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7.18B: Das trp-Operon - Ein Repressor-Operon - Biologie

7.18B: Das trp-Operon - Ein Repressor-Operon - Biologie


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Lernziele

  • Erklären Sie die Beziehung zwischen Struktur und Funktion eines Operons und die Art und Weise, wie Repressoren die Genexpression regulieren

Bakterien wie z E coli brauchen Aminosäuren zum Überleben. Tryptophan ist eine solche Aminosäure, die E coli aus der Umwelt aufnehmen können. E coli kann Tryptophan auch mithilfe von Enzymen synthetisieren, die von fünf Genen kodiert werden. Diese fünf Gene liegen nebeneinander im sogenannten Tryptophan (trp) Operon. Wenn Tryptophan in der Umwelt vorhanden ist, dann E coli muss es nicht synthetisieren; der Schalter, der die Aktivierung der Gene im trp-Operon steuert, ist ausgeschaltet. Wenn jedoch die Verfügbarkeit von Tryptophan gering ist, wird der Schalter, der das Operon steuert, eingeschaltet, die Transkription wird initiiert, die Gene werden exprimiert und Tryptophan wird synthetisiert.

Eine DNA-Sequenz, die für Proteine ​​kodiert, wird als kodierende Region bezeichnet. Die fünf kodierenden Regionen für die Tryptophan-Biosyntheseenzyme sind im Operon sequentiell auf dem Chromosom angeordnet. Unmittelbar vor der kodierenden Region befindet sich die Transkriptionsstartstelle. Dies ist die DNA-Region, an die die RNA-Polymerase bindet, um die Transkription zu initiieren. Die Promotorsequenz befindet sich stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle. Jedes Operon hat eine Sequenz innerhalb oder in der Nähe des Promotors, an die Proteine ​​(Aktivatoren oder Repressoren) binden und die Transkription regulieren können.

Eine DNA-Sequenz, die als Operatorsequenz bezeichnet wird, wird zwischen der Promotorregion und dem ersten trp-kodierenden Gen kodiert. Dieser Operator enthält den DNA-Code, an den das Repressorprotein binden kann. Wenn Tryptophan in der Zelle vorhanden ist, binden zwei Tryptophanmoleküle an den trp-Repressor, der seine Form ändert, um an den trp-Operator zu binden. Die Bindung des Tryptophan-Repressor-Komplexes an den Operator verhindert physikalisch, dass die RNA-Polymerase die nachgeschalteten Gene bindet und transkribiert.

Wenn kein Tryptophan in der Zelle vorhanden ist, bindet der Repressor selbst nicht an den Operator; daher ist das Operon aktiv und Tryptophan wird synthetisiert. Da das Repressorprotein aktiv an den Operator bindet, um die Gene ausgeschaltet zu halten, wird das trp-Operon negativ reguliert und die Proteine, die an den Operator binden, um die trp-Expression zum Schweigen zu bringen, sind negative Regulatoren.

Wichtige Punkte

  • Die Operatorsequenz wird zwischen der Promotorregion und dem ersten trp-kodierenden Gen kodiert.
  • Das trp-Operon wird reprimiert, wenn die Tryptophanspiegel hoch sind, indem das Repressorprotein über einen Corepressor an die Operatorsequenz gebunden wird, der die RNA-Polymerase daran hindert, die trp-verwandten Gene zu transkribieren.
  • Das trp-Operon wird aktiviert, wenn die Tryptophanspiegel niedrig sind, indem das Repressorprotein von der Operatorsequenz dissoziiert wird, was es der RNA-Polymerase ermöglicht, die trp-Gene im Operon zu transkribieren.

Schlüsselbegriffe

  • Unterdrücker: jedes Protein, das an DNA bindet und somit die Expression von Genen reguliert, indem es die Transkriptionsrate verringert
  • Operon: eine Einheit aus genetischem Material, die durch einen Operator, einen Promotor und Strukturgene, die zusammen transkribiert werden, koordiniert funktioniert

Trp Operon

Die trp Operon von E coli enthält fünf Hauptstrukturgene, die alle sieben funktionellen Proteindomänen codieren, die für die Tryptophan-Biosynthese aus dem gemeinsamen aromatischen Vorläufer Chorismat notwendig sind. Transkription der trp Operon ist stark reguliert. Einleitung der Transkription an der trp Promotor wird durch die Tryptophan-aktivierten trp Unterdrücker. Der Repressor kann an mehreren Operatorstellen binden, die sich in der Promotorregion befinden. Transkription der Strukturgene des trp Operon wird auch durch die Abschwächung der Transkription als Reaktion auf die Akkumulation von ungeladener tRNA Trp reguliert. Wenn sich diese ungeladene tRNA ansammelt, führt dies zum Stillstand der Ribosomen während der versuchten Translation der kodierenden Region des Leader-Peptids. Dies führt zur Bildung einer RNA-Antiterminatorstruktur, die die Bildung der RNA-Terminatorstruktur verhindert. Das Fehlen der Terminatorstruktur ermöglicht es der Polymerase, die Transkription in die Strukturgene des Operons fortzusetzen. Wenn in der Zelle ausreichende Mengen an geladener tRNA Trp vorhanden sind, vervollständigt das Ribosom, das die kodierende Region des Leader-Peptids translatiert, die Synthese des Leader-Peptids, wodurch die Bildung der RNA-Terminatorstruktur und die Beendigung der Transkription ermöglicht werden.


