Aufgaben: Die Genexpression

Definiere Transkription und Translation und gib an, an welchem Ort der Eukaryotenzelle jeder dieser Prozesse stattfindet.

Was ist ein Codon? Gib an, aus wie vielen Nukleotiden es besteht, wie viele verschiedene Codons es gibt und wie viele verschiedene Aminosäuren sie insgesamt codieren.

Betrachte das Schema zum Fluss der genetischen Information. Gib an, welche Moleküle mit A, B und C gekennzeichnet sind, welche Prozesse an den Pfeilen 1 und 2 ablaufen und was der gestrichelt umrandete Bereich darstellt.

Welches Enzym katalysiert die Transkription von DNA zu RNA? Gib an, an welchem der beiden Gen-Stränge es arbeitet und in welcher Richtung es das RNA-Molekül synthetisiert.

Nenne zwei strukturelle Unterschiede zwischen DNA und RNA und erkläre, welche Basen sich bei der Transkription paaren, wenn der Matrizenstrang ein Adenin oder ein Thymin aufweist.

Definiere, was ein Gen aus Sicht der Genexpression ist, und nenne die zwei Arten funktioneller Produkte, die ein Gen bei seiner Expression hervorbringen kann.

Wie lautet das Startcodon der Translation und welche Aminosäure codiert es? Erkläre, welche Funktion die Stoppcodons haben und was geschieht, wenn das Ribosom eines davon erreicht.

Beschreibe kurz, was das Ribosom während der Translation tut: wie es die mRNA abliest, wie die Aminosäuren herangeführt werden und welche Art von Bindung sich zwischen ihnen bildet.

Leite aus dem DNA-Matrizenstrang 3'-TACGGAACT-5' die Sequenz der resultierenden mRNA ab, gib ihre Polarität an und nenne, wie viele Aminosäuren dieses Fragment höchstens codieren kann.

Verwenden Sie die folgende Tabelle des genetischen Codes:

1. a) Übersetzen Sie das folgende $\text{mRNA}$: $5'\text{-AUGGCUUAA-}3'$ und geben Sie die resultierende Aminosäuresequenz an.
2. b) Erklären Sie, welche Rolle das erste und das letzte Codon des Fragments spielen.

Unterscheide die Funktion von mRNA, tRNA und rRNA bei der Proteinbiosynthese und gib an, was jede RNA-Art zum Prozess beiträgt.

Der codierende Strang eines Gens hat die Sequenz 5'-ATGGCTTAA-3'. Gib die Sequenz der transkribierten mRNA an, begründe, warum sie der codierenden Strangsequenz fast gleicht, und erkläre, welche Rolle der andere DNA-Strang dann bei der Transkription spielt.

Beschreibe die charakteristische Struktur einer tRNA (Kleeblattform, Anticodon und 3'-Ende) und erkläre, wie die Zelle erreicht, dass jede tRNA mit der richtigen Aminosäure beladen wird; nenne dabei die verantwortlichen Enzyme.

Ordne die folgenden Schritte der Genexpression in einer Eukaryotenzelle und begründe die gewählte Reihenfolge: Bindung der mRNA an das Ribosom, Prozessierung der mRNA, Translation im Zytosol, Export der mRNA aus dem Zellkern, Transkription im Zellkern.

Bei der Translation wird die mRNA in aufeinanderfolgenden Codons ohne Trennzeichen abgelesen. Erkläre, was das Leseraster ist, und begründe, was mit dem synthetisierten Protein geschähe, wenn das Ribosom die Ablesung ein Nukleotid vor der richtigen Position beginnen würde.

Ein Protein besteht aus $300$ Aminosäuren. a) Berechne, wie viele Nukleotide die reife mRNA, die es codiert, mindestens hat, einschließlich des Stoppcodons. b) Berechne, wie viele Basenpaare das Gen in einem Organismus ohne Introns umfassen würde. c) Begründe, warum bei Eukaryoten das Gen meist deutlich länger ist als die entsprechende reife mRNA.

Betrachten Sie das folgende Fragment der codierenden Sequenz einer mRNA, die in ein zytoplasmatisches Protein translatiert wird:

$5'\text{--- AUG - UCU - UCC - UCA - UCG --- } 3'$

(Hinweis: Die vier Codons, die auf das Startcodon AUG folgen, codieren alle die Aminosäure Serin.)

1. a) Begründen Sie anhand dieses konkreten Falls, warum der genetische Code degeneriert ist, und zeigen Sie, dass diese Eigenschaft nicht bedeutet, dass der Code „mehrdeutig“ ist.
2. b) Angenommen, es werden zwei unabhängige Punktmutationen eingeführt: Mutante 1 verändert das zweite Codon von UCU zu UCC; Mutante 2 verändert das dritte Codon von UCC zu UAC (das Tyrosin codiert). Vergleichen Sie die Auswirkung beider Mutationen auf die Aminosäuresequenz des Proteins und klassifizieren Sie jede Mutation nach ihrer funktionellen Wirkung.
3. c) Erörtern Sie, welchen adaptiven Vorteil es gegenüber spontanen Punktmutationen hat, dass sich die Degeneration des genetischen Codes fast immer auf die dritte Base jedes Tripletts konzentriert (Wobble-Hypothese) und nicht auf die erste oder zweite.

