Die Molekulargenetik beschäftigt sich mit Genen auf molekularer Ebene. Sie untersucht also, wie genetische Information in der DNA gespeichert ist, wie sie vervielfältigt wird und wie Zellen diese Information nutzen, um RNA und Proteine herzustellen.
Dafür muss man zunächst verstehen, was ein Molekül überhaupt ist. Ein Molekül ist ein elektrisch neutrales Teilchen, das aus mindestens zwei Atomen besteht. Diese Atome sind durch kovalente Bindungen miteinander verbunden. Bei einer kovalenten Bindung teilen sich zwei Atome ein oder mehrere Elektronenpaare, wodurch eine stabile chemische Verbindung entsteht.
In der Molekulargenetik geht es letztlich darum, die genetische Information nicht nur als abstrakten „Bauplan“ zu betrachten, sondern als konkrete chemische Struktur. Die DNA ist ein Molekül mit einer bestimmten räumlichen Anordnung und einer bestimmten Abfolge von Bausteinen. Diese Abfolge kann gespeichert, kopiert, repariert, reguliert und in funktionelle Produkte übersetzt werden.
Damit bildet die Molekulargenetik die Verbindung zwischen klassischer Vererbungslehre und Zellfunktion: Sie erklärt, wie aus genetischer Information biologische Wirkung entsteht. Gene sind also nicht nur Einheiten der Vererbung, sondern Abschnitte eines Moleküls, deren Information von der Zelle gezielt genutzt wird, um bestimmte Funktionen auszuführen.
Desoxyribonukleinsäure #
Die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, ist das zentrale Trägermolekül der genetischen Information. In ihr ist gespeichert, welche Proteine eine Zelle herstellen kann und damit auch, welche Strukturen und Funktionen in einer Zelle möglich sind. Gleichzeitig ist die DNA die Grundlage dafür, dass Erbinformation bei Zellteilungen und über Generationen hinweg weitergegeben werden kann.
Genereller Aufbau
Die DNA ist ein Polynukleotid, besteht also aus vielen aneinandergereihten Nukleotiden. Jedes Nukleotid setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen: einer stickstoffhaltigen Nukleinbase, dem Zucker 2-Desoxyribose und einer Phosphatgruppe.
In der DNA kommen vier verschiedene Basen vor: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Adenin und Guanin gehören zu den Purinbasen, Cytosin und Thymin zu den Pyrimidinbasen. Die Reihenfolge dieser Basen bildet die Basensequenz. Genau diese Sequenz enthält die genetische Information, die später im Rahmen der Genexpression abgelesen werden kann.
Der Zucker der DNA, die 2-Desoxyribose, besitzt fünf Kohlenstoffatome, die als 1’ bis 5’ nummeriert werden. Am 1’-Kohlenstoffatom sitzt die Base, am 5’-Kohlenstoffatom die Phosphatgruppe. Die Nukleotide werden über Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden. Diese entstehen zwischen der 3’-OH-Gruppe eines Zuckers und der 5’-Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids. Dadurch entsteht das stabile Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA.
Durch diese Verknüpfung hat jeder DNA-Strang eine Richtung: ein 5’-Ende mit freier Phosphatgruppe und ein 3’-Ende mit freier Hydroxylgruppe. Diese Richtung ist biologisch sehr wichtig, weil viele Enzyme, die an der DNA arbeiten, nur in einer bestimmten Richtung arbeiten können.
Die DNA liegt nicht als einzelner Strang vor, sondern als Doppelstrang. Die beiden Stränge werden über die Basen miteinander verbunden. Dabei paart sich Adenin immer mit Thymin und Guanin immer mit Cytosin. Diese feste Zuordnung nennt man Komplementarität. Adenin und Thymin sind über zwei Wasserstoffbrückenbindungen verbunden, Guanin und Cytosin über drei. Deshalb sind DNA-Abschnitte mit hohem G-C-Anteil stabiler als Abschnitte mit vielen A-T-Paarungen.
Die beiden DNA-Stränge verlaufen antiparallel. Das bedeutet: Der eine Strang verläuft in 5’→3’-Richtung, der andere in 3’→5’-Richtung. Zusammen winden sie sich zu einer Doppelhelix. Diese ist normalerweise rechtsgängig, also wie eine Spirale im Uhrzeigersinn aufgebaut. Zwischen den Basen wirken zusätzlich hydrophobe Stapelkräfte, die zur Stabilität der Helix beitragen.
Die DNA lässt sich damit als eine Art „molekulare Leiter“ verstehen: Außen liegen die Zucker-Phosphat-Rückgrate, innen bilden die komplementären Basenpaare die Sprossen. Diese Struktur ist stabil genug, um Information langfristig zu speichern, aber gleichzeitig so organisiert, dass sie bei Bedarf geöffnet und abgelesen oder verdoppelt werden kann.
Replikation der DNA
Vor einer Zellteilung muss die DNA verdoppelt werden. Nur so können beide Tochterzellen anschließend eine vollständige Kopie des genetischen Materials erhalten. Diese Verdopplung nennt man DNA-Replikation. Sie findet in der S-Phase des Zellzyklus statt.