7.18B: Das trp-Operon - Ein Repressor-Operon - Biologie

Lac Operon ermöglicht es Bakterien auch, Laktose abzubauen. Diese Gene sind jedoch nur aktiv, wenn Laktose vorhanden ist.

  • 3 Gene: Lac Z, Lac Y und Lac A
  • Wenn diese 3 Gene exprimiert werden, werden sie in Proteine ​​übersetzt, die Latose abbauen.

Bellow ist eine Animation von Lac Operon,

fügen Sie Laktose hinzu, wenn Sie bereit sind

HINWEIS: Es fehlt ein Schritt, der Einfachheit halber habe ich den Schritt übersprungen, die mRNA zu Proteinen zu machen.

Wie Sie in der obigen Animation sehen können, bleibt das Repressor-Molekül am Operator hängen, wenn keine Laktose hinzugefügt wird. Verhindern, dass RNA-Polymerase anheftet.

Wenn jedoch Lactose hinzugefügt wird, bindet es sich an den Repressor und ändert seine Form. Der Repressor wird freigesetzt, sodass die RNA-Polymerase die 3 Gene Lac Z, Lac Y und Lac A lesen kann.

Die produzierten Proteine ​​bauen die Laktose ab, bis keine mehr übrig ist. Sobald keine Laktose mehr übrig ist, bindet der Repressor wieder an den Operator und verhindert, dass die RNA-Polymerase anheftet und die Gene liest.

Dies ist ein Beispiel für eine positive Kontrolle.

Das meiste, was wir über die Genregulation wissen, stammt von Bakterien. Bevor wir beginnen, gibt es einige Unterschiede zwischen pro- und eukaryotischen Genregulationssystemen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Prokaryoten, wie Bakterien, einen Operator und einen Repressor haben.

Ein Beispiel für die Fähigkeit eines Organismus, Gene aus- und einzuschalten, ist das Trp-Operon in Bakterien.

Trp Operon ermöglicht es Bakterien auch Tryptophan (eine Aminosäure) zu produzieren, wenn in seiner Umgebung keines vorhanden ist. Der Mensch ist nicht in der Lage, Tryptophan zu synthetisieren. Somit ist es eine essentielle Aminosäure. Das heißt, wir müssen es über unsere Nahrung aufnehmen.

Trp Operon unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht vom Lac Operon.

  • Zuerst gibt es 5 Gene, statt 3
  • Trp A, Trp B, Trp C, Trp D und Trp E
  • Das zweite Lac Operon ist eine positive Kontrolle, während Trp Operon eine negative Kontrolle ist.
  • Beobachten Sie die Animation unten.

Dies ist ein Abschnitt der DNA, der direkt nach dem Promotor sitzt. Fungiert als EIN- und AUS-Schalter für die Gentranskription.

Dieses Molekül bindet an die Operatoreinstellung in der OFF-Position.

Während der Repressor an den Operator gebunden ist, verhindert er die Anlagerung der RNA-Polymerase.

Bakterien haben zwei Arten von Kontrollen. Positiv- und Negativkontrollen. Beide benötigen einen Operator und einen Repressor, reagieren jedoch je nach Umgebung unterschiedlich.

Dies wird durch die Animationen unten besser erklärt.

Wie Sie in der obigen Animation sehen können, wird der Repressor bei Vorhandensein von Tryptophan so geändert, dass er auf den Operator passt, wodurch die Anlagerung der RNA-Polymerase verhindert wird.

Wenn Tryptophan knapp ist, ändert der Repressor seine Form, löst sich vom Operator und ermöglicht es der RNA-Polymerase, das Gen zu lesen. Diese Gene synthetisieren Tryptophan.


Kapitel 19: Kontrolle der Genexpression: So spielen Sie Ihre Karten aus Zusammenfassung

Prüfung 3 – Kontrolle der Genexpression
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ABSPIELEN
Verstärker sind
A) Proteine, die sich neben den Promotoren befinden
B) entfernte Stellen, an denen regulatorische Proteine ​​binden
C) Beschleuniger des RNA-Polymerase-Captures
D) Proteine, die an Repressoren binden und diese deaktivieren
E) eine bakterielle Form von Promotoren
B) entfernte Stellen, an denen regulatorische Proteine ​​binden
Wenn Tryptophan im Medium vorhanden ist, wird die Transkription von Tryptophan-produzierenden Genen in E. coli durch einen Repressor gestoppt, der an das bindet
A) trp-Repressor
B) trp-Operon
C) trp-Promotor
D) trp-Operator
E) trp-Polymerase
D) trp-Operator
1/10

Erstellt von
Anamaria_Astudillo
Schlüssel Konzepte:
Rna-Polymerase bindet an die
Die Umgebung
Strukturgene
Begriffe in diesem Set (10)

