14.1: Was ist die Genexpression?

Überblick

Die Genexpression ist der Prozess, bei dem DNA die Synthese funktioneller Produkte, wie z.B. Proteine, steuert. Zellen können die Genexpression in verschiedenen Stadien regulieren. Sie erlaubt es Organismen, verschiedene Zelltypen zu bilden und ermöglicht die Anpassung an interne und externe Faktoren.

Die Geninformation fließt von der DNA über die RNA zum Protein

Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der als Bauplan für funktionelle RNAs und Proteine dient. Da die DNA aus Nukleotiden und die Proteine aus Aminosäuren bestehen, wird ein Mediator benötigt, um die in der DNA geschriebene Information in Proteine umzuwandeln. Dieser Mediator ist die Boten-RNA (mRNA). Die mRNA kopiert den Bauplan von der DNA durch einen Prozess, der Transkription genannt wird. Bei Eukaryoten erfolgt die Transkription im Zellkern durch komplementäre Basenpaarungen mit der DNA-Vorlage. Die mRNA wird dann bearbeitet und in das Zytoplasma transportiert. Dort dient sie während der Translation als Vorlage für die Proteinsynthese. Bei Prokaryoten, die keinen Zellkern haben, laufen die Prozesse der Transkription und der Translation an der gleichen Stelle ab. Außerdem laufen sie fast gleichzeitig ab, da die neu gebildete mRNA schnell abgebaut werden kann.

Die Genexpression kann in jedem Schritt der Transkription reguliert werden

Jede Zelle eines Organismus enthält die gleiche DNA und somit den gleichen Gene. Allerdings sind nicht alle Gene in einer Zelle eingeschaltet oder werden zur Synthese von Proteinen verwendet. Ein Gen wird als exprimiert bezeichnet, wenn das Protein, für das es kodiert, von der Zelle produziert wird. Die Genexpression wird so reguliert, so dass die korrekte Synthese von Proteinen in bestimmten Zellen zu bestimmten Zeiten gewährleistet ist. Verschiedene intrinsische und extrinsische Mechanismen regulieren die Genexpression vor und während der Transkription.

Die Struktur der kondensierten DNA in Form des Chromatins und die zugehörigen Histonproteine können chemisch modifiziert werden, um offen oder geschlossen zu sein. Solche Modifikationen erlauben oder beschränken den Zugang der Transkriptionsmaschinerie zur DNA. Die Modifikation des Chromatins ist ein intrinsischer Mechanismus, der während der Entwicklung eingesetzt wird, um verschiedene Zelltypen (z.B. Neuron versus Muskelzelle) aus demselben Genom zu bilden.

DNA-bindende Proteine, so genannte Transkriptionsfaktoren, regulieren die Transkription durch ihre Bindung an spezifische DNA-Sequenzen in der Nähe oder innerhalb der kodierenden Regionen der Gene. Transkriptionsfaktoren, welche die Initiierung der Transkription fördern, werden als Aktivatoren bezeichnet. Proteine, die verhindern, dass die Transkriptionsmaschinerie an die Initiationsstelle der Transkription binden kann, werden als Repressoren bezeichnet. Transkriptionsaktivatoren oder Repressoren reagieren auf externe Stimuli wie Signalmoleküle, Nährstoffmangel, Temperatur und Sauerstoff.

Die Genexpression kann posttranskriptional und posttranslational reguliert werden

Die Genexpression kann durch posttranskriptionale mRNA-Prozessierung reguliert werden. In Eukaryoten durchläuft die transkribierte mRNA erst das Spleißen und andere Modifikationen, welche die Enden des RNA-Stranges vor dem Abbau schützen. Durch das Spleißen werden Introns entfernt und die proteinkodierenden Regionen, die Exons genannt werden, miteinander verbunden. Introns kodieren hingegen keine Proteine. Alternatives Spleißen ermöglicht die Expression von Proteinen desselben Gens mit unterschiedlichen Funktionen. Die Regulation der Genexpression durch alternatives Spleißen spielt eine bedeutende Rolle bei der Organentwicklung, dem Zellüberleben und der Zellproliferation sowie der Anpassung an Umweltfaktoren.

Die Genexpression kann auch durch die Regulierung der Translation der mRNA in Proteine verändert werden. Die Translation kann durch microRNAs reguliert werden, die an eine bestimmte mRNA-Sequenz binden und die Initiierung der Translation blockieren oder die transkribierte mRNA abbauen. MicroRNAs sind kleine, nicht-kodierende RNAs. Zusätzlich können Proteine, die Translationsrepressoren genannt werden, an RNA binden und die Initiierung der Translation behindern.

Neu-gebildete Polypeptide werden zu funktionellen Proteinen verarbeitet. Das Hinzufügen oder Entfernen von chemischen Gruppen kann die Aktivität, Stabilität und Lokalisierung von Proteinen in einer Zelle beeinflussen. Zum Beispiel kann das Hinzufügen oder Entfernen von Phosphorylgruppen (–PO₃^2-) Proteine aktivieren oder inaktivieren. Ebenso bewirkt das Anhängen von Ubiquitin-Gruppen den Abbau von Proteinen. Posttranslationale Proteinmodifikationen sind somit die letzte Stufe der Genregulation.

Fast jede Zelle im Körper enthält das gesamte Genom, aber nur einige Gene werden tatsächlich in Proteinen exprimiert und diese unterscheiden sich zwischen den Zellen. Zum Beispiel exprimieren Neuronen und Muskelzellen unterschiedliche Gene, so dass sie unterschiedliche spezialisierte Funktionen haben können. Der Prozess der Genexpression beginnt mit der Transkription, wenn DNA als Matrize für die RNA-Synthese fungiert.

Das RNA-Transkript wird dann gespleißt, wobei nicht codierende Intronsequenzen entfernt werden und die codierenden Exons zurückbleiben. Das Endergebnis ist Messenger-RNA, mRNA, die dann in eukaryotischen Zellen zum Ribosom wandert. Hier transferieren RNA, tRNA-Moleküle, die drei Nukleotid-Codons in der mRNA in eine Sequenz von Aminosäuren.

Die resultierende Polypeptidkette von Aminosäuren wird dann weiter verarbeitet, um ein funktionelles Protein zu werden. Die Genexpression kann zu jedem Zeitpunkt in diesem Prozess reguliert werden. Beispielsweise können epigenetische Modifikationen, die die Struktur des DNA-Moleküls verändern, ohne dessen Sequenz zu verändern, die Transkription bestimmter Gene hemmen oder fördern. Sobald ein Gen transkribiert ist, kann die Translation beispielsweise durch kleine regulatorische RNAs gehemmt werden, die verhindern, dass das Gen in Protein exprimiert wird.