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Molekularbiologie > RNA-regulierte biologische Systeme > Flashcards

RNA-regulierte biologische Systeme Flashcards

1
Q

Was sind die vier Ebenen der RNA-Strukturierung ?

A
  1. Primärstruktur
    -> Sequenz der Nukleotide
  2. Sekundärstruktur
    -> Intramolekulare Strukturelemente der RNA, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den Nukleotiden verursacht werden
  3. Tertiärstruktur
    -> Räumliche Struktur eines RNA-Moleküls
  4. Quartärstruktur
    -> Zusammenlagerung mehrerer RNA-Elemente
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2
Q

Nenne zehn Beispiele für Sekundärstrukturen von RNAs.

A
  1. single strand
  2. double strand
  3. single nucleotide bulge
  4. three nucleotide bulge
  5. hairpin
  6. symmetric internal loop
  7. asymmetric internal loop
  8. two-stem junction
  9. three-stem junction
  10. four-stem junction
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3
Q

Nenne drei Beispiele für Tertiärstrukturen von RNAs.

A
  1. Koaxiale Basenstapelung
  2. Kissing hairpins
  3. Pseudoknoten
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4
Q

Aus welchen drei Abschnitten setzt sich Riboswitch-kontrollierte mRNA zusammen ?

A
  1. 5´-untranslatierte Region (5´-UTR)
  2. Protein-kodierender Bereich begrenzt durch das Startkodon AUG und ein Stoppcodon
  3. 3´-untranslatierte Region (3´-UTR)
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5
Q

Wo sind Riboswitches lokalisiert ?

A

-> Im 5´-UTR bakterieller mRNAs

-> Riboswitches sind cis-agierende RNA-Elemente

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6
Q

Erkläre allgemein die Funktion von Riboswitches.

A

-> Bildung von evolutionär konservierten RNA-Strukturelementen

-> Struktur-Änderung durch Bindung eines niedermolekularen Liganden

-> Struktur-Änderung reguliert die Transkription oder Translation

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7
Q

Wie nennt man die Regulierung der Genexpression durch Riboswitches ?

A

Riboregulation

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8
Q

Riboswitches haben drei wesentliche Strukturelemente. Nenne und erkläre diese kurz.

A
  1. Aptamer-Domäne (AD):
    -> Bindung des Liganden
  2. Expressionsplattform (EP):
    -> Auslösung regulatorischer Signale
  3. Switching-Sequenz (SS):
    -> Strukturänderung durch Liganden-Bindung
    -> Liganden-freie und -gebundene Konformation schließen sich gegenseitig aus
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9
Q

Nenne fünf Coenzyme, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Vitamin B12
  2. Thiaminpyrophosphat (TPP), B1
  3. Glavinmononukleotid (FMN), B2
  4. Tetrahydrofolsäure (THF), B9
  5. S-Adenosylmethionin (SAM)
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10
Q

Nenne vier Nukleobasen bzw. deren Derivate, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Guanin
  2. Adenin
  3. preQ1
  4. Zyklisches di-GMP
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11
Q

Nenne drei Aminosäuren, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Glycin
  2. Lysin
  3. Glutamin
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12
Q

Nenne drei Ionen, die als Riboswitch-Liganden fungieren.

A
  1. Mg 2+
  2. Mn 2+
  3. F -
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13
Q

Nenne einen Zucker, der als Riboswitch-Ligand fungiert.

A

Glukose-6-Phosphat

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14
Q

Nenne fünf biologische Funktionen von Riboswitches.

A
  1. Regulation der Expression von Genen, die für Biosynthese und Transport relevant sind
  2. Regulation der Verfügbarkeit von Coenzymen
  3. Aktivierung von Stressantworten
  4. Regulation zellulärer Funktionen über den Botenstoff c-di-GMP
  5. Negative Regulation durch feedback-loops
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15
Q

Was ist eine Riboswitch-Familie ?

A

-> RNAs, die den gleichen Liganden binden

-> Sie dürfen sich aber in ihrer Struktur unterscheiden

-> Eine Famile enthält mehrere Klassen

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16
Q

Was ist eine Riboswitch-Klasse ?

