Zusammenfassung Transferseminar Molekularbiologie
Genomstruktur + Replikation 1+2
Chromosomen Bestandteile
• Replikationsursprung:
o Start der Replikation
o Zsmsetzung der Replikationsgabel
o Abstände von 30/40 kb -> bei Prokaryoten nur 1
o Nicht codierender Bereich
• Centromer:
o Ermöglicht Verteilung der duplizierten + kondensierten Chromosomen
o Bildung des Kinetochors = Proteinkomplex -> befestigt Schwesterchromatiden an
mitotischer Spindel, so dass sie auseinander gezogen werden können
o Bei Eukaryoten meist länger als 40 kb + besteht aus repetitiven DNA-Sequenzen
• Telomere:
o Enthalten wdh. Nukleotidsequenzen -> ermöglichen effiziente Replikation der
Chromosomenenden
o Bilden zsm mit angrenzenden Regionen Strukturen, die Ende des Chromomons
davor schützen von Zelle für gebrochenes + reparaturbedürftiges DNA-Molekül
gehalten zu werden -> hier spielt Faltung der Telomere eine Rolle
o Nach Segregation der Schwesterchromatiden bildet sich Kernhülle neu aus
Kernhüllenfragmentenn -> Telomere sind dafür verantwortlich -> binden an
Kernhülle
Zellzyklus
• G1: Vorbereitung + Kontrollpunkt -> Mindestgröße der Zelle und ausreichende
Proteinsynthese erreicht? Interphase:
o Bei DNA-Schäden STOP DNA verknäult,
• S: DNA Replikation + Synthese 10 nm + 30 nm
• G2: Vorbereitung + Kontrollpunkt Filamente
o Bei fehlerhaften DNA-Molekühlen STOP
• Mitose:
o Kondensierung der DNA SMC-Proteine = structural
▪ DNA wird hier stark verdichtet maintenance Proteine -> können
▪ Cohesin = 2 SMC + 2 Nicht SMC Proteine über gr. Bereiche wechselwirken
▪ Cohesine halten Chromatiden zsm Nicht SMC Proteine -> bilden mit
-> Ringstruktur um beide Chromatiden SMC Proteinen Multiproteinkomplex
-> am Anfang über gesamte Chromatiden verteilt -> Ende nur Centromer
▪ Condensine verdichten ds Bereiche innerhalb der selben Chromatide
-> auch Ringstrukur , aber je um 1 Chromatide nur
o Trennung der Schwesterchromatiden + Verteilung in die Tochterzellen
▪ 1. Mitosespindeln binden an entgegengesetzte Kinetochore
▪ 2. Proteolyse Cohesine Ring (Centromer)
▪ 3. Trennung der Chromatiden -> Verteilung in die Tochterzellen
,Chromosomen während des Zellzykluses
• Interphase: DNA Replikation + Synthese
o Ende S-Phase: DNA Moleküle der Schwesterchromatiden lang + teilweise mit
Proteinen verkettet -> Chromatiden über gesamte Länge zsmgehalten durch
Cohesine Ringe
• Mitose: Kondensierung und Trennung + Aufteilung der Schwesterchromatiden
o Prophase:
▪ Chromosomenkondensation -> starke Verdichtung der Chromatiden durch
Condensine
▪ Kernhülle wird aufgebrochen
▪ Arm-Cohesine werden entfernt
o Metaphase:
▪ Schwesterchromatiden sind kompaktiert + nur durch centromeres
Cohesine Ring zsmgehalten
▪ Mitosespindeln werden gebildet
▪ Mikrotubuli binden an Kinetochore (bivalent -> Spannung)
o Anaphase:
▪ Entfernung centromeres Cohesine
▪ Seggregation der Schwesterchromatiden -> auf Tochterzellen verteilt
o Telophase:
▪ Bildung Kernhülle um Chromosomensätze
o Cytokinese:
▪ Einschnürrung der Zellmembran
Korrelation Cohesine und Condensine
Zsmhalt durch Cohesine und die Kondensation der Chromosomen korreliert in sofern:
• während Mitose Cohesin + damit Verbindung der Schwesterchromatiden entfernt
• gleichzeitig kommt es zu einer Verdichtung der Chromosomen durch Condensine
-> essentiell um Chromatiden überhaupt auseinanderziehen zu können ohne Brüche
Trennung der Schwesterchromatiden detailierter
Beim Übergang von Metaphase zu Anaphase löst APC/C (Anaphase-promoting complex o.