Die Replikation läuft nach dem semikonservativen Prinzip ab. Das bedeutet: Jeder neu entstandene DNA-Doppelstrang besteht aus einem alten Ausgangsstrang und einem neu synthetisierten Strang. Die ursprüngliche DNA wird also nicht komplett ersetzt, sondern jeder alte Strang dient als Vorlage für einen neuen komplementären Strang.
Die Replikation beginnt an bestimmten Startpunkten der DNA, den Origins of Replication. Von dort aus wird die DNA geöffnet und in beide Richtungen weiter repliziert.
Zunächst muss die DNA für die beteiligten Enzyme zugänglich gemacht werden. Die DNA liegt häufig stark verdrillt vor. Diese Überdrehung wird durch Topoisomerasen entspannt. Topoisomerasen erzeugen vorübergehend DNA-Strangbrüche, lösen dadurch die Spannung und verschließen die DNA anschließend wieder.
Danach trennt die DNA-Helikase die beiden Stränge der Doppelhelix voneinander. Dadurch entsteht eine Replikationsgabel. Damit sich die getrennten Einzelstränge nicht sofort wieder zusammenlagern, binden Single-Stranded Binding Proteins (SSBs) an die Einzelstränge und stabilisieren sie.
Die eigentliche Synthese des neuen DNA-Stranges übernimmt die DNA-Polymerase. Sie kann aber nicht einfach irgendwo beginnen, sondern benötigt ein freies 3’-OH-Ende. Dieses wird durch einen kurzen RNA-Primer bereitgestellt. Der Primer wird von der Primase synthetisiert.
Sobald ein Primer vorhanden ist, kann die DNA-Polymerase neue Nukleotide entsprechend der komplementären Basenpaarung einbauen: A zu T und G zu C. Die Synthese erfolgt dabei immer in 5’→3’-Richtung. Gleichzeitig besitzt die DNA-Polymerase eine Proofreading-Funktion, also eine Korrekturleseaktivität. Dadurch kann sie viele falsch eingebaute Nukleotide erkennen und korrigieren.
Da die beiden DNA-Stränge antiparallel verlaufen, kann die DNA-Polymerase nicht auf beiden Strängen gleich arbeiten. Am Leitstrang kann sie kontinuierlich in Richtung der Replikationsgabel synthetisieren. Am Folgestrang ist das nicht möglich. Dort wird die DNA stückweise synthetisiert. Diese kurzen DNA-Abschnitte heißen Okazaki-Fragmente.
Jedes Okazaki-Fragment beginnt mit einem eigenen RNA-Primer. Die DNA-Polymerase verlängert diesen Primer in 5’→3’-Richtung, bis sie auf das vorherige Fragment trifft. Anschließend werden die RNA-Primer entfernt und durch DNA ersetzt. Die einzelnen Fragmente werden dann durch die DNA-Ligase miteinander verbunden. So entsteht am Ende auch auf dem Folgestrang ein durchgehender DNA-Strang.
Die wichtigsten Enzyme und Proteine der Replikation lassen sich funktionell gut ordnen: Die Topoisomerase entspannt die DNA, die Helikase trennt die Doppelhelix, die Primase setzt RNA-Primer, die DNA-Polymerase synthetisiert den neuen Strang, SSBs stabilisieren die Einzelstränge und die DNA-Ligase verbindet die DNA-Fragmente.
Reparatur der DNA
Die DNA ist ständig Belastungen ausgesetzt. Schäden können durch UV-Strahlung, ionisierende Strahlung, chemische Substanzen oder Fehler während der Replikation entstehen. Würden solche Schäden nicht korrigiert, könnten Mutationen entstehen, die die Funktion von Genen verändern und langfristig Krankheiten oder Tumoren begünstigen. Deshalb besitzen Zellen mehrere DNA-Reparaturmechanismen.
Ein wichtiger Mechanismus ist die Basen-Exzisionsreparatur. Sie entfernt einzelne beschädigte Basen. Dabei erkennt eine DNA-Glykosylase die fehlerhafte Base und spaltet sie vom Zucker-Phosphat-Rückgrat ab. Anschließend schneidet eine Endonuklease den DNA-Strang an dieser Stelle. Die entstandene Lücke wird durch die DNA-Polymerase mit dem korrekten Nukleotid aufgefüllt und durch die DNA-Ligase wieder verschlossen.
Die Nukleotid-Exzisionsreparatur entfernt größere DNA-Schäden, zum Beispiel Thymin-Dimere, die durch UV-Strahlung entstehen können. Hier wird nicht nur eine einzelne Base entfernt, sondern ein ganzer kurzer Abschnitt des beschädigten DNA-Stranges herausgeschnitten. Danach ergänzt die DNA-Polymerase den fehlenden Abschnitt mithilfe des unbeschädigten Gegenstranges als Vorlage. Die DNA-Ligase verschließt anschließend die letzte Lücke.
Bei der Mismatch-Reparatur werden Fehlpaarungen korrigiert, die während der Replikation entstanden sind. Wenn beispielsweise eine falsche Base eingebaut wurde und nicht korrekt zum Gegenstrang passt, erkennt das Reparatursystem diese Fehlpaarung. Das falsche Nukleotid wird entfernt, die Lücke wird erneut durch DNA-Polymerase aufgefüllt und durch DNA-Ligase geschlossen.