Original
Verstärker sind
A) Proteine, die sich neben den Promotoren befinden
B) entfernte Stellen, an denen regulatorische Proteine ​​binden
C) Beschleuniger des RNA-Polymerase-Captures
D) Proteine, die an Repressoren binden und diese deaktivieren
E) eine bakterielle Form von Promotoren
B) entfernte Stellen, an denen regulatorische Proteine ​​binden

Wenn Tryptophan im Medium vorhanden ist, wird die Transkription von Tryptophan-produzierenden Genen in E. coli durch einen Repressor gestoppt, der an das bindet
A) trp-Repressor
B) trp-Operon
C) trp-Promotor
D) trp-Operator
E) trp-Polymerase
D) trp-Operator

Wenn Tryptophan in der Umgebung von E. coli reichlich vorhanden ist, bindet das Tryptophan an die
A) trp-Operon
B) trp-Promotor
C) trp-Operator
D) trp-Repressor
E) trp-Polymerase
D) trp-Repressor

In der Funktion des lac-Operons in E. coli werden die lac-Gene in Gegenwart von Lactose transkribiert, weil
A) RNA-Polymerase bindet an den Operator
B) der Repressor kann nicht an den Promotor binden
C) ein Lactoseisomer bindet an den Repressor
D) CAP bindet den Betreiber nicht
E) der Abwesenheit von cAMP
C) ein Lactoseisomer bindet an den Repressor

Die Rolle der Methylierung von DNA ist
A) Hochregulierende DNA-Transkription.
B) Herunterregulieren der DNA-Transkription.
C) Verhinderung von Mutationen
D) irrelevant für die Gentranskription
B) Herunterregulieren der DNA-Transkription

E. coli kann in Abwesenheit von verfügbarer Glukose andere Lebensmittel als Glukose verwenden, da sinkende Glukosespiegel einen Anstieg von . verursachen
Ein Lager
B) GAP
C) Laktase
D) Glu-Operone
E) tRNA
A) cAMPX

In Abwesenheit von Glukose kann E. coli Laktose importieren, um sich in Glukose und Galaktose umzuwandeln, da CAP an die . bindet
Ein Lager
B) DNA
C) lac-Operon
D) Betreiber
E) Repressor
B) DNA

Was gehört nicht zum lac-Operon?
A) Repressor
B) Aktivatorprotein
C) Betreiber
D) Promoter
E) Strukturgen
B) Aktivatorprotein

In einem Operon kommt die Lage der regulatorischen Region vor __ die Strukturgene.
A) nach
B) innerhalb
C) vorher
C) vorher

Proteine, die die Passage der RNA-Polymerase blockieren, heißen:
A) Operons
B) Aktivatoren
C) Repressoren
D) Verstärker
E) Promoter
C) Repressoren

Original
Welche 3 Arten der Genregulation in Bakterienzellen gibt es? An welcher Stelle im Schema des “zentralen Dogmas” wirken sie?
transkriptional zwischen DNA und mRNA, translational zwischen mRNA und Protein und posttranslational zwischen Protein und aktiviertem Protein.

Welche der 3 Regulierungsarten ist die energieeffizienteste? (d. h. verbraucht am wenigsten Energie)
transkriptional, weil es die Zelle im frühesten Stadium stoppt.

Welche der 3 Regulierungsarten ist die effizienteste in Bezug auf die Geschwindigkeit?
posttranslational, weil es wie ein Ein/Aus-Schalter ist und das Protein bereits hergestellt ist.

Vervollständigen Sie die Aussage. Die Regulierung der Genexpression ermöglicht es Organismen, auf _ _ _
Veränderungen in der Umgebung

E. coli kann eine Vielzahl von Zuckern verwenden, um ATP herzustellen. Welches wird am meisten bevorzugt und warum?
Glucose–> Ausgangsverbindung für die Glykolyse

Wann würde ein E. coli auf Laktose anstelle von Glukose umsteigen?
Wenn Glukose fehlt

Was ist ein Induktor?
etwas, das die Transkription eines bestimmten Gens auslöst

Was ist der Induktor der E.Coli-Synthese des Enzyms, das Laktose abbaut?
Laktose selbst

Was ist negative Kontrolle/Regulierung?
wenn ein regulatorisches Protein, das als Repressor bezeichnet wird, an DNA bindet und die Transkription stoppt

Was ist Positivkontrolle?
wenn ein regulatorisches Protein namens Aktivator an DNA bindet und die Transkription auslöst

Sind Aktivatoren und Repressoren Sequenzen von DNA oder Proteinen?
Proteine

Was ist eine konstitutive Mutante?
Eine mutierte Zelle, die zu jeder Zeit ein bestimmtes Produkt produziert (keine Regulierung/Reaktion auf die Umwelt)

Was ist ein Operon?
eine DNA-Einheit, die einen Cluster von Genen enthält, die durch denselben einzigen regulatorischen Faktor reguliert werden.

Was enthält das Operon außer dem Gencluster?
Promotor, Operator und Gene.

Haben die verschiedenen Gene in einem Operon unterschiedliche Promotoren?
NEIN, der Gencluster fungiert als ein großes Gen mit einem einzigen Promotor

Wie „schaltet“ Laktose die Transkription des Enzyms ein, um Laktose abzubauen? Woran bindet sie sich und was passiert, wenn sie es tut?
bindet an den Repressor, der an die DNA gebunden ist. Der Repressor ändert dann seine Form und fällt von der DNA ab.