Das folgende Schema stellt ein funktionsfähiges Ribosom während der Elongationsphase der Translation dar:

1. a) Leiten Sie begründet die Polarität (Enden $5'$ und $3'$) der mRNA-Kette her und die Richtung, in der sich das Ribosom an ihr entlangbewegt.
2. b) Geben Sie die Anticodon-Sequenz der gekennzeichneten tRNA (?) an, wobei Sie zwingend ihre Polarität $5'\to 3'$ angeben, und begründen Sie, welche Aminosäure sie transportiert, wenn Sie wissen, dass das Codon GCU Alanin codiert.
3. c) In einem mutierten Stamm entsteht eine Suppressor-tRNA, die das Codon UAA erkennen und dabei die Aminosäure Tyrosin einbauen kann. Sagen Sie voraus, was mit der Translation und mit der Länge des resultierenden Proteins geschieht, wenn das Ribosom die mit dem Stoppcodon gekennzeichnete Position erreicht, verglichen mit der Wildtyp-Zelle.

Im menschlichen Genom enthält das Fibronektin-Gen zahlreiche Exons und Introns. In Fibroblasten entsteht daraus eine unlösliche Proteinisoform, die Bestandteil der extrazellulären Matrix ist, während in Hepatozyten eine lösliche Isoform gebildet wird, die im Blutplasma zirkuliert.

1. a) Begründen Sie, über welchen molekularen Mechanismus eine einzige genomische DNA-Sequenz zu diesen beiden Proteinen mit so unterschiedlichen Funktionen und Lokalisationen führen kann.
2. b) Bei einem Patienten liegt eine Punktmutation in Form einer Transition (G zu A) an der Spleißakzeptorstelle von Intron 4 dieses Gens vor. Sagen Sie zwei mögliche Veränderungen in der Struktur der resultierenden reifen mRNA und deren Folgen für das synthetisierte Protein vorher.
3. c) Wenn wir dieses intakte menschliche Gen (mit allen Introns und Exons) in ein Plasmid klonieren und in Escherichia coli einbringen, beurteilen Sie begründet, ob das Bakterium funktionsfähiges menschliches Fibronektin synthetisiert.

Streptomycin ist ein bakterizides Antibiotikum, das an die Untereinheit $30\text{S}$ des prokaryotischen Ribosoms ($70\text{S}$) bindet, dadurch Fehllesungen der mRNA verursacht und die Proteinsynthese hemmt. Obwohl es als selektiv gegenüber den zytoplasmatischen Ribosomen der Eukaryoten ($80\text{S}$) gilt, treten bei Patienten unter Intensivbehandlung häufig Nephrotoxizität und Ototoxizität auf, die mit einer Störung des zellulären Energiestoffwechsels verbunden sind.

1. a) Begründen Sie auf Grundlage der Endosymbiontentheorie, warum dieses Medikament trotz der beschriebenen Zielselektivität menschliche Zellen schädigen und einen ATP-Mangel verursachen kann.
2. b) Bei der Untersuchung eines streptomycinresistenten Bakterienstamms zeigt sich, dass er das Medikament nicht abbaut und keine aktiven Auswärtspumpen besitzt, aber eine Mutation im Gen des bakteriellen Chromosoms trägt, das für die rRNA $16\text{S}$ codiert. Erklären Sie, wie diese Mutation Resistenz verleiht, ohne die Funktion des Ribosoms vollständig zu verhindern.
3. c) In einem Zellexperiment werden Cycloheximid (Hemmstoff der $80\text{S}$-Ribosomen) und Chloramphenicol (Hemmstoff der $70\text{S}$-Ribosomen) eingesetzt. Sagen Sie vorher, was mit dem Aufbau der Multienzymkomplexe der mitochondrialen Elektronentransportkette (deren Untereinheiten einen dualen genetischen Ursprung haben) in Gegenwart jeder dieser Substanzen einzeln geschieht.

Um die $61$ Sinncodons des Standard-Gencodes zu translatieren, müssen die meisten Eukaryotenzellen nur zwischen $30$ und $45$ verschiedene tRNA-Arten synthetisieren, statt $61$.