Besonders schwerwiegend sind Doppelstrangbrüche, weil dabei beide DNA-Stränge unterbrochen sind. Die Zelle kann solche Schäden auf zwei Hauptwegen reparieren. Beim nicht-homologen End-Joining werden die gebrochenen DNA-Enden direkt wieder miteinander verbunden. Dieser Mechanismus ist schnell, aber relativ ungenau, weil an der Bruchstelle kleine Insertionen oder Deletionen entstehen können.
Die homologe Rekombination ist präziser. Dabei nutzt die Zelle eine intakte Kopie der DNA, zum Beispiel die Schwesterchromatide, als Vorlage. Auf diese Weise kann der beschädigte Abschnitt genauer wiederhergestellt werden. Dieser Mechanismus ist besonders wichtig, wenn eine solche Vorlage vorhanden ist, etwa nach der DNA-Replikation.
Insgesamt sorgen Replikation und DNA-Reparatur gemeinsam dafür, dass genetische Information zuverlässig weitergegeben wird. Die Replikation verdoppelt das Erbgut, die Reparaturmechanismen sichern seine Qualität. Trotzdem können Fehler zurückbleiben – und genau diese dauerhaften Veränderungen bilden die Grundlage von Mutationen.
Wie aus DNA ein Protein wird #
Die genetische Information der DNA wird nicht direkt als Protein „abgelesen“, sondern in mehreren Schritten umgesetzt. Dieser Gesamtprozess wird Genexpression genannt. Dabei wird die Information eines Gens zunächst in eine RNA übertragen und – wenn es sich um ein proteincodierendes Gen handelt – anschließend in eine Aminosäuresequenz übersetzt.
Vereinfacht folgt dieser Ablauf dem klassischen Prinzip:
DNA → RNA → Protein
Der erste Schritt heißt Transkription. Dabei wird ein Abschnitt der DNA in RNA umgeschrieben. Bei proteincodierenden Genen entsteht zunächst eine Vorstufe der mRNA, die noch weiterverarbeitet werden muss. Der zweite Schritt heißt Translation. Dabei wird die Basensequenz der reifen mRNA an den Ribosomen in eine Aminosäuresequenz übersetzt, aus der schließlich ein Protein entsteht.
Wichtig ist dabei die begriffliche Unterscheidung: Genexpression meint allgemein die Nutzung der Information eines Gens. Diese kann bei manchen Genen bereits nach der Transkription enden, zum Beispiel wenn das Endprodukt eine rRNA oder tRNA ist. Proteinbiosynthese meint dagegen speziell die Herstellung eines Proteins und umfasst daher Transkription, RNA-Prozessierung und Translation.
Der genetische Code
Der genetische Code beschreibt, wie die Basensequenz der DNA beziehungsweise der daraus gebildeten mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Gelesen wird dabei immer in Dreiergruppen. Drei aufeinanderfolgende Basen bilden ein Codon, und jedes Codon steht entweder für eine bestimmte Aminosäure oder für ein Start- beziehungsweise Stoppsignal.
Da es vier verschiedene Basen gibt und jeweils drei Basen ein Codon bilden, ergeben sich 64 mögliche Codons. Diese codieren aber nicht für 64 verschiedene Aminosäuren, sondern für die proteinogenen Aminosäuren sowie für Start- und Stopp-Signale. Deshalb ist der genetische Code degeneriert: Mehrere unterschiedliche Codons können dieselbe Aminosäure codieren. Zum Beispiel können verschiedene Codons für dieselbe Aminosäure Serin stehen.
Das Startsignal der Translation ist in der Regel das Codon AUG, das für Methionin codiert. Die wichtigsten Stoppcodons sind UAA, UAG und UGA. Sie codieren nicht für eine Aminosäure, sondern signalisieren dem Ribosom, dass die Translation beendet werden soll.
Grundsätzlich ist der genetische Code nahezu universell. Das bedeutet, dass die Codons in fast allen Lebewesen dieselbe Bedeutung haben. Kleine Abweichungen gibt es allerdings, zum Beispiel bei der mitochondrialen DNA.
Eukaryotische Gene
Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der die Information für ein funktionelles Produkt trägt. Dieses Produkt kann ein Protein sein, aber auch eine funktionelle RNA, zum Beispiel rRNA oder tRNA.
Ein eukaryotisches Gen besteht nicht nur aus dem Teil, der später tatsächlich in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Vielmehr gehören mehrere Bereiche dazu. Vor dem eigentlichen codierenden Abschnitt liegt die Promotorregion. An ihr bindet die RNA-Polymerase, damit die Transkription beginnen kann. Zusätzlich können regulatorische Elemente wie Enhancer und Silencer vorhanden sein. Enhancer können die Genexpression verstärken, Silencer können sie abschwächen.
Innerhalb des Gens unterscheidet man Exons und Introns. Exons sind diejenigen Abschnitte, die nach der RNA-Prozessierung in der reifen mRNA erhalten bleiben. Sie enthalten meist die Information, die später für das Protein genutzt wird. Introns liegen zwischen den Exons und werden zunächst mittranskribiert, später aber aus der prä-mRNA entfernt.