An welchen Teil der DNA ist der Repressor gebunden?
der Betreiber,

Was ist ein Betreiber? (DNA, Protein usw.)
Sequenz der DNA

Was ist ein Induktor-Ausschluss und wie wirkt Glukose als Induktor-Ausschluss?
Induktor-Ausschluss = wenn ein Induktor daran gehindert wird, ein Gen zu aktivieren
Glucose verhindert den Transport von Lactose zum Repressor des Lac-Operons.

Was ist globale Genregulation?
die koordinierte Regulation vieler Gene

Was ist ein Regulon und wie ist es ein Beispiel für globale Genregulation?
Ein Regulon ist eine Gruppe von verschiedenen Genen oder Operons, die die gleichen regulatorischen Sequenzen enthalten und von der gleichen Art von regulatorischem Protein kontrolliert werden … reguliert viele Gene/Operone gleichzeitig.


7.18B: Das trp-Operon - Ein Repressor-Operon - Biologie

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1) % reduzierender Zucker in:-
a) Unreife Banane = 0,5
b) Reife Banane = 1,3
c) Überreife Banane = 3

2) % des Stärkegehalts in:-
a) Unreife Banane = 25
b) Reife Banane = 15
c) Überreife Banane = 4

3) % des reduzierenden Zuckers in:-
a) Unreife gefrorene Banane = 0,6
b) Unreife gekühlte Banane = 0,9
c) Unreife Banane bei Raumtemperatur = 1,9
d) Unreife Banane neben reifen Bananen bei Raumtemperatur = 3,4

Fragen:-
1) Warum steigen die Werte des reduzierenden Zuckers für die Reife der Bananenstadien (unreif, reif, überreif) an, während der Stärkegehalt jedes einzelnen abnimmt?

2) Wie beeinflussen Temperaturen den Wert des reduzierenden Zuckers von unreifen Bananen? und warum hat das Anordnen von reifen Bananen neben unreifen Bananen den beobachteten Effekt auf die Bananenreifung?

Angenommen, der Brandschaden und die fehlende Reinvestition der Erlöse führten zu einem tatsächlichen Rückgang des Geschäfts. Besprechen Sie, ob die Transaktion als Teilliquidation zu qualifizieren ist, und die Gründe dafür oder nicht

Vektoren A und B haben gleiche Größen von 44,0. Wenn die Summe von A und B der Vektor 10,5 j (Kopf) ist, bestimmen Sie den Winkel zwischen A und B. (Ich konnte die Vektorzeichen nicht oben auf A und B schreiben, aber es sind Vektoren)

Teil 1: Welche Aussage ist nicht mit der kovalenten Katalyse durch Enzyme verbunden?

A) Es handelt sich nie um Coenzyme B) Eine vorübergehende kovalente Bindung wird zwischen dem Enzym und dem Substrat gebildet

C) Wenn die Reaktion abgeschlossen ist, kehrt das Enzym in seinen ursprünglichen Zustand zurück D) Ein neuer Weg von Substrat(en) zu Produkt(en) wird gebildet, der schneller ist als die unkatalysierte Reaktion.

Teil 2: Welche Aussage ist für einen kompetitiven Inhibitor falsch?

A) Es verändert die Vmax NICHT B) a'= 1,0 C) Es ist irreversibel D) Es ist oft strukturell dem Substrat ähnlich

Teil 3: Welche Aussage über Enzyme ist FALSCH?

A) Ein wesentlicher Teil ihrer katalytischen Leistung resultiert aus der Bindung des/der Substrate(s) durch schwache Wechselwirkungen. B) Sie senken die Aktivierungsenergie einer Reaktion. C) Sie verändern die gesamte Thermodynamik einer Reaktion. D) Sie erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeiten um das 10^5- bis 10^17-Fache.

Beschreiben Sie detailliert ein Experiment, um zu testen, ob RNA für die Proteinsynthese benötigt wird. Unterstreichen Sie in Ihrer Antwort die folgenden Begriffe: Zelllysat, Ribonuklease, in vitro und Proteinreinigung. Zeichne eine Zahl, die deine Antwort unterstützt

Bitte helfen Sie mir zu identifizieren, welche Anwendung der rekombinanten DNA-Technologie darstellt oder in einer Anwendung verwendet werden kann. Wenn es keine Anwendung darstellt, schreiben Sie NEIN

Kannst du bitte auch eine kleine Beschreibung geben, warum?

Wenn ein Unternehmen ein Produktionsniveau auf der Produktionsfunktion produziert

A. Das physische Grenzprodukt ist Null.

B. Maximale Effizienz wird erreicht.

C. Die Opportunitätskosten für Ressourcen sind maximal.

Azaserin ist ein strukturelles Analogon von Glutamin. Es ist ein kompetitiver Inhibitor vieler Enzyme, die Glutamin als Substrate verwenden. Von welchen drei biosynthetischen Produkten würden Sie erwarten, dass sie durch Azaserin gehemmt werden? Glauben Sie, dass der Verzehr von Azaserin sofort tödlich wäre? Warum oder warum nicht?