Cyclosom) die Zerstörung von Securin aus -> führt dazu das Separase aktiv wird, da nicht
mehr durch Securin gehemmt -> Separase spaltet Cohesine und löst damit
Schwesterchromatidentrennung aus
• Mikrotubuli der Kernspindeln (Centriole od. Centrosom) binden an entgegengesetzte
Kinetochore
• Tauziehen vs. Cohesine -> Zugspannung von Proteinen gemessen -> falsch angeheftete
MT werden entfernt
• Fortgang erst wenn alle MT richtig gespannt
• Dann Entfernung des centromeren Cohesins
• Chromatiden werden auseinandergezogen + separiert
,Meiose
• 1. Meiotische Teilung: Segregation der homologen Chromosomenpaare
o Prophase 1: Paarung der homologen Chromosomen (Holiday-Strukturen,
Chiasma, Rekombination)
o Meta 1: MT binden an Kinetochore -> jedes Chromosom monovalent zu 1 Pol
o Ana1 : Degradation Arm-Cohesine + Auflösung Chiasma
• 2. Meiotische Teilung; Segregation der homologen Chromatiden
o Meta 2: MT binden an Kinetochore -> bivalent
o Ana2: Degradation der Centromer Cohesine
o Telo: Bildung von 4 Kernhüllen um jeden haploiden Chromosomensatz
o Cytokinese: Teilung in 4 Tochterzellen
Nukleosom -> nicht in Prokaryoten vorhanden
Aufbau
• Besteht aus positivem Histonkern (20% Lysin + Arginin) und negativer Kern-DNA (147bp)
= DNA Abschnitt der 1,65 mal um Kern gewickickelt ist
o Bindung Histon an DNA sequenzunspezifisch
o Pos. Ladung der Histone maskiert negative Ladung der DNA -> verhindert
Abstoßung -> Verdichtung
• Histonkern besteht aus 8 Histon Proteinen, jedes der 4 verschiedenen 2 mal da:
o 2 x H2A-H2B Dimere -> bilden nur Dimere, von denen 2 an jedes H3-H4 Tetramer
binden
o 1 x H3-H4 Tetramer -> formen zunächst Dimere + lagern sich dann als Tetramere
zsm
• Jedes Kernhiston besitzt N-terminalen Schwanz -> ragen aus dem Kern hinaus
o Können durch Enzyme modifiziert werden -> beeinflusst lokale Chromatinstruktur
-> Modifikationen:
▪ Phosphorylierung -> Reduktion pos. Gesamtladung (Affinität) -> lockere
Bindung
▪ Acetylierung -> Reduktion pos. Gesamtladung (Aff.) -> lockere Bindung
▪ Methylierung -> engere Bindung
o N-terminale Schwänze für Nukleosom-Nukleosom Interaktion notwendig ->
ermöglichen Stabilisierung der 30nm Chromatinfilamente
▪ Interaktion zw. pos. geladenen N-Terminus des Histons H4 + negativ
geladenem Bereich der Histonfaltungsdomäne des Histon H2A
(Nachbarnukleosom)
• DNA zwischen 2 Nukleosomen = Linker- oder Verbindungs-DNA
, Positionierung auf der DNA
• Kern-DNA tritt mit Histonkern jedes Mal in Kontakt, wenn kleine Furche nach einer
Windung der DNA-Doppelhelix wieder zum Kernhiston ausgerichtet ist
• Bindung der DNA an Kernhistone erfolgt durch Vielzahl von Wasserstoffbrücken
zwischen neg. DNA und pos. geladenen Histonen
• Meiste H+ Brücken entstehen zwischen AS-Gerüst der Histone + Phosphodiestergerüst
der DNA -> nur wenig werden zwischen Histonen + Basen
→ DNA kann an jeder beliebigen Sequenz an Histonkern gebunden werden =
sequenzunspezifisch
• H3-H4 Tetramer bindet immer an zentrale 60 bp der Kern-DNA + beiden Enden der Kern-
DNA (Ein- + Austritt) -> besetzt somit Schlüsselposition im Nukleosom
• Jedes H2A-H2B Dimere assoziiiert mit ca. 30 bp langen Abschnitt der Kern-DNA -> 1
Dimer vor und 1 Dimer hinter zentralen 60bp an die H3-H4 Tetramer gebunden ist
• Bei Bindung wird DNA gebogen -> Biegung erfordert starke Kompression der kleinen
Furche -> bestimmte Dinukleotide (AA,TT,AT) lassen sich leichter komprimieren bzw.