Am Ende eines Gens befinden sich Sequenzen, die zur Beendigung der Transkription beitragen. Diese Region wird als Terminator bezeichnet.
RNA
Die Ribonukleinsäure, kurz RNA, ist ein zentrales Molekül bei der Umsetzung genetischer Information. Sie unterscheidet sich in mehreren Punkten von der DNA: RNA enthält den Zucker Ribose statt Desoxyribose, sie verwendet Uracil (U) statt Thymin (T), und sie liegt meist einzelsträngig vor.
RNA ist aber nicht einfach nur eine Zwischenstufe zwischen DNA und Protein. Es gibt verschiedene RNA-Typen mit unterschiedlichen Aufgaben.
Die mRNA oder messenger RNA dient als Vorlage für die Translation. Sie trägt die Information aus dem Zellkern zu den Ribosomen. Die prä-mRNA ist die noch unreife Vorstufe der mRNA, die direkt bei der Transkription entsteht und erst durch Prozessierung zur reifen mRNA wird.
Die rRNA ist ein wesentlicher Bestandteil der Ribosomen. Sie ist nicht nur strukturell wichtig, sondern beteiligt sich auch funktionell an der Verknüpfung der Aminosäuren. Die tRNA bringt die passenden Aminosäuren zum Ribosom und erkennt über ihr Anticodon das passende Codon auf der mRNA.
Daneben gibt es weitere RNA-Typen, die vor allem regulatorische oder verarbeitende Funktionen haben. snRNA ist Bestandteil des Spleißosoms und hilft bei der Entfernung von Introns. snoRNA unterstützt die Verarbeitung von rRNA. miRNA und siRNA können die Genexpression hemmen, indem sie an mRNA binden und deren Abbau oder Translation beeinflussen. piRNA spielt besonders in der Keimbahn eine Rolle, unter anderem beim Schutz vor mobilen genetischen Elementen.
Der Informationsfluss vom Gen zum Protein
Der Weg vom Gen zum Protein läuft bei Eukaryoten in mehreren Schritten ab. Zuerst wird im Zellkern ein Genabschnitt der DNA transkribiert. Dabei entsteht eine prä-mRNA, die noch Introns und Exons enthält.
Anschließend wird diese prä-mRNA prozessiert. Sie erhält eine Schutzstruktur am 5’-Ende, einen Poly-A-Schwanz am 3’-Ende, und die Introns werden entfernt. Erst danach liegt die reife mRNA vor.
Diese reife mRNA verlässt den Zellkern durch Kernporen und gelangt ins Zytoplasma. Dort bindet sie an Ribosomen. Während der Translation liest das Ribosom die mRNA Codon für Codon ab. Passende tRNAs bringen die jeweiligen Aminosäuren, die dann zu einer wachsenden Polypeptidkette verbunden werden. Nach Abschluss der Translation faltet sich diese Kette und kann zusätzlich noch chemisch verändert werden. Erst dadurch entsteht häufig das endgültig funktionsfähige Protein.
Transkription
Die Transkription ist der Prozess, bei dem die Information eines DNA-Abschnitts in RNA übertragen wird. Bei proteincodierenden Genen entsteht dabei zunächst eine prä-mRNA. Der Vorgang findet bei Eukaryoten im Zellkern statt und wird durch die RNA-Polymerase durchgeführt.
Man unterscheidet drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination.
Bei der Initiation bindet die RNA-Polymerase mithilfe von Transkriptionsfaktoren an die Promotorregion des Gens. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die die Transkription steuern können, indem sie die Bindung der RNA-Polymerase ermöglichen, verstärken oder hemmen. Erst wenn der passende Transkriptionskomplex aufgebaut ist, beginnt die eigentliche RNA-Synthese.
Während der Elongation bewegt sich die RNA-Polymerase entlang des DNA-Matrizenstranges. Dabei wird die DNA lokal geöffnet, sodass eine kurze Transkriptionsblase entsteht. Die RNA-Polymerase baut nun einen RNA-Strang auf, der komplementär zum Matrizenstrang ist. Dabei wird in der RNA statt Thymin die Base Uracil eingebaut. Hinter der RNA-Polymerase schließen sich die DNA-Stränge wieder.
Die Termination beendet die Transkription. Sobald bestimmte Terminationssignale erreicht werden, löst sich die RNA-Polymerase von der DNA, und das entstandene RNA-Molekül wird freigesetzt. Bei proteincodierenden Genen ist dieses Produkt zunächst noch unreif und muss weiterverarbeitet werden.
RNA-Prozessierung
Die bei der Transkription entstehende prä-mRNA ist noch nicht bereit für die Translation. Bevor sie den Zellkern verlässt, wird sie durch mehrere Schritte zur reifen mRNA verarbeitet. Diese Verarbeitung nennt man RNA-Prozessierung.
Beim 5’-Capping wird an das 5’-Ende der prä-mRNA eine modifizierte Guanin-Kappe angefügt. Diese Kappe schützt die RNA vor enzymatischem Abbau, erleichtert den Export aus dem Zellkern und ist später wichtig für den Start der Translation.