5’ unübersetzte Region

Die 5'-UTR ist eine häufig übersehene Region für das Genexpressions-Engineering. Während mehrere etablierte Tools das rationale Design von 5′ UTRs ermöglichen, wie der RBS Calculator (Salis et al., 2009 ) und UTR-Designer (Seo et al., 2013 ), betrachtet eine beträchtliche Anzahl von Studien die 5′-UTR entweder nicht als einzigartige funktionelle Region oder betrachtet sie einfach als Teil der Promotorregion (Decoene et al., 2018 Nijs et al., 2020). In diesem Übersichtsartikel möchten wir die Bedeutung der 5′-UTR hervorheben, da sie sowohl transkriptionelle als auch translationale Prozesse in Bakterien beeinflusst. Während der Translationsinitiation binden Ribosomen an mRNA und bauen zusammen mit mehreren akzessorischen Proteinen die Translationsmaschinerie auf. Ribosomen können durch komplementäre Basenpaarung der 16S-rRNA an die Shine-Dalgarno (SD)-Sequenz binden, die im 5'-UTR-Teil einer mRNA vorhanden ist (Abb. 1). Es gibt viele Studien in der Literatur, die fälschlicherweise die gesamte 5'-UTR als Ribosomenbindungsstelle (RBS) bezeichnen, ein Begriff, der gleichbedeutend mit der SD-Sequenz ist, wie sie in der Sequence Ontology (The MISO Sequence Ontology Browser) spezifiziert ist. Die Bindungsrate und Stärke der Translationsmaschinerie an die 5′-UTR beeinflusst, wie oft ein Transkript übersetzt wird. Die Translationsraten werden von der Zusammensetzung und den Eigenschaften der 5′-UTR-Sequenz beeinflusst, die modifiziert werden können, um die Genexpression zu modulieren, wie wir im folgenden Unterabschnitt skizzieren werden.

Die Rolle von 5′ UTRs in Transkript und Translation

Mehrere Studien weisen auf die Bedeutung der 5'-UTR-Sequenzzusammensetzung für die Transkripthäufigkeit und die Translationsraten hin. Studien von Berg et al. ( 2009 ) und Lou et al. ( 2012 ) weisen darauf hin, dass Punktmutationen innerhalb der 5′-UTR nicht nur zu Veränderungen der Translationsraten führen, sondern auch die Transkripthäufigkeit beeinflussen, möglicherweise durch die Schaffung eines stabileren Transkripts. Außerdem ist Le et al. ( 2020 ) berichteten kürzlich über ein neuartiges duales UTR-Konzept, das von der vielfältigen Rolle der 5′-UTRs sowohl bei transkriptionellen als auch bei translationalen Prozessen profitiert. In ihrer Studie wurde die Mutagenese einer 5′ UTR in E coli führten zu 5′-UTR-Varianten, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Expressionsprofile in zwei Gruppen eingeteilt werden konnten: 5′-UTRs, die zu einer erhöhten Translation führen (Tn-Gruppe) und 5′-UTRs, die zu einer erhöhten Transkription des Reportergens (Tr-Gruppe) führen. Einzelne 5'-UTRs aus den beiden Gruppen wurden dann zu einem dualen UTR kombiniert, bestehend aus zwei 5'-UTRs und einer Spacer-DNA-Sequenz dazwischen. Die duale UTR führt zur Entdeckung eines synergistischen Effekts, der zu einer erhöhten Expression des Reportergens führt. Die Gruppe zeigte somit, dass duale UTRs verwendet werden können, um sowohl die Transkription als auch die Translation des Reportergens zu kontrollieren. Sie berichten auch, dass es entscheidend ist, die 5′-UTR der beiden verschiedenen Gruppen in die richtige Reihenfolge zu bringen, um von dem beobachteten synergistischen Effekt zu profitieren, da die Expression des Reportergens verringert wurde, wenn die Reihenfolge der 5′-UTRs in der dualen UTR war Tn-Tr. Diese Synergie- und Anti-Synergie-Effekte heben die zwei unterschiedlichen Rollen hervor, die 5′-UTRs bei der bakteriellen Genexpression spielen, indem sie translationale und transkriptionelle Prozesse beeinflussen. Es zeigt auch, wie die Zusammensetzung und Architektur von RES die Genexpression beeinflussen können.