A

-> RNAs, die den gleichen Liganden binden und die gleiche 2D- und 3D-Struktur haben

-> Mehrere Klassen bilden eine Familie

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17
Q

Nenne drei Funktionen von SAM-Riboswitches.

A
  1. Regulation der SAM-Biosynthese und -Transport
  2. Biosynthese von Methionin und Cystein
  3. Regulation des Schwefelstoffwechsels
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18
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Transkriptions-off-switch Riboswitches ohne gebundenen Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Expressionsplattform

-> Ausbildung einer Anti-Terminator-Haarnadel

-> Fortsetzung der Transkription

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19
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Transkriptions-off-switch Riboswitches mit gebundenem Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Aptamer-Domäne

-> Ausbildung einer Terminator-Haarnadel

->Termination der Transkription

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20
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Translations-off-switch Riboswitches ohne gebundenen Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Expressionsplattform

-> Ausbilung eines Anti-Sequestors (hairpin)

-> Ribosomen-Bindestelle bleibt zugänglich

-> Translation kann ablaufen

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21
Q

Beschreibe die Struktur und damit einher gehende Funktion eines Translations-off-switch Riboswitches mit gebundenem Liganden.

A

-> Basenpaarung zwischen Switching Sequenz und Aptamer-Domäne

-> Ausbildung eines Sequestors (hairpin, der RBS enthält)

-> Maskierung der Ribosomen-Bindestelle

-> Inhibition der Translation

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22
Q

Der Lysin-Riboswitch kann zwei verschiedene Funktionen haben. Welche sind das ?

A
  1. Transkriptionstermination
  2. Translationsinhibition

Beides reguliert die Lysin-Biosynthese und den -Transport

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23
Q

Was versteht man unter der Modulfunktion des Lysin-Riboswitches ?

A

Die gleiche Aptamer-Domäne reguliert in Abhängigkeit von der Expressionsplattform entweder die Transkription oder die Translation.

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24
Q

Handelt es sich beim Lysin-Riboswitch um einen on- oder einen off-switch ? Begründe die Antwort.

A

-> Off-switch
-> Lysinbindung sorgt für eine negative Regulation: Translationsinhibition oder Transkriptionstermination

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25
Q

Handelt es sich beim Adenin-Riboswitch um einen on- oder einen off-switch ? Begründe die Antwort.

A

-> On-switch
-> Adenin-Bindung sorgt für eine positive Regulation: Transkription bzw. Translation von Purin-Efflux-Pumpe (pbuE)

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26
Q

Was ist ein Ribozym ?

A

Eine katalytisch wirksame RNA

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27
Q

Die GlmS-Genexpression wird durch ein Riboswitch-Ribozym reguliert. Erkläre den Regulations-Vorgang.

A

-> Translation des Ribozyms führt zur Herstellung von Glucosamin-6-phosphat Synthetase (GlmS)

-> Synthese von GlcN6P, was für die Zellwandsynthese benötigt wird

-> GlcN6P wird als Ligand vom Riboswitch-Ribozym gebunden

-> Selbst-Spaltung der mRNA, wobei ein 5´-Hydroxyl-Ende entsteht

-> Erkennung des neuen 5´-OH durch RNase J1 führt zur Degradation der mRNA

-> Keine weitere Translation von GlmS (Negatives Feedback)

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28
Q

Wie können Purin-bindene Riboswitches zwischen Guanin und Adinin unterscheiden ?

A

-> Spezifität beruht auf einem einzigen Nukleotid

-> Bindungstasche des Adenin-Riboswitches enthält Uracil-74

-> Bindungstasche des Guanin-Riboswitches enthält Cytosin-74

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29
Q

Riboswitches finden sich nicht nur in Bakterien, sondern auch in Archaeen und Eukaryoten. Nenne dafür jeweils ein Beispiel.

A
  1. In Archaeen:
    -> Fluorid-bindender Riboswitch in hyperthermophilen Archaeen
  2. In Eukaryoten:
    -> Thiaminpyrophosphat-bindender Riboswitch in Hefen, Algen und Pflanzen
    -> Keine Riboswitches in Menschen
30
Q

Nenne für den Thiaminpyrophosphat-bindenden Riboswitch seine Lokalisation, seinen Wirkmechanismus und seine Funktion.

