert auf die Bildung von Nukleosomen, jedoch sind sie unterschiedlich organisiert durch Verpackungsproteine, welche nicht zu den Histonen zählen.
(Übungsfrage 4) Welche Arten von Chromatin gibt es und wie zeichnen sie sich aus?
Die Chromatinstruktur ist relevant für die Genexpression, das wissen wir ja schon. Das zeigt auch ein Experiment mit Drosophila. Drosophila besitzt ein Gen, welches für rote Augem verantwortlich ist, es heißt white. Es heißt so, weil es entdeckt wurde durch eine Mutation, die dazu führte, dass die Augen von Drosophila weiß wurden. Versetzt man nun dieses Gen vom Euchromatin in die Nähe des Heterochromatin, entsteht eine Fliege mit teilweise roten und weißen Augen. So:
Was ist da jetzt passiert? Hat eine Drosophila ein intaktes white Gen, hat es eine gesunde Pigmentierung und somit rote Augen. Wird das Gen versetzt, zeigen die weißen Stellen wo Teile des Gens inaktiviert wurden durch das Heterochromatin. Ein bisschen so, als würde man eine Lichterkette teilweise hinter Holz verschwinden. Man sieht nur einen Teil leuchten.
Wie kann sich Heterochromatin ausbreiten und wie wird die Ausbreitung verhindert (Übungsfrage 5)
Man unterscheidet zwei Arten von Chromatin.
Wir unterscheiden grob Euchromatin (60 Prozent) und Heterochromatin (40 Prozent).
Von dem Euchromatin liegt ein Teil (20 Prozent des Gesamtchromatins) in einer gelockerten aktiven Form vor (stark abgelesene Gene wie Histone und schwach abgelesene Gene). Der restliche Teil des Euchromatins (40 Prozent) in einer stillgelegten Form. Die Hälfte des stark verpackten Heterochromatins ist permanent verpackt z.b. Telomere, während fakultatives Heterochromatin wichtig für die Embryonalentwicklung ist.
Wie kann sich Heterochromatin ausbreiten udn wie wird die Ausbreitung verhindert (Übungsfrage 5)
Heterochromatin kann sich am Rande des Zellkerns ausbreiten und vererbt werden. Gene, die dafür sorgen dass sich das Heterochromatin “ausbreitet” modifizieren häufig Histone, wie Reader/Writer-Komplexe. Verhindert werden kann das durch sogenannte Barrieresequenzen, das sind DNASequenzen die Barriereproteine binden. Diese Barriereproteine verhindern Histonmodifikationen.
VORLESUNGSFRAGE/ÜBUNGSFRAGE 3 & 8:
Chromosome & Verpackung
Im nächsten Schritt schauen wir uns die Chromatinschleifen an.
Die Schleifen sind für die Genexpression da. Hier sehen wir schon die Struktur eines Chromosoms.
Hier zu sehen sind Riesenchromosome von Drosophila. Das Bandenmuster zeigt uns, dass dunkle Bänder (Heterochromatin) dicht verpackt sind und ausgeschalten. Das sind 95 Prozent, der Rest ist Euchromatin.
Im Zellkern sieht dass dann so aus:
Chromosome nehmen “Territorrien” ein. Genreiche Bereiche translozieren während der Genxpression praktischer weise eher im Zellinneren, so wie wir ja auch schon gelernt haben, dass Heterochromatin sich am Kernrand ausbreiten kann.
Mit diesem Wissen kannst du kurz und kernig die folgende Übungsfrage beantworten:
Wie ist das Chromatin im Zellkern verteilt? (Übungsfrage 3)
Wie sind SMC-Proteine aufgebaut und welche Funktion haben sie? (Übungsfrage 8)
Der vollständigkeit halber. Welche Möglichkeiten gibt es, dass Transkriptionsfaktoren trotz Histonen an die DNA binden können?
VORLESUNGSFRAGE/ÜBUNGSFRAGE 3:
Das Heterochromatin befindet sich durch Interaktion mit der nuklearen Lamina eher an der Kernhülle, während genreiche Bereiche durch Genexpression ins Zellinnere wandern, um dort besser zugänglich für die Transkription zu sein.
SMC steht für structural maintenance of the chromosoms.