Die 5'-UTR enthält eine anfänglich transkribierte Region (ITS, Abb. 1), die das Promotor-Escape von RNAp beeinflusst (Heyduk und Heyduk, 2018). Um zu untersuchen, wie verschiedene Nukleotide in unterschiedlichen Positionen den RNAp-Promotor-Escape beeinflussen, erstellten Heyduk und Heyduk eine Bibliothek von ITS-Varianten, die einen bis zu 144-fachen Unterschied in der Promotor-Escape-Kinetik abdeckte. Die ersten 10 Nukleotide des ITS beeinflussten die Genexpression am stärksten und erforderten ein A in Position +1. Als Folgeexperiment wurden die ersten 10 Nukleotide des ITS verschiedener Promotoren durch eine vollständig randomisierte künstliche Sequenz ersetzt. Das Ersetzen der ersten 10 Nukleotide des ITS durch jede mögliche Nukleotidkombination in ihrem Aufbau zeigte, dass Position +2 des ITS ein spezifisches promotorabhängiges Nukleotid erfordert. Darüber hinaus erhöhten Nukleotidpaare von GG und GA innerhalb des ITS die Fluchtgeschwindigkeit und ein hoher T-Gehalt korrelierte mit langsamer Flucht, insbesondere in der Kombination von (T/C)G. Ähnliche Effekte wurden auch in einer Studie beobachtet, in der die Wirkung der ITS-Nukleotidzusammensetzung auf genomweiter Ebene untersucht wurde. Das Entweichen des Promotors scheint durch T-reiche ITS-Nukleotidsequenzen behindert zu werden, die eine abortive Transkription induzieren können (ein nicht-produktiver reiterativer Transkriptionsprozess, der bei den meisten Promotoren auftritt, der templatabhängig zu kurzen Transkripten führt) (Imashimizu et al., 2020 ).

Ein weiteres Ziel für die Genexpressionsoptimierung ist die Verbindung zwischen dem Promotor und 5' UTR sowie 5' UTR und CDS. Mutalik et al. ( 2013a ) berichten, dass diese Verbindungen die Genexpression beeinflussen und dass sie optimiert und verwendet werden können, um die Genexpressionsniveaus zu regulieren. Die Bedeutung der Junction-Optimierung für die Genexpression wurde auch durch eine Studie von Mirzadeh . bestätigt et al. (2015). Die Gruppe verwendete degenerierte Primer, um die sechs Nukleotide stromaufwärts des Startcodons zu randomisieren und die Codons 2 und 3 gegen alle möglichen synonymen Codons auszutauschen. Die Veränderung der Nukleotide an der 5' UTR und CDS führte anschließend zu Unterschieden der Genexpressionsniveaus um mehrere Größenordnungen.

Die oben genannten Befunde weisen darauf hin, dass sich mehrere Promotorstrukturen/-funktionen innerhalb der 5′ UTR (Mutalik et al., 2013b ) (Abb. 1), auch wenn einige Befunde von falsch annotierten Promotoren und 5′-UTRs (Lou et al., 2012). Insgesamt birgt die Kontrolle und Untersuchung der Genexpression durch die 5′-UTR-Region ein großes Potenzial (Ameruoso et al., 2019 ), wie im nächsten Unterabschnitt hervorgehoben wird.

Modulation der Genexpression durch die 5′ UTRs

Methoden, die auf die 5′-UTR abzielen, können verwendet werden, um die Genexpression zu variieren durch: Mischen von zwei oder mehr verschiedenen 5′-UTRs Herstellen von Hybriden von Sequenzen, an die Ribosomen binden können (Isaacs et al., 2004 ) Mutation der 5′ UTR (Huang et al., 2006 ) oder das Ersetzen von Teilen konservierter Motive oder Spacer-Regionen durch (semi-)künstliche Sequenzen (Min et al., 1988 Zhelyabovskaya et al., 2004 Zhang et al., 2015 Bonde et al., 2016 Österle et al., 2017 Shi et al., 2018 ) (Abb. 2). Zum Beispiel in einer Studie von Huang et al. ( 2006 ), Proteinproduktionsniveaus von E coli alkalische Phosphatase wurden durch zufällige Mutation der 5' UTR verbessert. Die Aktivität der alkalischen Phosphatase war im Vergleich zu den mit der Wildtyp-5'-UTR erreichten Spiegeln bis auf das Siebenfache erhöht. Die Mutationen wurden separat untersucht, und es wurde geschlussfolgert, dass die SD-Sequenz durch den Mutageneseschritt beeinflusst wurde, wodurch ein scheinbar stärkeres Motiv erzeugt wurde. Als die Gruppe die einzelnen Mutationen untersuchte, fanden sie insbesondere heraus, dass die additiven Effekte einzelner Mutationen nicht ausreichten, um den siebenfachen Anstieg zu erklären, was auf eine kompliziertere Regulierung der Genexpression durch die 5′-UTR als eine einfache Addition von Faktoren schließen lässt.

Bei der Modulation der Genexpression von Stoffwechselwegen besteht die Notwendigkeit, die Expression mehrerer Gene, beispielsweise in Operons, zu kontrollieren. Bei der Montage von Pfaden wird häufig die Hybridmethode verwendet. Zum Beispiel Pfleger et al. ( 2006 ) verwendeten die Hybridmethode, um einen Stoffwechselweg aufzubauen, der die Genexpression durch die Kontrolle der intergenischen Regionen in einem Operon durch die Verwendung von Haarnadeln ausgleicht. Die Haarnadeln stammen aus einer Bibliothek von abstimmbaren intergenen Regionen (TIGRs), die in die intergene Region des Operons eingefügt wurden. Diese intergenen Haarnadeln kontrollierten posttranskriptionell die Expression verschiedener Gene im Operon, was zeigt, dass hybride 5'-UTRs verwendet werden können, um die Expression von einem Stoffwechselweg abzustimmen. Ein interessanter Ansatz zum Aufbau von Pfaden ist die sogenannte Goldene Mutagenese (Püllmann et al., 2019). Dieser Weg-Assembly-Ansatz kombiniert Hybrid-Weg-Assembly mit Mutagenese, wodurch zwei verschiedene Randomisierungsmethoden in einer kombiniert werden.