1. a) Erklären Sie die thermodynamische und strukturelle Grundlage der „Wobble-Hypothese“ von Crick und begründen Sie, warum diese räumliche Flexibilität auf das dritte Nukleotid des Codons ($3'$-Ende) und das erste des Anticodons ($5'$-Ende) beschränkt ist.
2. b) Die Aminosäure Valin wird von vier Codons codiert: $5'\text{-GUU-}3'$, $5'\text{-GUC-}3'$, $5'\text{-GUA-}3'$ und $5'\text{-GUG-}3'$. Wenn eine bestimmte tRNA am $5'$-Ende ihres Anticodons Inosin (I) trägt (Inosin kann mit U, C und A paaren), bestimmen Sie, wie viele und welche dieser Codons diese einzelne tRNA lesen kann, und geben Sie die Sequenz dieses Anticodons in $5'\to 3'$-Richtung an.
3. c) Begründen Sie den Selektionsvorteil, den es für den Organismus hat, dass sich die Degeneration des genetischen Codes und der Wobble auf die dritte Position des Codons konzentrieren, im Vergleich dazu, dass sie bei Punktmutationen an der ersten oder zweiten Base aufträten.

Untersucht wird ein menschliches Gen von $24\,000$ Basenpaaren (bp), das aus $8$ Exons und $7$ Introns besteht. Nach vollständiger Prozessierung hat seine reife mRNA in Muskelzellen eine Länge von $1200$ Nukleotiden (einschließlich der UTR-Regionen und des Poly-A-Schwanzes).

1. a) Wenn man im Labor den Matrizenstrang der genomischen DNA mit dieser reifen Muskel-mRNA hybridisiert und den entstehenden Heteroduplex im Elektronenmikroskop betrachtet, sagen Sie vorher, welche Morphologie er zeigt und wie viele einzelsträngige Schleifen höchstens zu beobachten sind. Begründen Sie, aus welcher Nukleinsäure jede Schleife besteht.
2. b) Ein Schüler behauptet, das resultierende Protein sei bei $1200$ Nukleotiden genau $400$ Aminosäuren lang. Widerlegen Sie diese Behauptung begründet mit mindestens zwei molekularen Argumenten.
3. c) Im Nervengewebe wird aus demselben Gen eine reife mRNA mit einer Größe von $1500$ Nukleotiden isoliert. Erklären Sie, welches Phänomen aufgetreten ist, und sagen Sie vorher, ob das neuronale Protein zwangsläufig länger ist als das Muskelprotein; begründen Sie Ihre Antwort.

Bei der Gentherapie des Leberschen hereditären Optikusneuropathie-Syndroms wird untersucht, eine Wildtyp-Kopie eines mitochondrialen Gens in den Zellkern zu übertragen (allotopische Expression), damit das Protein im Zytosol translatiert und in das Mitochondrium importiert wird. Im menschlichen mitochondrialen Code codiert das Triplett UGA jedoch für Tryptophan, während es im nukleären Standardcode als Stoppcodon fungiert.

1. a) Sagen Sie vorher, was geschähe, wenn das mitochondriale Gen ohne Veränderung seiner Sequenz in den Zellkern übertragen und an den zytoplasmatischen Ribosomen transkribiert und translatiert würde. Welche Auswirkungen hätte dies auf Länge und Funktionalität des entstehenden Polypeptids?
2. b) Entwerfen Sie die Strategie der gezielten Mutagenese, die das biotechnologische Team an der codierenden Sequenz des Transgens vornehmen muss, bevor es in den Zellkern integriert wird, um die Synthese des nativen Proteins sicherzustellen.
3. c) Begründen Sie, warum sich das mitochondriale Genom (mit nur $37$ Genen und einer sehr geringen Zahl an tRNAs) im Laufe der Evolution Abweichungen und Änderungen in der Codonzuordnung „leisten“ konnte, während solche Veränderungen im Kerngenom für die Zelle letal sind.

Bei der elektronenmikroskopischen Beobachtung der Genexpression in Bakterien (Escherichia coli) erkennt man „Tannenbaum“-Strukturen, in denen mehrere Ribosomen die mRNA translatieren, während diese noch von der an die genomische DNA gekoppelten RNA-Polymerase synthetisiert wird. In einer menschlichen Zelle beobachtet man das dagegen nie.

1. a) Sagen Sie vorher, welche unmittelbare Folge die Zugabe von Rifampicin (ein Hemmstoff, der die Initiation der RNA-Polymerase blockiert, nicht aber die Aktivität der Ribosomen) auf die bakterielle Proteinsynthese hat, und vergleichen Sie diese Wirkung mit dem, was kurzfristig im Zytoplasma einer Eukaryotenzelle geschähe.
2. b) Begründen Sie, warum die bakterielle Kopplung von Transkription und Translation mechanisch unvereinbar ist mit dem Vorhandensein von Introns und mit dem für Eukaryoten typischen Spleißmechanismus.
3. c) Der Regulationsmechanismus der Genregulation durch „Attenuation“ im bakteriellen Tryptophan-Operon beruht darauf, dass die Vorrückgeschwindigkeit des Ribosoms in einer Leadersequenz die Bildung von Terminationshaarnadeln in der neu transkribierten RNA bestimmt. Begründen Sie, warum dieses Regulationssystem in Eukaryotenzellen nicht funktionieren kann.