A
  1. Lokalisation:
    3´-UTR
  2. Mechanismus:
    Alternatives Splicing führt zur Degradierung der mRNA
  3. Funktion:
    Regulaion der Expression von Thiamin C-Synthetase (THIC)
31
Q

Was sind bakterielle RNA-Thermometer und wo sind sie lokalisiert ?

A

-> RNA-Elemente, die Temperatursensoren (z.B. hairpins) enthalten

-> Ermöglichen Bakterien die Umgebungstemperatur zu messen

-> Liegen in der 5´-Region der zu regulierenden mRNA

32
Q

Welche Funktion haben bakterielle RNA-Thermometer ?

A

-> Kontrolle der Expression verschiedener Stress-Gene

33
Q

Auf welcher Ebene der Genexpression greift die Regulation durch bakterielle RNA-Thermometer ?

A

Regulation der Translation

34
Q

Welche Struktur hat das Heat-shock RNA-Thermometer bei niedriger bzw. optimaler Temperatur ?

A

-> Ribosomenbindestelle und Startkodon basenpaaren mit dem 5´-UTR der mRNA

-> Maskierung von RBS und AUG verhindert die Translation

35
Q

Welche strukturellen Änderungen durchläuft das Heat-shock RNA-Thermometer bei steigender Temperatur (Hitzestress) ?

A

-> Basenpaarung zwischen 5´-UTR und Ribosomenbindestelle / Startkodon schmilzt auf

-> RBS und AUG werden zugänglich

-> Ribosomale Untereinheiten können binden und es kommt zur Translation

36
Q

Warum spricht man beim Heat-shock RNA-Thermometer von einem gekoppelten System ?

A

Das selbe mRNA-Molekül dient sowohl als Sensor wie auch als Regulator.

37
Q

Wenn das Heat-shock RNA-Thermometer erhöhter Temperatur ausgesetzt ist, kommt es nicht zum Umspringen der Struktur, sondern.. ?

A

-> Graduelles Aufschmelzen der gepaarten Region

-> Reißverschluss-ähnlicher Mechanismus

-> Graduelle Erhöhung der Translationsrate

38
Q

Was sind ROSE-Elemente ?

A

-> ROSE: Repression of heat-shock gene expression

-> Sequenz von 60-100nt im 5´-Bereich verschiedener heat-shock-Operons

-> Enthalten einen Temperatur-sensiblen 3´-hairpin

39
Q

Welche Basenpaare sind in ROSE-Elementen für das graduelle Aufschmelzen des 3´-hairpins besonders wichtig ?

A

Non-Watson-Crick Basenpaare

40
Q

Was ist ein Virulenz-RNA-Thermometer ?

A

-> RNA-Fragment, dass 37°C erkennt

-> Signal für pathogene Bakterien zur erfolgreichen Invasion in einen Warmblüter

-> Induktion der Expression von Virulenzfaktoren (z.B. adhäsionsvermittelnde Proteine und Toxine)

41
Q

Welche Funktion haben Virulenzfaktoren ?

A

Sie helfen Bakterien sich im Wirt zu etablieren und erhöhen ihre Pathogenität

42
Q

Beschreibe den Wirkmechanismus eines Virulenz-RNA-Thermometers am Beispiel von Listeria monocytogenes.

A

-> Temperaturerhöhung bewirkt Aufschmelzen der Sekundärstruktur im Bereich von RBS und AUG

-> Ribosomenbindung wird ermöglicht

-> Expression des Transkriptionsfaktors PrfA

-> PrfA-vermittelte Aktivierung der Virulenzgene

43
Q

Nenne vier Folgen, zu denen eine Temperaturerniedrigung in einer Zelle führen kann.

A
  1. Erniedrigte Membranfluidität
  2. Erniedrigte Transkription und Translation durch Stabilisierung von Sekundärstrukturen
  3. Ineffiziente Faltung von Proteinen
  4. Verringerte Enzymaktivität
44
Q

Beschreibe die Funktion des Cold-shock RNA-Thermometers in E.coli.

