VL 5: Replikation Flashcards

1
Q

DIe Replikation von DNA

A
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Q

Formale Möglichkeiten wie ein DNA-Molekül repliziert werden kann

A
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3
Q

Meselson Stahl Experiment

A
  • Durchführung an E.coli
  • Grundlage: chem. Markierung DNA, nach Replikation, nur eine Hälfte des Tochter-DNA-Doppelstrang weist Markierung auf
  • Marker: Stickstoffisotop 15N
    • Beifügung 15NH4Cl zum Kulturmedium
    • Einbau in heterozyklischen Basen der DNA
  • 14 Generationen wachsen lassen
  • → Bakterielle DNA ist mit diesem Sticksttoffisotop gesätigt
  • Auswechslung des Mediums
  • Weitere Replikationsrunden 14N
  • 15N und 14N-haltige DNA-Stränge aufgrund Dichteunterschieds durch Dichtegradienten-Gleichgewichtszentrifugation trennbar
  • Aufzucht von E.Coli in Medium mit schwerem Stickstoff-Angebot
    • Alle DNA 15N
  • Zentrifugieren, Aufnahme in Medium mit Standard Stickstoff (14N), 2 Generationen wachsen lassen
    • nach Gen 1: nur mittelschwere DNA (koennte auch dispersiv sein)**
    • nach Gen 2: je zur Hälfte mittelschwer und normale DNA

** Wie kann man schon an dieser Stelle wissen, dass Replikaiton semikonservativ is?

→ Trennung der DNA Stränge. Wenn trotzdem mittelschwer, dann dispersiv, wenn zwei Banden erscheinen, mittelschwer + normal, dann semikonservativ

  • Relative Mengen innerhab der Gesamt-DNA ermittelbar
  • Nach 1 Generation in 14N-haltigen Medium
  • Doppelhelix besitzt Schwimmdichte, die einen Mittelwert zwischen der Dichte völlig 14N-markierter DNA und 15N-markierter DNA
  • à 50/50 Gehalt beider Isotope
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4
Q

Das Meselson-Stahl Experiment

A
  • nachweis für semikonservative Replikation
  • selbst nach zweiter Generation nachweisbar, dass semikonservativ sein muss
    • Auftrennung der DNA
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5
Q

Replikationsinitiation

A
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6
Q

Replikon-Modell

A
  • Initiation benötigt
    • Replikaitonsursprung
    • Replikaitonsinitiator
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7
Q

Struktur von Replikatoren (ORIs –> Origin of Replication)

A

Replikaitonsursprung

  • 2 Typen von Elementen
    • Erkennungsstellen für DNA Binde-Proteinen (grün), 9-mer
    • wo eigentliche Initiation beginnt (blau), 13-mer
      • AT-reich (nicht so stabil wie GC)
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8
Q

Initiation der DNA-Replikation in e.coli

A

(a) DnaA-ATP erkennt 9-mer
* ATP gebunden hohe Aff. für Zielseq
(b) Konformationsänderung

  • DNA biegt
  • Torsionskräfte
  • Aufschmelzen der 13mere (instabil AT-reich)

(c) DnaB und DNAC Helicase aktiviert

  • Helicase zerlegt Doppelstränge
  • ATP verbrauch

(d) nehmen Stränge auseinander
(e) Primase produziert RNA-Primer

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9
Q

Initiation der DNA-Replikation in e.coli II

A

(f) DNA Polymerase III holoenzym

  • 2 katalytisch aktive Einheiten
  • versch UE
  • beide Richtungen

(g) 5’-3’ Richtung
(h) Kettenverlängrerung

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10
Q

Komponenten des Replikaitonsapparats

A
  • DNA-Helicase
  • DNA-abhängige RNA-Polymerase: Primase
  • DNA-abhängige DNA_Polymerase Pol III
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11
Q

Helicase Wirkungsweise

A
  • unter ATP-Verbrauch
  • Trennung beider Stränge
  • Kristallstruktur
  • Hexagonaler Ring
  • strukturelle Assymmetrie
  • UE
    • 6 unterschiedliche ATP bindende Stellen
      • 2 ATP
      • 2 ADP + P
      • 2 leer
    • shift von Konformationen
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12
Q

DNA-abhängige RNA-Polymerase: Primase

A
  • initiiert DNA Synthese durch RNA Primer, der von Primase synthetisiert wird
  • Primase synthetisiert RNA Primer
  • 1 pro sek
  • Primer sind 11 bp
  • macht viele Fehler
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13
Q

DNA-abhängige DNA-Polymerase Pol III

A
  • trägt eigentliche Polymerisierungslast
  • extrem effizient
  • innerhalb 30 min ganzes e.coli Genom repliziert
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14
Q

DNA Polymerasen in E.coli

A
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15
Q

welche Polymerase am seltesten?