zeigen von natur aus Krümmüngsneigung -> Nukleotidsequenzen mit vielen dieser
Dinukleotide an kleiner Furche binden Nukleosom spezifischer als andere
-> Sequenzpräferenz jedoch so gering, dass beliebige Position auf DNA Sequenz
gebunden werden kann
• Histonschwänze stabilisieren DNA-Wicklung indem sie an bestimmten Stellen aus
Nukleosom herausragen + Gewindefurche bilden
o H2B- + H3- Schwänze ragen zwischen DNA-Doppelhelix heraus
o H2A + H4 Schwänze ragen über/unter DNA raus
• Nukleosomen können verschoben werden um DNA bindenden Proteinen Zugang zu
ermöglichen + Expression von Genen zu erlauben, welche im zentralen Bereich der Kern-
DNA liegen -> Nukleosomen-Umlagerungskomplexe -> Histonkern kann auf andere
dsDNA übertragen werden
Zsmbau Nukleosomen
Durch Histon Chaperone
• Gezielter Zsmbau
• Begleiten freie H3-H4 Tetramere und H2A-H2B Dimere zu neu synthetisierter DNA
• Übertragung Histone auf DNA gesteuert durch Interaktion Chaperon mit Sliding Clamp
Genomstruktur + Replikation 1+2
Chromosomen Bestandteile
• Replikationsursprung:
o Start der Replikation
o Zsmsetzung der Replikationsgabel
o Abstände von 30/40 kb -> bei Prokaryoten nur 1
o Nicht codierender Bereich
• Centromer:
o Ermöglicht Verteilung der duplizierten + kondensierten Chromosomen
o Bildung des Kinetochors = Proteinkomplex -> befestigt Schwesterchromatiden an
mitotischer Spindel, so dass sie auseinander gezogen werden können
o Bei Eukaryoten meist länger als 40 kb + besteht aus repetitiven DNA-Sequenzen
• Telomere:
o Enthalten wdh. Nukleotidsequenzen -> ermöglichen effiziente Replikation der
Chromosomenenden
o Bilden zsm mit angrenzenden Regionen Strukturen, die Ende des Chromomons
davor schützen von Zelle für gebrochenes + reparaturbedürftiges DNA-Molekül
gehalten zu werden -> hier spielt Faltung der Telomere eine Rolle
o Nach Segregation der Schwesterchromatiden bildet sich Kernhülle neu aus
Kernhüllenfragmentenn -> Telomere sind dafür verantwortlich -> binden an
Kernhülle
Zellzyklus
• G1: Vorbereitung + Kontrollpunkt -> Mindestgröße der Zelle und ausreichende
Proteinsynthese erreicht? Interphase:
o Bei DNA-Schäden STOP DNA verknäult,
• S: DNA Replikation + Synthese 10 nm + 30 nm
• G2: Vorbereitung + Kontrollpunkt Filamente
o Bei fehlerhaften DNA-Molekühlen STOP
• Mitose:
o Kondensierung der DNA SMC-Proteine = structural
▪ DNA wird hier stark verdichtet maintenance Proteine -> können
▪ Cohesin = 2 SMC + 2 Nicht SMC Proteine über gr. Bereiche wechselwirken
▪ Cohesine halten Chromatiden zsm Nicht SMC Proteine -> bilden mit
-> Ringstruktur um beide Chromatiden SMC Proteinen Multiproteinkomplex
-> am Anfang über gesamte Chromatiden verteilt -> Ende nur Centromer
▪ Condensine verdichten ds Bereiche innerhalb der selben Chromatide
-> auch Ringstrukur , aber je um 1 Chromatide nur
o Trennung der Schwesterchromatiden + Verteilung in die Tochterzellen
▪ 1. Mitosespindeln binden an entgegengesetzte Kinetochore