Bei der Polyadenylierung wird am 3’-Ende ein langer Abschnitt aus Adenin-Nukleotiden angehängt, der sogenannte Poly-A-Schwanz. Er erhöht die Stabilität der mRNA und unterstützt ebenfalls ihre spätere Translation.
Beim Spleißen werden die nichtcodierenden Introns aus der prä-mRNA entfernt. Die verbleibenden Exons werden miteinander verbunden. Dieser Vorgang wird durch das Spleißosom durchgeführt, einen Komplex aus Proteinen und kleinen nukleären RNAs.
Ein besonders wichtiger Punkt ist das alternative Spleißen. Dabei können aus derselben prä-mRNA unterschiedliche Kombinationen von Exons zusammengesetzt werden. Dadurch kann ein einziges Gen mehrere verschiedene mRNA-Varianten und damit auch unterschiedliche Proteine hervorbringen. Das erhöht die funktionelle Vielfalt des Proteoms erheblich.
Translation
Die Translation ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Sie findet an den Ribosomen statt. Dafür werden vor allem drei Dinge benötigt: eine mRNA als Vorlage, Ribosomen als Ort der Übersetzung und tRNAs, die die passenden Aminosäuren bringen.
Die tRNA wirkt dabei als Adaptermolekül. Sie besitzt auf der einen Seite eine Bindungsstelle für eine bestimmte Aminosäure und auf der anderen Seite ein Anticodon. Dieses Anticodon ist komplementär zu einem Codon auf der mRNA. Dadurch wird sichergestellt, dass an jeder Position der mRNA die passende Aminosäure eingebaut wird.
Auch die Translation läuft in drei Phasen ab: Initiation, Elongation und Termination.
Bei der Initiation bindet zunächst die kleine Untereinheit des Ribosoms an die mRNA. Die Start-tRNA erkennt das Startcodon AUG und bringt die Aminosäure Methionin. Anschließend lagert sich die große Ribosomenuntereinheit an. Damit ist der Translationskomplex vollständig.
Während der Elongation wandert das Ribosom Codon für Codon entlang der mRNA. Zu jedem Codon bindet die passende tRNA mit ihrer Aminosäure. Die Aminosäuren werden durch Peptidbindungen miteinander verknüpft, sodass eine wachsende Polypeptidkette entsteht. Das Ribosom besitzt dafür mehrere Bindungsstellen: An der A-Stelle kommt die neue beladene tRNA an, an der P-Stelle sitzt die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette, und über die E-Stelle verlässt die entladene tRNA das Ribosom.
Die Termination beginnt, wenn das Ribosom ein Stoppcodon erreicht. Für Stoppcodons gibt es keine passende tRNA. Stattdessen binden spezielle Freisetzungsfaktoren. Dadurch wird die fertige Polypeptidkette freigesetzt, und das Ribosom zerfällt wieder in seine Untereinheiten.
Nach der Translation ist das entstandene Protein häufig noch nicht endgültig funktionsfähig. Die Aminosäurekette muss sich korrekt falten, wobei oft Chaperone helfen. Zusätzlich können posttranslationale Modifikationen stattfinden, zum Beispiel Phosphorylierung, Glykosylierung, Acetylierung, Methylierung, Ubiquitinylierung oder Lipidierung. Solche Veränderungen können Aktivität, Stabilität, Lokalisation oder Abbau eines Proteins beeinflussen.
Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten und Eukaryoten #
Die Genexpression läuft in Zellen nicht einfach dauerhaft und unkontrolliert ab. Eine Zelle stellt nicht jedes Protein zu jeder Zeit in gleicher Menge her, sondern passt ihre Genaktivität an ihre Funktion, ihre Umgebung und ihren aktuellen Bedarf an. Diese Steuerung nennt man Genregulation.
Genregulation ist der Grund, warum verschiedene Zelltypen trotz identischer DNA völlig unterschiedliche Aufgaben erfüllen können. Eine Leberzelle produziert andere Proteine als eine Nervenzelle, eine Muskelzelle oder eine Immunzelle. Entscheidend ist also nicht nur, welche Gene vorhanden sind, sondern welche Gene gerade aktiv sind und wie stark sie abgelesen werden.
Genregulation kann auf mehreren Ebenen stattfinden: bei der Transkription, nach der Transkription, bei der Translation oder über epigenetische Veränderungen der DNA- und Chromatinstruktur. Prokaryoten und Eukaryoten nutzen dafür unterschiedliche, aber grundsätzlich vergleichbare Prinzipien.
Prokaryoten
Bei Prokaryoten ist die Regulation der Genaktivität meist einfacher organisiert als bei Eukaryoten. Besonders wichtig ist die Steuerung der Transkription. Die Zelle reguliert also vor allem, ob ein Gen überhaupt in RNA umgeschrieben wird oder nicht.
