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14.1: Was ist die Genexpression?
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Was ist die Genexpression?
 

PROTOKOLLE

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 generieren. Außerdem ermöglicht sie Zellen, sich an interne und externe Faktoren anzupassen.

Genetische Informationsflüsse 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 Nucleotiden und die Proteine aus Aminosäuren bestehen, wird ein Mediator benötigt, um die in der DNA kodierten Informationen 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 Eukaryonten erfolgt die Transkription im Zellkern durch komplementäre Basenpaarungen mit der DNA-Vorlage. Die mRNA wird dann prozessiert und in das Cytoplasma transportiert. Dort dient sie während der Translation als Vorlage für die Proteinsynthese. Bei Prokaryonten, 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 Stadium der Transkription reguliert werden

Jede Zelle eines Organismus enthält die gleiche DNA und somit den gleichen Satz von Genen. 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, dass die korrekte Erzeugung 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 chromatinsverdichteten DNA und die zugehörigen Histonproteine können chemisch modifiziert werden, um offen oder geschlossen zu sein. Solche Modifikationen erlauben oder beschränken den Zugang der transkriptionellen Maschinerie zur DNA. Die Chromatinmodifikation 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 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 post-transkriptionell und post-translational reguliert werden

Die Genexpression kann durch posttranskriptionelle mRNA-Prozessierung reguliert werden. In Eukaryonten durchläuft die transkribierte mRNA 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 funktionell unterschiedlicher Proteine desselben Gens. Die Regulation der Genexpression durch alternatives Spleißen spielt eine bedeutende Rolle bei der Organentwicklung, dem Überleben und der Proliferation von Zellen sowie der Anpassung an Umweltfaktoren.

Die Genexpression kann auch durch die Regulierung der Übersetzung von mRNA in Proteine verändert werden. Die Translation kann durch microRNAs reguliert werden, die an eine spezifische 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 stören.

Translatierte 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 (–PO32-) Proteine aktivieren oder inaktivieren. Ebenso bewirkt die Addition von Ubiquitin-Gruppen den Abbau von Proteinen. Posttranslationale Proteinmodifikationen sind somit die letzte Stufe der Genregulation.


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