▪ 2. Proteolyse Cohesine Ring (Centromer)
▪ 3. Trennung der Chromatiden -> Verteilung in die Tochterzellen
,Chromosomen während des Zellzykluses
• Interphase: DNA Replikation + Synthese
o Ende S-Phase: DNA Moleküle der Schwesterchromatiden lang + teilweise mit
Proteinen verkettet -> Chromatiden über gesamte Länge zsmgehalten durch
Cohesine Ringe
• Mitose: Kondensierung und Trennung + Aufteilung der Schwesterchromatiden
o Prophase:
▪ Chromosomenkondensation -> starke Verdichtung der Chromatiden durch
Condensine
▪ Kernhülle wird aufgebrochen
▪ Arm-Cohesine werden entfernt
o Metaphase:
▪ Schwesterchromatiden sind kompaktiert + nur durch centromeres
Cohesine Ring zsmgehalten
▪ Mitosespindeln werden gebildet
▪ Mikrotubuli binden an Kinetochore (bivalent -> Spannung)
o Anaphase:
▪ Entfernung centromeres Cohesine
▪ Seggregation der Schwesterchromatiden -> auf Tochterzellen verteilt
o Telophase:
▪ Bildung Kernhülle um Chromosomensätze
o Cytokinese:
▪ Einschnürrung der Zellmembran
Korrelation Cohesine und Condensine
Zsmhalt durch Cohesine und die Kondensation der Chromosomen korreliert in sofern:
• während Mitose Cohesin + damit Verbindung der Schwesterchromatiden entfernt
• gleichzeitig kommt es zu einer Verdichtung der Chromosomen durch Condensine
-> essentiell um Chromatiden überhaupt auseinanderziehen zu können ohne Brüche
Trennung der Schwesterchromatiden detailierter
Beim Übergang von Metaphase zu Anaphase löst APC/C (Anaphase-promoting complex o.
Cyclosom) die Zerstörung von Securin aus -> führt dazu das Separase aktiv wird, da nicht
mehr durch Securin gehemmt -> Separase spaltet Cohesine und löst damit
Schwesterchromatidentrennung aus
• Mikrotubuli der Kernspindeln (Centriole od. Centrosom) binden an entgegengesetzte
Kinetochore
• Tauziehen vs. Cohesine -> Zugspannung von Proteinen gemessen -> falsch angeheftete
MT werden entfernt
• Fortgang erst wenn alle MT richtig gespannt
• Dann Entfernung des centromeren Cohesins
• Chromatiden werden auseinandergezogen + separiert
,Meiose
• 1. Meiotische Teilung: Segregation der homologen Chromosomenpaare
o Prophase 1: Paarung der homologen Chromosomen (Holiday-Strukturen,
Chiasma, Rekombination)
o Meta 1: MT binden an Kinetochore -> jedes Chromosom monovalent zu 1 Pol
o Ana1 : Degradation Arm-Cohesine + Auflösung Chiasma
• 2. Meiotische Teilung; Segregation der homologen Chromatiden
o Meta 2: MT binden an Kinetochore -> bivalent
o Ana2: Degradation der Centromer Cohesine
o Telo: Bildung von 4 Kernhüllen um jeden haploiden Chromosomensatz
o Cytokinese: Teilung in 4 Tochterzellen
Nukleosom -> nicht in Prokaryoten vorhanden
Aufbau
• Besteht aus positivem Histonkern (20% Lysin + Arginin) und negativer Kern-DNA (147bp)
= DNA Abschnitt der 1,65 mal um Kern gewickickelt ist
o Bindung Histon an DNA sequenzunspezifisch
o Pos. Ladung der Histone maskiert negative Ladung der DNA -> verhindert
Abstoßung -> Verdichtung