Die Kernform von SMC ist ein langes Protein, etwa 1000 bis 1500 Aminosäuren lang, welches sich zu einer antiparallel gedrehten Spirale mit kugelförmiger Domäne formt. Zwei dieser Moleküle bilden gemeinsam eine Ringstruktur mit einem flexiblen Scharnier auf der einen Seite und einer ATP-Binde-Domäne auf der anderen Seite. Anschließend werden weitere Untereinheiten hinzugefügt um entweder Cohesin oder Condensin zu bilden.
In Bakterien halten SMC-Proteine das ringförmige Genom von Bakterien zusammen. (???)
Cohesin: bildet Schleifen im Interphase-Chromatin, gestoppt durch CTCF. CTCF bindet dabei sequenzspezifisch. CTCF funktioniert hierbei als Barriere und Isolatorprotein. Während der Mitose hält Cohesin die Schwesterchromatide zusammen.
Condesin: Condensin I und Condensin II bilden eine Loops wihtin loops- Struktur und organisieren das Mitose-Chromatin anstelle von Cohesin.
Während der Replikation bleiben die Condesinringe mit der DNA verbunden. Erst das Öffnen der Condesinringe ermöglicht das Trennen der Schwesterchromatide in der Anaphase.
“Atmung” von Nukleosomen
Chromatin remodelling factors
TFs wie Oct4 und Sox2 die Chromatin remodelling factoren recrutieren
VORLESUNGSFRAGE& ÜBUNGSFRAGE 11 & 13 & 14 & 15
DNA Schäden
Hier siehst du eine Reihe Krankheiten die ausgelöst werden durch fehlerhafte DNA Reperatur. Brca1/2 häfigste Ursache Eierstockkrebs.
Die häufigsten Arten von DNA-Schäden sind Depurination oder Deaminierung.
Was passiert bei einer Depurination?
Was passiert bei einer Deaminierung?
Das gute ist, wir haben ja auch immer einen zweiten DNA Strang, der zur Reperatur herhalten kann. Deswegen hat kaum ein Organismus kein ds Genom.
Erkläre den Unterschied zwischen Basen-Exzisions-Reperatur und Nukleotid-Exzisions-Reperatur. (Übungsfrage 11)
Wofür ist eine mismatch Reperatur wichtig? (Übungsfrage 13)
Was passiert wenn Schäden während der DNA Replikation entdeckt werden? Welche zwei möglichen Reperatursysteme kann die Zelle nutzen? (Übungsfrage 14)
Wie werden Doppelstrangbrücke in der DNA repariert? (Übungsfrage 9)
Wie kann eine heterozygote Mutation homozygot werden?
VORLESUNGSFRAGE
Eine Purinbase wird entfernt (Adenin oder Guanin) und das Zuckerbackbone bleibt zuruck
Eine Base wird deaminiert, z.B. Cytosin, so dass Uracil entsteht.
Erkläre den Unterschied zwischen Basen-Exzisions-Reperatur und Nukleotid-Exzisions-Reperatur.
Basen-Exzisions-Reperatur: Eine DNA-Glykosylase (z.B. Uracil Glycosylase) entfernt ein deaminiertes Cytosin vom Zucker-Phosphat-Backbone. Im Anschluss schneidet eine AP-Endonuklease den Zucker-Phosphat-Teil aus, eine DNA-Polymerase füllt die Lücke, eine DNA-Ligase schließt sie. Eine BAse wurde repariert.
Nukleotid-Exzisions-Reperatur: Ein Enzymkomplex erkennt eine entsprechende DNA Schädigung, wie z.b. ein Thymin Dimer. Eune Nuklease schneidet den entsprechenden Strang an zwei Punkten, eine Helicase entfernt das ausgeschnittene Stück, eine DNA-Polymerase füllt die Lücke, eine Ligase schließt sie. Mehrere Nukleotide wurden repariert.
Wofür ist eine mismatch Reperatur wichtig?
Wird ein methyliertes Cytosin (in aktiven Bereich) deaminiert, entsteht ein Thymin. Während unübliche Basen, welche in der DNA nicht vorkommen, wie Uracil oder Xanthine, leicht erkannt werden, wird das mutierte Thymin von einem mismatsch-repair-system repariert, welches selektiv Thymin entfernt. Mutation im missmatch repair kann zu Darmkrebserkrankungen führen.