Dabei spielen Transkriptionsfaktoren und andere regulatorische Proteine eine zentrale Rolle. Sie binden an bestimmte DNA-Abschnitte und beeinflussen dadurch, ob die RNA-Polymerase ein Gen ablesen kann. Solche regulatorischen DNA-Elemente können die Transkription fördern oder hemmen. Abschnitte, die die Transkription fördern, nennt man Enhancer; Abschnitte, die sie hemmen, nennt man Silencer.
Die Aktivität solcher regulatorischen Proteine hängt häufig von äußeren Bedingungen ab, zum Beispiel vom Nährstoffangebot, von Stressfaktoren oder von bestimmten Signalmolekülen. Dadurch können Bakterien sehr schnell auf Veränderungen ihrer Umgebung reagieren.
Ein klassisches Beispiel ist das lac-Operon. Es reguliert Gene, die für den Abbau von Laktose benötigt werden. Ist keine Laktose vorhanden, bindet ein Repressor an den Operator und verhindert die Transkription. Die Zelle verschwendet also keine Energie für Enzyme, die gerade nicht gebraucht werden. Ist Laktose vorhanden, bindet sie an den Repressor und inaktiviert ihn. Dadurch kann die RNA-Polymerase die Gene des lac-Operons ablesen, und die Zelle produziert Enzyme für den Laktosestoffwechsel. Dieses Prinzip nennt man Substratinduktion.
Ein anderes Beispiel ist das trp-Operon, das an der Herstellung von Tryptophan beteiligt ist. Ist genug Tryptophan vorhanden, bindet es an einen Repressor und aktiviert diesen. Der aktive Repressor blockiert dann die Transkription der Gene für die Tryptophan-Biosynthese. Fehlt Tryptophan, bleibt der Repressor inaktiv, und die Gene werden abgelesen. Die Zelle stellt dann die Enzyme her, die sie braucht, um Tryptophan selbst zu produzieren. Dieses Prinzip nennt man Endproduktrepression.
Der Grundgedanke ist also: Prokaryoten regulieren ihre Gene sehr ökonomisch. Sie produzieren bestimmte Enzyme vor allem dann, wenn sie gebraucht werden, und schalten die entsprechenden Gene ab, wenn der Bedarf gedeckt ist.
Eukaryoten
Bei Eukaryoten ist die Genregulation deutlich komplexer. Das liegt unter anderem daran, dass eukaryotische Zellen einen Zellkern besitzen, ihre DNA in Chromatin verpackt ist und viele zusätzliche Verarbeitungsschritte zwischen DNA und funktionsfähigem Protein liegen.
Auch bei Eukaryoten ist die Kontrolle der Transkription ein zentraler Regulationspunkt. Transkriptionsfaktoren binden an Promotoren, Enhancer oder Silencer und beeinflussen, wie stark ein Gen abgelesen wird. Manche Transkriptionsfaktoren aktivieren die Genexpression, andere unterdrücken sie. Dabei können regulatorische DNA-Elemente auch weit vom eigentlichen Gen entfernt liegen. Durch die räumliche Faltung der DNA können sie trotzdem mit der Promotorregion in Kontakt kommen.
Die Aktivität von Transkriptionsfaktoren kann durch verschiedene Signale gesteuert werden. Manche werden erst aktiv, wenn ein bestimmter Ligand bindet. Andere müssen durch Phosphorylierung aktiviert werden oder werden erst nach einem Signal in den Zellkern transportiert. Dadurch kann die Zelle äußere und innere Reize in eine gezielte Veränderung der Genexpression übersetzen.
Neben der Transkription kann die Genexpression auch posttranskriptionell reguliert werden. Dazu gehört zum Beispiel das alternative Spleißen. Dabei können aus derselben prä-mRNA unterschiedliche mRNA-Varianten entstehen, wodurch ein Gen mehrere verschiedene Proteine hervorbringen kann. Auch kleine RNA-Moleküle wie miRNAs können die Genexpression beeinflussen, indem sie an bestimmte mRNAs binden und deren Abbau fördern oder ihre Translation hemmen.
Eine weitere Regulationsebene ist die Translation. Auch wenn eine mRNA bereits im Zytoplasma vorliegt, bedeutet das nicht automatisch, dass sie sofort und in hoher Menge in Protein übersetzt wird. Die Translation hängt unter anderem von der Verfügbarkeit von Ribosomen, Translationsfaktoren, regulatorischen Proteinen und bestimmten Sequenzen innerhalb der mRNA ab.
Besonders wichtig ist bei Eukaryoten außerdem die epigenetische Regulation. Dabei wird die Aktivität von Genen verändert, ohne dass sich die DNA-Sequenz selbst ändert. Zwei zentrale Mechanismen sind die DNA-Methylierung und die Histonmodifikation.
Bei der DNA-Methylierung werden Methylgruppen an bestimmte DNA-Abschnitte angehängt. Häufig führt das dazu, dass die betroffenen Gene schlechter abgelesen werden. Die DNA wird für Transkriptionsfaktoren und die RNA-Polymerase weniger zugänglich.
Bei Histonmodifikationen werden chemische Gruppen an Histonproteine angehängt. Besonders wichtig ist die Histonacetylierung. Sie lockert die Bindung zwischen DNA und Histonen, wodurch das Chromatin offener wird und Gene leichter transkribiert werden können. Umgekehrt kann eine dichtere Verpackung des Chromatins die Transkription hemmen.