• Histonkern besteht aus 8 Histon Proteinen, jedes der 4 verschiedenen 2 mal da:
o 2 x H2A-H2B Dimere -> bilden nur Dimere, von denen 2 an jedes H3-H4 Tetramer
binden
o 1 x H3-H4 Tetramer -> formen zunächst Dimere + lagern sich dann als Tetramere
zsm
• Jedes Kernhiston besitzt N-terminalen Schwanz -> ragen aus dem Kern hinaus
o Können durch Enzyme modifiziert werden -> beeinflusst lokale Chromatinstruktur
-> Modifikationen:
▪ Phosphorylierung -> Reduktion pos. Gesamtladung (Affinität) -> lockere
Bindung
▪ Acetylierung -> Reduktion pos. Gesamtladung (Aff.) -> lockere Bindung
▪ Methylierung -> engere Bindung
o N-terminale Schwänze für Nukleosom-Nukleosom Interaktion notwendig ->
ermöglichen Stabilisierung der 30nm Chromatinfilamente
▪ Interaktion zw. pos. geladenen N-Terminus des Histons H4 + negativ
geladenem Bereich der Histonfaltungsdomäne des Histon H2A
(Nachbarnukleosom)
• DNA zwischen 2 Nukleosomen = Linker- oder Verbindungs-DNA
, Positionierung auf der DNA
• Kern-DNA tritt mit Histonkern jedes Mal in Kontakt, wenn kleine Furche nach einer
Windung der DNA-Doppelhelix wieder zum Kernhiston ausgerichtet ist
• Bindung der DNA an Kernhistone erfolgt durch Vielzahl von Wasserstoffbrücken
zwischen neg. DNA und pos. geladenen Histonen
• Meiste H+ Brücken entstehen zwischen AS-Gerüst der Histone + Phosphodiestergerüst
der DNA -> nur wenig werden zwischen Histonen + Basen
→ DNA kann an jeder beliebigen Sequenz an Histonkern gebunden werden =
sequenzunspezifisch
• H3-H4 Tetramer bindet immer an zentrale 60 bp der Kern-DNA + beiden Enden der Kern-
DNA (Ein- + Austritt) -> besetzt somit Schlüsselposition im Nukleosom
• Jedes H2A-H2B Dimere assoziiiert mit ca. 30 bp langen Abschnitt der Kern-DNA -> 1
Dimer vor und 1 Dimer hinter zentralen 60bp an die H3-H4 Tetramer gebunden ist
• Bei Bindung wird DNA gebogen -> Biegung erfordert starke Kompression der kleinen
Furche -> bestimmte Dinukleotide (AA,TT,AT) lassen sich leichter komprimieren bzw.
zeigen von natur aus Krümmüngsneigung -> Nukleotidsequenzen mit vielen dieser
Dinukleotide an kleiner Furche binden Nukleosom spezifischer als andere
-> Sequenzpräferenz jedoch so gering, dass beliebige Position auf DNA Sequenz
gebunden werden kann
• Histonschwänze stabilisieren DNA-Wicklung indem sie an bestimmten Stellen aus
Nukleosom herausragen + Gewindefurche bilden
o H2B- + H3- Schwänze ragen zwischen DNA-Doppelhelix heraus
o H2A + H4 Schwänze ragen über/unter DNA raus
• Nukleosomen können verschoben werden um DNA bindenden Proteinen Zugang zu
ermöglichen + Expression von Genen zu erlauben, welche im zentralen Bereich der Kern-
DNA liegen -> Nukleosomen-Umlagerungskomplexe -> Histonkern kann auf andere
dsDNA übertragen werden
Zsmbau Nukleosomen
Durch Histon Chaperone
• Gezielter Zsmbau
• Begleiten freie H3-H4 Tetramere und H2A-H2B Dimere zu neu synthetisierter DNA
• Übertragung Histone auf DNA gesteuert durch Interaktion Chaperon mit Sliding Clamp