Transläsion-Polymerase Mechanismus: DNA Schäden verursacht Stopp der DNA Polymerase, kovalente Markierung (meist Ubiquitylierung) der sliding clamp, DNA Polymerase wird entfernt, eine Transläsions-Polymerase wird geladen, welche fehlerhafte Basen einbaut. Trnasläsions DNA Polymerase löst sich ab und normale DNA Polymerase setzt die Replikation fort.
a. nicht homologes end joining: Der Bruch wird zuerst von einer Nuklease “gesäubert”, geschädigte Nukleotide werden entfernt und bündige Enden erzeugt, die dann durch eine Ligase wieder verbunden werden können.Einige Nukleotide gehen dabei verloren.
b. homologes Rekombination:
Tritt ein Doppelstrang-Bruch in einem der zwei duplizierten DNA Helices nach der DNA-Repliaktion auf, aber bevor die Chromosomen-Kopien getrennt werden, kann die ungeschädigte DNA Helix als Template verwendet werden, um die geschädigte DNA Doppelhelix zu reparieren und zwar durch homologe Rekombination. Zwar ist die homologe Rekombination komplizierter ist als das nicht homologe end joining, kann dafür aber akkurat die original DNA Sequenz auf der Strangseite des Bruchs wieder herstellen.
Die Heterozygosität kann durch homologe Rekombination verloren gehen.
Da bei der homologen Rekombination ja die zweite intakte Doppelhelix als Reperatur-Template verwendet wird, kann sich eine heterozygote Muation zu einer homozygoten entwickeln, wenn die DNA-Helix, die als Template dienen soll, die Mutation trägt.
VORLESUNGSFRAGE & ÜBUNGSFRAGE 10
Homologe Rekombination
Homologe Rekombination kann betrachtet werden als eine flexible Serie von Reaktionen, wobei der genaue Weg von Fall zu Fall verschienden ist. Der Pathjway der hier gezeigt ist, representiert einen der Hauptformen der rekombinierenden Doppelstrangbruch-Reperaturpathways, auch wenn noch andere, nah verwandte pathways existieren. Alle teilen die ersten zwei Schritte: Resektion und Strang-Invasion, danach weichen sie voneinander ab.
Was tut RecA?
Wofür ist die Rekombination in der Meiose wichtig? (Übungsfrage 10)
Was ist ein crossing over und wie wird es gebildet? (Übungsfrage 12)
Was ist der Unterschied in der Metaphase zwischen Meiose I und Mitose? (Übungsfrage 16)
VORLESUNGSFRAGE & ÜBUNGSFRAGE
RecA vermittelt die Invasion des Einzelstrangs in die homologe DNA Helix.
Also das hier. Brac1/2 helfen RecA beim Binden an den Einzelstrang. RecA biegt und dehnt den Einzelstrang. Es werden immer drei Basen getestet, ob sie komplementär zueinander sind. Bei einem längeren komplementären Bereich wird ATP hydrolysiert und Rec A entfernt.
Homologe Rekombination führt zum Austausch der DNA von maternalen und paternalen Chromosomen.
Während der Meiose I führt die homologe Paarung zu einer genetischen Rekombination (Crossing Over).
FRAGEN
wenn da steht woraus besteht ein Nukleosom, zählt man dann H1 dazu?
Wie zum teufel kommen die abk HAT (transferase .. gelöst )und HDAC zu stande
Wo entstehen die neuen Nukleosome? Am tochterstrang? -> ja, auch H2A und B werden wieder in die Nukleosome eingebaut nur bleuben sie anders als h3 und 4 nicht mit der repliaktionsgabel verbunden. schau es dir nochmal in dem entsprechenden buch kapitel an, gibts nicht im alberts
frage zu nukleosomen: annika sagt ja histon 1 dazu
frage histionmodifikationen: reader wrtier mistoncodes
Die Zentromerregion in einem replizierten mitotischen Chromosom ist wichtig für eine stabile Vererbung. Hier werden die Schwesterchromatide durch Mikrotubuli geteilt. Die Mikrotubuli greifen am Kinetochore an.
Zuletzt geändertvor 11 Tagen