A

-> Temperatursenkung sorgt für Expression des cold-shock-Proteins CspA

-> CspA ist ein RNA-Chaperon, das einzelsträngige RNA bindet

-> Verhinderung unerwünschter Ausbildung von 2D- und 3D-Strukturen der RNA

-> Adaption an niedrige Temperaturen, Aufrechterhaltung von Transkription und Translation

45
Q

Der Regulationsmechanismus von RNA-Thermometern basiert auf der Veränderung der mRNA-Struktur. Inwiefern unterscheiden sich dabei heat-shock- und cold-shock-RNA-Thermometer ?

A
  1. Heat-shock:
    -> Erhöhung der Temperatur führt zum graduellen Aufschmelzen der basengepaarten Region
  2. Cold-shock:
    -> Abhängig von der Umgebungstemperatur können zwei sich gegenseitig ausschließende Strukturen gebildet werden (on - off)
    -> Man spricht auch von einem RNA-switch
46
Q

Was ist sRNA ?

A

-> sRNA: small RNA

-> sind trans-kodiert: werden an anderer Stelle im Bakteriengenom kodiert als ihre Ziel-mRNA

-> einzelne Transkripte mit Rho-unabhängigem Terminator

-> benötigen oft zusätzlichen Proteinfaktor (RNA-Chaperon Hfq)

47
Q

Wie sind sRNAs aufgebaut ?

A

-> Transkriptlänge: 50-300 nts

-> Nur partiell komplementär zur Ziel-RNA

-> Können diverse mRNAs targetieren

48
Q

Welche Funktionen haben sRNAs ?

A
  1. Regulation von
    -> Stoffwechsel
    -> Stressadaption
    -> Virulenz
  2. Negative Regulation von
    -> Translation (selten kommt es auch zur positiven Regulation der Translation)
    -> mRNA-Stabilität
49
Q

Unter welchen Wachstumsbedingungen kommt es zur Expression von sRNAs ?

A

-> Oxidativer Stress
-> Phospho-Zucker-Stress
-> Nährstoffmangel
-> Eisenmangel

50
Q

Beschreibe den Wirkmechanismus von sRNA, die zur Inhibition der Translation führt.

A

-> Target-mRNA liegt mit zugänglicher RBS vor

-> sRNA bindet auf Höhe der RBS an die Target-mRNA

-> Ribosom kann nicht binden und Translation wird inhibiert

51
Q

Beschreibe den Wirkmechanismus von sRNA, die zu mRNA-Degradation führt.

A

-> Target-mRNA liegt mit zugänglicher RBS vor

-> sRNA bindet auf Höhe der RBS an die Target-mRNA

-> Target-mRNA wird degradiert und kann nicht translatiert werden

52
Q

Beschreibe den Wirkmechanismus von sRNA, die zur Aktivierung der Translation führt.

A

-> Target-mRNA basenpaart auf Höhe der RBS mit sich selbst; RBS wird maskiert

-> sRNA basenpaart an den mRNA-Abschnitt, der die RBS maskiert hat

-> RBS wird zugänglich und Translation kann starten

53
Q

Welche beiden Enzyme sind für die sRNA-vermittelte Degradation der mRNA zuständig ?

A

-> RNase E (in E.coli)
-> RNase III (in Bacillus)

54
Q

Was ist Hfq und welche Aufgabe hat es in Zusammenhang mit sRNA ?

A

-> RNA-Chaperon

-> Fördert Hybridisierung von sRNA und Target-mRNA

-> Rekrutiert RNase E zum Hybrid-Duplex

55
Q

Was ist RNase E und welche Aufgabe hat es in Zusammenhang mit sRNA ?

A

-> Endoribonuklease

-> Rekrutiert weitere Degradosom-spezifische Proteine zum sRNA/mRNA-Duplex

56
Q

Woraus besteht das RNA-Degradosom und welche Funktionen haben diese Bestandteile ?

A
  1. RNase E:
    -> Endoribonuklease
    -> Spaltung einzelsträngiger RNA
  2. PNPase (Polynukleotid-Phosphorylase):
    -> 3´-5´-Exoribonuklease
    -> RNA-Degradierung zu Monoribonukleotiden
  3. RhlB.
    -> ATP-abhängige RNA-Helikase
    -> Fördert die Bildung von Einzelstrang-Substrat für RNase E und PNPase
  4. Enolase:
    -> Funktion hier unbekannt
57
Q

Nenne drei Funktionen des RNA-Chaperons Hfq.