Hybride, mutagenisierte und (semi-)künstliche 5′-UTRs können verwendet werden, um die grundlegende Biologie der Genexpression zu studieren

Wie oben umrissen, können Verfahren, die zufällige Ansätze verwenden, verwendet werden, um die Genexpression für Proteinproduktionszwecke zu modulieren. Darüber hinaus sind diese Methoden auch wertvoll für die Untersuchung des grundlegenden Mechanismus der Genexpressionsregulation. Zum Beispiel 1985 Whitehorn et al. (1985) verwendeten die Hybridmethode, um zu zeigen, dass die Spacerlänge zwischen einer SD-Sequenz und dem Startcodon die Genexpressionsniveaus des menschlichen β-Interferons in beeinflusst E coli. Die Gruppe fand auch heraus, dass einzelne Nukleotidänderungen in der Spacer-Region dramatische Auswirkungen hatten und die Akkumulation von menschlichem β-Interferon auf etwa 15% der Gesamtzellmasse erhöhten. Holmqvist et al. ( 2013 ) untersuchten, wie Mutationen in der 5′ UTR des csgG Gen würde beeinflussen cis- und trans-Regulierung des Gens. Die csgG mRNA wird durch mindestens vier kleine RNAs (sRNAs) reguliert, die die Translation durch Bindung an bestimmte Stamm-Schleifen-Bereiche der 5′-UTR unterdrücken. Das Einbringen von Zufallsmutationen in den Stamm-Loop-Bereich verhinderte die Bindung der sRNA und führte daher zu einer erhöhten Expression, was zeigt, dass die Zufallsmutagenese auch zur Regulierung genutzt werden kann trans-Auswirkungen.

Rationale Designansätze beruhen im Allgemeinen auf der Verwendung bekannter konservierter Motive, um Veränderungen in Nukleotidsequenzen einzuführen. Konservierte Motive sind jedoch nicht immer notwendig, um die Genexpression zu steuern. Zum Beispiel wurde lange Zeit angenommen, dass die SD-Sequenz für die Ribosomenbindung an mRNA in allen Prokaryonten notwendig ist, da das Motiv bei seiner ersten Beschreibung in als stark präsent gefunden wurde E coli (Shine und Dalgarno, 1974). Die 16S-rRNA-Ribosomen-Untereinheit enthält eine konservierte Anti-SD-Sequenz an ihrem 3'-Ende, die aufgrund der komplementären Bindung dieser beiden Sequenzen für die Ribosomenrekrutierung an die mRNA als essentiell angesehen wird (Steitz und Jakes, 1975), was die Vorstellung stützt der SD-sequenzabhängigen Translation. Seitdem wurde jedoch gezeigt, dass die SD-Sequenz in anderen Bakterienarten nur teilweise konserviert ist, wobei einigen Arten einfach eine SD-Sequenz für bis zu 88% ihrer Gene fehlt (Chang et al., 2006 Nakagawa et al., 2017). Verschiedene Organismen können auch Gene aus sogenannten Leaderless-mRNAs exprimieren, denen die 5′-UTR vollständig fehlt (Zheng et al., 2011). Eine Studie von Fargo et al. ( 1998 ) berichtet, dass mehrere Gene sowohl in E coli und im Chloroplasten von Chlamydomonas reinhardtii (eine einzellige Grünalge), nachdem SD-Sequenzen entfernt wurden, was die Existenz von SD-unabhängigen Translationsmechanismen anzeigt. Eine andere Studie ergab, dass Ribosomen mit einer defekten 16S-anti-SD-Sequenz immer noch an Startcodons binden können (Saito et al., 2020). Darüber hinaus können starke SD-Motive schwächere SD-Motive möglicherweise nicht verdrängen, indem sie stark an Ribosomen binden und daher zu einem Translationsstopp führen (Komarova et al., 2005 ).