Insgesamt ist Genregulation bei Eukaryoten also mehrschichtig: Ein Gen kann über Chromatinstruktur, Transkriptionsfaktoren, RNA-Prozessierung, mRNA-Stabilität, Translation und Proteinmodifikationen kontrolliert werden. Dadurch können Zellen sehr fein steuern, welche Proteine sie wann, wo und in welcher Menge herstellen.
Genomik #
Die Genomik ist ein Teilgebiet der Biologie, das sich mit dem gesamten Genom eines Organismus beschäftigt. Während bei einzelnen Genen nur bestimmte DNA-Abschnitte betrachtet werden, untersucht die Genomik die Gesamtheit der genetischen Information: also Aufbau, Funktion, Organisation, Veränderung und Regulation ganzer Genome.
Im Zentrum steht dabei die Frage, welche DNA-Sequenzen in einem Organismus vorhanden sind, wie Gene innerhalb des Genoms angeordnet sind, welche regulatorischen Bereiche es gibt und wie diese Informationen in verschiedenen Zellen genutzt werden. Die Genomik verbindet also die reine Sequenzinformation mit der funktionellen Bedeutung dieser Sequenzen.
Ein wichtiger Fortschritt für die Genomik war die Entwicklung moderner Hochdurchsatz-Sequenzierung, insbesondere des Next Generation Sequencing (NGS). Damit können heute sehr große Mengen DNA schnell und vergleichsweise kostengünstig sequenziert werden. So lassen sich nicht nur einzelne Gene, sondern ganze Genome oder große Genabschnitte analysieren.
Solche Sequenzdaten ermöglichen es, genetische Varianten zwischen Menschen, Populationen oder Arten zu vergleichen. Dadurch kann man besser verstehen, welche genetischen Unterschiede normal sind, welche mit bestimmten Merkmalen zusammenhängen und welche möglicherweise krankheitsrelevant sind.
In der Medizin ist die Genomik besonders wichtig für die Diagnostik genetischer Erkrankungen, für die Tumordiagnostik und für die Entwicklung personalisierter Therapien. Bei Tumoren kann zum Beispiel untersucht werden, welche Mutationen in Krebszellen vorliegen und ob sich daraus therapeutische Angriffspunkte ergeben. Auch bei seltenen genetischen Erkrankungen kann genomische Diagnostik helfen, krankheitsverursachende Varianten zu finden.
Die Genomik umfasst aber nicht nur die DNA-Sequenz selbst. Sie überschneidet sich auch mit anderen Analyseebenen, etwa der Untersuchung von RNA, Proteinen und Stoffwechselprodukten. Deshalb spricht man häufig von verschiedenen „Omics“-Ebenen: Genom, Transkriptom, Proteom und Metabolom. Das Genom beschreibt die gesamte genetische Information, das Transkriptom die Gesamtheit der gebildeten RNA-Moleküle, das Proteom die Gesamtheit der Proteine und das Metabolom die Gesamtheit kleiner Stoffwechselprodukte.
Insgesamt liefert die Genomik also eine Art Gesamtkarte der genetischen Information. Sie zeigt nicht nur, welche Gene vorhanden sind, sondern hilft auch zu verstehen, wie genetische Varianten, regulatorische Elemente und Genaktivität zusammenwirken. Dadurch ist sie ein zentrales Werkzeug der modernen Biologie und Medizin.
Proteomik #
Das Proteom bezeichnet die Gesamtheit aller Proteine, die ein Organismus, ein Gewebe oder eine einzelne Zelle bilden kann. Anders als das Genom ist das Proteom jedoch nicht in jeder Zelle dauerhaft gleich. Es verändert sich abhängig vom Zelltyp, vom Entwicklungsstadium, von äußeren Bedingungen und vom aktuellen Funktionszustand der Zelle.
Die Proteomik beschäftigt sich mit der systematischen Untersuchung dieser Proteine. Sie fragt also nicht nur, welche Proteine vorhanden sind, sondern auch, in welcher Menge sie vorkommen, wie sie aufgebaut sind, welche Funktionen sie erfüllen und mit welchen anderen Molekülen sie interagieren.
Genom und Proteom hängen eng zusammen, weil die DNA die grundsätzliche Information für die Herstellung von Proteinen enthält. Trotzdem kann man vom Genom nicht direkt auf das tatsächlich vorhandene Proteom schließen. Der Grund ist, dass Gene unterschiedlich stark exprimiert werden können. Eine Leberzelle, eine Nervenzelle und eine Muskelzelle besitzen im Kern zwar grundsätzlich dieselbe DNA, produzieren aber sehr unterschiedliche Proteine, weil jeweils andere Gene aktiv sind.
Zusätzlich kann ein einzelnes Gen nicht zwingend nur ein einziges Protein hervorbringen. Durch Mechanismen wie alternatives Spleißen können aus derselben prä-mRNA verschiedene mRNA-Varianten entstehen, die wiederum unterschiedliche Proteine codieren. Dadurch ist die Vielfalt der Proteine deutlich größer als die reine Anzahl der Gene.