A
  1. Schutz der sRNA vor Degradation durch zelluläre Ribonukleasen
  2. Förderung der Duplexbildung zwischen sRNA und Target-mRNA
  3. Rekrutierung von RNase E
58
Q

Nenne die drei funktionalen Flächen des RNA-Chaperons Hfq und dessen Funktionen.

A
  1. Proximale Bindungsfläche:
    -> sRNA-Bindung an Hfq durch internale hairpins
  2. Distale Bindungsfläche:
    -> mRNA-Bindung an Hfq durch AAN-Bindungsmotive
  3. Laterale Fläche:
    -> Rim fördert Basenpaarung zwischen sRNA und mRNA
59
Q

Was ist RNA III ?

A

-> Dual-funktionale sRNA

-> Besteht aus sRNA und mRNA

-> sRNA-Teil reguliert die Translation wichtiger Virulenzfaktoren

-> mRNA-Teil kodiert für Delta-Hämolysin, ein Toxin, das die Wirtszelle permeabilisiert

60
Q

Was sind cis-kodierte antisense-RNAs (asRNAs) ?

A

-> autonome Transkripte mit Promotor und Terminator

-> Variable Transkriptlänge

-> In der gleichen DNA-Region lokalisiert wie Ziel-RNA (cis)

-> Vollständig komplementär zur Ziel-RNA (antisense)

-> Targetieren nur eine mRNA

61
Q

Auf welchen Ebenen findet die Regulation der Genexpression durch asRNAs statt ?

A

-> Transkription
-> Translation
-> mRNA-Stabilität

62
Q

Wo kommen asRNAs vor ?

A

-> In bakteriellen Genomen

-> In Plasmiden

-> In Phagen

63
Q

Welche drei Typen von asRNAs gibt es ?

A
  1. Kurze asRNAs
    -> Überlappen ein sense ORF
  2. Lange asRNAs
    -> Überlappen mehrere sense ORFs bzw. ein Operon
  3. asRNAs, die von langen 5´- oder 3´- UTRs Protein-kodierender mRNAs abstammen
64
Q

Welche Funktion hat die RNase III ?

A

-> Endoribonuklease

-> Spaltet helikale dsRNAs

-> Generiert Doppelstrangbrüche mit 5´-Phosphat-Enden und 2nt-lange 3´-Überhänge

65
Q

Nenne einen Organismus, in dem ein Thiaminpyrophosphat-bindender Riboswitch vorkommt.

A

A. thaliana

66
Q

Nenne zwei Sekundärstrukturen, die in Purin-bindende Riboswitches vorkommen.

A

-> Three-stem junctions

-> Kissing hairpins

67
Q

Wie verändert sich die Struktur des cspA cold shock RNA-Thermometers in Abhängigkeit von der Temperatur ?

A
  1. Bei hohen Temperaturen (37°C):
    -> Shine-Dalgarno-Sequenz und Startcodon sind nicht zugänglich
    -> mRNA ist instabil
  2. Bei niedrigen Temperaturen (10°C):
    -> Strukturänderung der mRNA führt zu ihrer Stabilisierung
    -> Effiziente CspA-Translation
68
Q

Welche biologischen Funktionen haben cis-kodierte antisense-RNAs (asRNAs) ?

A

-> Kontrolle von Replikation, Stabilität und Konjugation von Plasmiden

-> Kontrolle der Transposition von Transposons

-> Regulation des Stoffwechsels, der Stressantwort und Toxinbildung

69
Q

Welche Folgen hat die Ligandenbindung am TPP-Riboswitch ?

A

-> Strukturänderung demaskiert die 5´-Splice-site

-> Alternatives Splicing führt zum Verlust der Poly-A-Sequenz

-> Fehlende Polyadenylierung führt zur Degradierung der mRNA

-> Thiamin-C-Synthetase wird nicht translatiert

70
Q

Welche beiden Sekundär-/Tertiärstrukturen stabilisieren die Interaktion zwischen sRNA und Target-mRNA ?

A

-> Kissing-Hairpins

-> Koaxiale Basenstapelung

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