Die mRNA-Sekundärstruktur um das Startcodon spielt eine entscheidende Rolle bei der translationalen Regulation (Kudla et al., 2009 Chiaruttini und Guillier, 2020). Translationsinitiation gilt als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Translation (Hersch et al., 2014 ) daher, wenn Ribosomen an der Bindung an mRNA gehindert werden, beeinflusst dies die Translationsraten signifikant (Duval et al., 2015 Gualerzi und Pon, 2015). Ribosomen können durch starke mRNA-Sekundärstrukturen daran gehindert werden, an mRNA zu binden. Es wurde gezeigt, dass mRNA, die schwächere Sekundärstrukturen aufbaut, mit höheren Translationsraten korreliert (de Smit und van Duin, 1994a). Schwache Sekundärstrukturen treten häufiger in mRNA auf, die aus A/T-reichen Regionen im Genom stammt (Kudla et al., 2009 et al., 2010), während GC-reiche mRNAs stabilere Sekundärstrukturen aufbauen können. Somit können 5′-UTRs möglicherweise so konstruiert werden, dass sie schwache Sekundärstrukturen um das Startcodon herum aufbauen, um die Translationsraten zu erhöhen. Starke GC-reiche Sekundärstrukturen scheinen jedoch nur dann die Bindung von Ribosomen an die mRNA zu verhindern, wenn kein SD-Motiv vorhanden ist (Sterk et al., 2018). Es ist möglich, dass zugängliche SD-Motive die mRNA-Sekundärstrukturen ausgleichen, die ansonsten die Ribosomenbindung verhindern würden (de Smit und van Duin, 1994b Ma et al., 2002). Darüber hinaus können unstrukturierte Regionen am 5'-Ende der mRNA die Ribosomenbindung erleichtern. Ribosomen können durch unspezifische Bindung der 30S-Untereinheit an eine „Standby“-Stelle auf mRNA geladen werden. Das Ribosom kann sich dann von der Standby-Stelle auf das Startcodon verlagern (de Smit und van Duin, 2003 Sterk et al., 2018 ).

Während starke sekundäre mRNA-Strukturen zu einer erhöhten mRNA-Halbwertszeit führen, führen schwache sekundäre Strukturen zu einer kurzen mRNA-Halbwertszeit (Bervoets und Charlier, 2019). Es ist etwas widersprüchlich, dass gezeigt wurde, dass schwächere und daher kurzlebige mRNA-Strukturen mit hohen Translationsniveaus korrelieren. Daher muss noch vollständig verstanden werden, wie die Translation auf mRNA-Ebene reguliert wird. Insgesamt beeinflussen viele verschiedene Faktoren das Translationsniveau, wie das Vorhandensein bestimmter Sequenzen oder Nukleotide an verschiedenen Positionen (Kontextabhängigkeit) (Wu et al., 2018 ), der Abstand zwischen den Motiven und die Stärke der mRNA-Sekundärstrukturen (Mortimer et al., 2014 Chiaruttini und Guillier, 2020).


Bäche, Rinnen, Bäche, Flüsse und Nebenflüsse werden alle verursacht durch

Durch die Wassererosion wird das Wasser bergab bewegt und während dieses Prozesses entstehen verschiedene Landschaftsformen. Einige von ihnen sind Bäche, Rinnen, Bäche, Flüsse, Nebenflüsse, Wasserfälle, Auen, Mäander, Seen usw.

Weil sie alle mit irgendeiner Form von Wasser umgehen

Beschreibung: Alle diese Gewässer entstehen, wenn Wasser von oben fließt, z. B. von einem Hügel, einem Berg oder einem Tal usw. In diesen hohen Gebieten führt die Schneeschmelze dazu, dass winzige Wasserströme nach unten fließen. Sie entstehen auch, wenn sich kleine Gewässer zu größeren Körpern verbinden. Ein Bach ist beispielsweise ein Kanal, entlang dessen Wasser kontinuierlich einen Hang hinunterfließt. Im Gegensatz zu Rinnen trocknen Bäche selten aus. Kleine Bäche werden auch Bäche oder Bäche genannt. Wenn Bäche zusammenfließen, bilden sie immer größere Fließgewässer. Ein großer Bach wird oft als Fluss bezeichnet


D) trp-Repressor

Feedback: Im Bakterium E. Coli kodieren eine Gruppe von fünf Genen für Enzyme, die zur Synthese der Aminosäure Tryptophan benötigt werden. Alle fünf Gene werden zusammen als eine Einheit transkribiert, die als Operon bezeichnet wird.

Ein Operon ist eine Gruppe von Genen, die unter der Kontrolle einer einzigen Operatorstelle steht. Ein als Repressor bezeichnetes regulatorisches Protein kann an die Operatorstelle binden und die Transkription verhindern. Wenn Typrophan in der Umwelt fehlt, ist der Repressor inaktiv.

Die RNA-Polymerase bindet an die Promotorstelle und wandert dann die DNA hinunter, wobei die Gene für die Tryptophan-Biosyntheseenzyme transkribiert werden.

Wenn Tryptophan in der Umwelt vorhanden ist, muss der Organismus kein Tryptophan mehr herstellen. Tryptophan bindet an den Repressor und aktiviert ihn.

Der aktivierte Repressor bindet nun an den Operator, der sich innerhalb des Tryptophan-Promotors befindet und blockiert die Transkription.

Der Tryptophan-Repressor ist ein Helix-Turn-Helix-Regulationsprotein. Wenn Tryptophan in der Umgebung fehlt, befindet sich der Repressor in einer inaktiven Konformation und kann nicht an die DNA binden, um die Transkription zu verhindern.

Wenn Tryptophan reichlich vorhanden ist, binden zwei Moleküle Tryptophan an den Repressor.

Dies ändert die Orientierung der Helix-Turn-Helix-Motive im Repressor und bewirkt, dass ihre Erkennungshelices in benachbarte Hauptfurchen der DNA passen.

Somit erfolgt die Synthese von Tryptophan, wenn sie benötigt wird, wird jedoch unterdrückt, wenn Tryptophan verfügbar ist.



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