A
  • DNA Polymerase III
  • 10-20 Moleküle
  • nur ein Molekül um eine DNA zu replizieren
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16
Q

Biochemie der DNA-Polymerasen

A
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17
Q

Die durch DNA-Polymerase katalysierte Strangverlängerung

A
  1. Nucleophiler Angridd des 3’OH Primer-Endes auf das alpha-Phosphat des freuen Nucleotids
  2. Bildungeiner Phosphodiester Bindung
  3. Freisetzung von Pyrophosphat
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18
Q

DNA Polymerase III Struktur

A
  • viele UE
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19
Q

beta-Untereinheit

A
  • Prozessivität
  • Ringmolekül
  • aus 2 UE
  • auf DNA geladen
  • Ringklemme der zwei UE
  • verhindert Runterfallen
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20
Q

Beladung der Sliding Clamp, Ringklemme

A
  • ATP-Verbrauch
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21
Q

Zwei Polymerase III Moleküle sind an der Replikationsgabel miteinander verbunden

22
Q

Korrekturfunktion

A
  • reduziert Fehlerrate >1000 fach
  • Korrektur per 3’-5’ Exonukleaseaktivität von DNA Polymerase III
  • Genauigkeit:
  • wie häufig macht Replikationsenzym Fehler?
    • alle 10 000 000 bp
  • Epsilon UE
23
Q

Lagging Strand

A
  • Folgestrang verläuft 5’-3’
  • Polymerase in 3’.5’-Richtung
  • okazaki fragmente
  • Ligase verknüpft

Lagging Strand Synthese

a) RNA oligonukleotide (primer) wird von DNA kopiert
b) DNA Polymerase elongiert RNA Primer mit neuer DNA
c) DNA-Pol entfernt 5’RNA am Ende des benachbarten Fragments und
d) DNA Ligase verknüpft benachbarte Fragmente

24
Q

Wie könnte man das Problem der Replikation lösen?