Ein weiterer wichtiger Punkt sind posttranslationale Modifikationen. Viele Proteine werden nach ihrer Synthese noch chemisch verändert, bevor sie vollständig funktionsfähig sind. Solche Veränderungen können zum Beispiel Phosphorylierungen, Glykosylierungen, Acetylierungen, Methylierungen, Ubiquitinylierungen oder Lipidierungen sein. Sie beeinflussen unter anderem die Aktivität, Stabilität, Lokalisation und Abbaurate eines Proteins.
Die Proteomik ist deshalb besonders wichtig, wenn man verstehen möchte, was in einer Zelle tatsächlich funktionell passiert. Während die Genomik eher zeigt, welche Baupläne vorhanden sind, zeigt die Proteomik, welche Proteine wirklich gebildet werden und wie sie im Zellgeschehen wirken. Gerade bei Krankheiten, Signalwegen, Tumorbiologie und Therapieansprechen kann diese Ebene entscheidend sein.
Epigenetik #
Die Epigenetik beschäftigt sich mit Veränderungen der Genaktivität, die nicht auf einer Änderung der DNA-Sequenz beruhen. Das bedeutet: Die Basenabfolge der DNA bleibt gleich, aber die Zelle nutzt bestimmte Gene stärker, schwächer oder gar nicht. Epigenetik erklärt also, wie Gene reguliert werden können, ohne dass dabei eine Mutation im eigentlichen Sinn vorliegt.
Solche Veränderungen können durch verschiedene Einflüsse entstehen, zum Beispiel durch Umweltfaktoren, Ernährung, Lebensstil, Zellstress oder Entwicklungsprozesse. Besonders wichtig ist dabei, dass epigenetische Muster über Zellteilungen hinweg erhalten bleiben können. Eine Tochterzelle „erbt“ dann nicht nur die DNA-Sequenz, sondern auch bestimmte Informationen darüber, welche Bereiche des Genoms eher aktiv oder eher stillgelegt sind.
Ein zentraler Mechanismus ist die DNA-Methylierung. Dabei werden Methylgruppen an bestimmte DNA-Bereiche angehängt, häufig an Cytosin-Basen in sogenannten CpG-reichen Regionen. Eine starke Methylierung im Bereich von Promotoren führt meist dazu, dass ein Gen schlechter abgelesen wird. Die Transkription wird also gehemmt oder ganz unterdrückt. Dadurch kann die Zelle Gene gezielt „abschalten“, ohne die DNA-Sequenz selbst zu verändern.
Ein weiterer wichtiger Mechanismus sind Histonmodifikationen. Die DNA ist im Zellkern um Histonproteine gewickelt. Je nachdem, welche chemischen Gruppen an diese Histone angehängt werden, verändert sich die Verpackung des Chromatins. Ist das Chromatin locker gepackt, können Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase leichter an die DNA gelangen; Gene werden dann eher aktiv abgelesen. Ist das Chromatin dicht gepackt, ist die DNA schlechter zugänglich, und die Genexpression nimmt ab.
Besonders wichtig ist die Histonacetylierung. Durch das Anhängen von Acetylgruppen wird die Bindung zwischen DNA und Histonen gelockert. Dadurch entsteht offeneres Chromatin, und die Transkription wird erleichtert. Umgekehrt können Histon-Deacetylierungen das Chromatin wieder verdichten und die Genaktivität vermindern. Auch andere Modifikationen wie Methylierungen oder Phosphorylierungen von Histonen können die Genexpression beeinflussen.
Epigenetische Regulation ist entscheidend für die Entwicklung und Spezialisierung von Zellen. Eine Nervenzelle, eine Muskelzelle und eine Leberzelle besitzen grundsätzlich dieselbe DNA, nutzen aber unterschiedliche Teile ihres Genoms. Welche Gene aktiv sind, hängt stark von epigenetischen Mustern ab. Dadurch können Zellen dauerhaft unterschiedliche Funktionen übernehmen, obwohl sie genetisch weitgehend identisch ausgestattet sind.
Fehlregulationen epigenetischer Mechanismen können an der Entstehung verschiedener Erkrankungen beteiligt sein. Besonders relevant ist das bei Krebs: Tumorsuppressorgene können zum Beispiel durch Promotor-Methylierung abgeschaltet werden, ohne dass das Gen selbst mutiert sein muss. Umgekehrt können epigenetische Veränderungen auch dazu beitragen, dass wachstumsfördernde Gene stärker aktiv werden.
Auch in der modernen Diagnostik spielt Epigenetik eine zunehmend wichtige Rolle. DNA-Methylierungsmuster können charakteristisch für bestimmte Gewebe- oder Tumorarten sein. Durch die Analyse solcher Muster lassen sich Tumoren teilweise genauer klassifizieren, besonders wenn klassische histologische oder molekulargenetische Befunde nicht eindeutig sind.
Epigenetik zeigt damit, dass biologische Information nicht nur in der DNA-Sequenz selbst liegt. Ebenso wichtig ist, wie zugänglich bestimmte Gene sind, wann sie abgelesen werden und in welchem Zellkontext sie aktiv oder inaktiv bleiben.