A
  • kein antiparalleler Strang
  • andere Chemie, die erlaubt in andere Richtung zu lesen
  • einzelsträngige DNA
25
Replikationsgabel
loop
26
DNA Polymerase I in *e.coli*
* kann in **beide Richtungen** **abbauen** * Synthese nur in 3'-5'-Richtung aufbauen * Klenow-Fragment * DNA-Polymerase * 3'-5'Exonuclease
27
Funktion der 3'-5' Exonuklease von Pol I
* nur ungepaarte Nukleotide am 3'-Ende werden entfernt * Radioaktivität verschwindet * radioaktiv markierte Templates (TATA) * bei Inkubation des Enzyms mit Template, radioaktivitaet bleibt erhalten * falsch gepaarte radioaktive Templates * bei Inkubation mit Enzym Pol I werden schnell entfernt * Nur ungepaarte Nukleotide am 3'-Ende werden entfernt
28
Warum gibt es nur 5'-3'-Kettenverlängerungen?
* energetische Bindung fehlt
29
Die 5'-3' Exonuklease Aktivität von Pol I
* Polymerase entfernt den Primer * Auffuellen des Strangs * Ligase * NAD Cofaktor, * Anhaenung AMP, energetische Gruppe * Attacke
30
DNA-Ligase
* Basenpaarung führt zu antiparallele Anordnung der DNA-Einzelstränge * Problem bei Neusynthese an gleichen Initiattionspunkt * Keine kontinuierliche Synhese möglich * Teilstücke (\<1000 bp) _Okazakifragmente_ * Kovalente Bindung
31
DNA Replikation in *E.coli* (Genom ca. 4 x 106 bp)
* Replikation wird an oriC initiiert * Replation dauert ca. **40 min** * Pol III synthetisiert 1000 Nucleotide/Sekunde * Pol I synthetisiert ca. 10 Nukleotide/Sekunde * Primase synthetisiert ca. 30-60 Nucleotide/Sekunde
32
Teilung *e.coli* 20 min, Replikation *e.coli* 40 min! How?
* 2 Replikationsgabeln! * in schnellwachenden *e.coli* Zellen beginnt eine neue Runde der Replikation bereits vor dem Ende der Zellteilung *
33
(!) Wie OriC stillhalten?
* Replikationsursprung ori: GATC x 11 * DAM Methyliert am A * nach Replikation ist A nur am parentalen Strang methyliert (**hemimethyliert**) * nur wenn doppelt methyliert kann DnaA-protein binden * **DnA-ATP** * bindet an ORI, leitet Aufspaltung ein * unter Spaltung ATP * DnaA-ADP nicht in der Lage ORI wieder anzufeuern * Vorgang ADP zu ATP langsam * DnaA-ATP bindet noch an zwei andere Seq-Elemente der DNA * Gensequenz fuer DnA-Protein auf Chromosom, hat auch Promotor, im Promotor GATC, Dna-ATP bindet an eigenen Promotor und wirkt **reprimierend** → **autoregulatorisch** * eine Gensequenz mit 5 Bindestellen für DnaA-ATP (datA) → reduziert die Konzentration von DnaA-ATP
34
Replikationsmodus: Rolling-Circle-Replikation
35
Multiple Replikationsursprünge - Replikation eukaryotischer Chromosomen
* 25 000 ori s * Euchromatin mehr Ori s als Heterochromatin * jedes Chromosom trägt viele Origins *
36
Termination der Replikation
* An Terminatorsequenzen, die von Tus-Proteinen gebunden werden * Terminationssequenzen, an die Proteine binden, die Helicase inhibieren, sind in einer best. Reihenfolge * Ringe Verhaken sich → Concatemere, werden von Topoisomerase II aufgelöst
37
Minimalwissen
* Enzyme der Replikation * Wie wird Replikation initiiert? Wie ist die Initiation reguliert? * Was sind Okazaki-Fregmente? * Wie sieht die Replikationsgabel aus? * Wieso werden Nukleinsäuren immer in 5'-3'-Richtung verlängert?
38
Replikation in Eukaryoten: multiple Replikationsursprünge
- mehrere Replikationsgabeln * 25000 oris
38
Replikation in Eukaryoten: multiple Replikationsursprünge
- mehrere Replikationsgabeln * 25000 oris * 8 stunden dauert replikation * urspruenge mit autoradiogramm sichtbar machen., neu synthetisierte stellen sichtbar
39
Wechsel Polymerasen in Eukaryoten
* DNA Pol alpha/ Primase kann RNA Primer synthetisieren und DNA * DNA Pol delta und epsilon sind aber schneller * kommen nach
40
Regulation der Replikation in Eukaryoten
* Während der S-Phase muss die gesamte DNA 1x repliziert werden * es darf keine Regionen geben, die unrepliziert bleiben * führt zu Chromsomenbr¨chen während der Segregation * es darf keine Bereiche geben, die mehrmals repliziert wurden * führt zu Kopezahleffekten * Bei großen Zahl von Replikationsursprüngen: * wie kann dies gewährleistet werden?
41
Wie kann die große Zahl von Replikationsursprüngen reguliert werden ( also nicht zu viel Replikation?)
* Replikatoren (oris) werden durch die Replikation inaktiviert * Wenn ORI gefeuert wurde dann ist ORI nicht mehr in der Lage Replikation zu initiieren * Weil an Zellzyklus Faktoren (Cdks) gekoppelt ist * Bildung des Präreplikativen Komplex (pre-RC) ist abhängig von diesen Zellzyklusfaktoren
42
Formierung des Präreplikativen Komplexes
* pre-RC * Assemblierung ORC auf ORI * ORC Origin Recognition Complex (6 Proteine), ist während des **gesamten Zellzyklus** an Origin gebunden * Platform für weitere Komponenten * Cdc6 und Ctd1 sind **Helicase-loading Proteine,** die Bindung an ORC erfolgt in **G1 → “Licensing Factor”** * Licensing Factor oder auch Der Mcm2-7 Komplex ist die **Replikationsgabel-Helicase** * Dieser Komplex entsteht in G1, wird aber **erst aktiv in der S-Phase**
43
Cyclin-abhängige Kinasen aktivieren die Replikation zellzyklusabhängig
* Kinasen selber entscheiden ueber ihre Kinaseaktivitaet * Kinasen sind Enzyme die ueber ATP-Verbrauch Phosphorylierungen durchfuehren * Phosphorylierungen veraendern eigenschaften Proteine * Cycline sind kleine Proteine * fungieren als Schalter für Kinasen * **niedrige Aktivität** der Kinase: * pre-RC-Formierung erlaubt * Aktivierung nicht erlaubt * **hohe Aktivität** der Kinase * pre-RC-Formierung inhibiert * Aktivierung existierender pre-RC
44
Cyclin-Aktivitaet waehrend des Zellzyklus
* G1: niedrig, Assemblierungsphase, pre-RCs werden geformt * S Phase: Cyclin Konzentration hoch, Aktivierungsphase, Helicase und Polymerase machen ihren Job, Verdopplung der pre-RC, * G2: pre-RC schrumpft * M: Verdopplung in Zellteilung, Mitosephase
45
Cyclin Konzentrationen während des Zellzyklus
* verschiedene Signalproteine akkumulieren zu unterschiedlichen Zeitpunkten * Interagieren dann mit Kinase (als Kofaktor mehr oder weniger) * andere Cycline aktivieren andere Kinasen * zu best. Zeitpunkten im Zellzyklus * je nachdem welche Cycline da sind und welche Kinasen da sind * Set von Proteinen aktivieren u.a. Licensing Faktoren
46
Termination: das Probelm an Chromosomenenden
* Lagging strand kann am Telomerende nicht vollständig repliziert werden * ein Chromosom verkürzt sich *
47
Telomerase
* fuegt kurze repetitive Sequenzen an das 3' Ende an * Telomerase ist eine Reverse Transkriptase (=RNA-abhaengige DNA-Polymerase mit einer eigenen RNA als Matrize) *
48
Telomere
* Schutzkappen für Chromosomen * machen Loops, da alles dieselbe Sequenz * Selbsthybridisierung * Schutz vor Exonukleasen * Schelterin: Proteine fuer Stabilisierung → dienen dem Schutz der Chromosomen
49
Telomerase Regulation
* Die Telomerase ist in somatischen Zellen nicht oder wenig aktiv. hier verkürzen sich die Telomere tatsächlich * In der Keimbahn, in Stammzellen und in Tumorzellen ist die Telomerase dagegen aktiviert