Genexpression
Genexpression ist der Prozess, durch den die vererbbare Information in einem Gen, die Sequenz von DNA-Basenpaaren, in ein funktionelles Genprodukt, wie Protein oder RNA, umgewandelt wird. Die Grundidee ist, dass DNA in RNA transkribiert wird, die dann in Proteine übersetzt wird. Proteine machen viele der Strukturen und alle Enzyme in einer Zelle oder einem Organismus aus.
Mehrere Schritte im Genexpressionsprozess können moduliert (abgestimmt) werden. Dazu gehören sowohl die Transkription und Übersetzungen als auch der endgültige gefaltete Zustand eines Proteins. Die Genregulation schaltet Gene an und aus und steuert so die Zelldifferenzierung und die Morphogenese. Die Genregulation kann auch als Grundlage für evolutionäre Veränderungen dienen: Die Kontrolle von Zeitpunkt, Ort und Menge der Genexpression kann einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung des Organismus haben.
Die Expression eines Gens kann in verschiedenen Geweben sehr unterschiedlich sein. Dies nennt man Pleiotropismus, ein in der Genetik weit verbreitetes Phänomen.
Diagramm, das zeigt, in welchen Stadien der Expression des DNA-mRNA-Proteinweges kontrolliert werden kann
Epigenetik
In der Biologie ist die Epigenetik die Untersuchung von vererbten Veränderungen des Phänotyps (Aussehen) oder der Genexpression, die durch andere Mechanismen als Veränderungen in der zugrunde liegenden DNA-Sequenz verursacht werden.
Diese Veränderungen können durch Zellteilungen für den Rest des Lebens des Individuums bestehen bleiben und auch über mehrere Generationen andauern. Es gibt jedoch keine Veränderung in der zugrunde liegenden DNA-Sequenz des Organismus. Stattdessen bewirken nicht-genetische Faktoren, dass sich die Gene des Organismus anders verhalten (sich anders ausdrücken).
Das beste Beispiel für epigenetische Veränderungen in der Biologie der Eukaryoten ist der Prozess der zellulären Differenzierung. Während der Morphogenese werden aus totipotenten Stammzellen die verschiedenen Zelllinien des Embryos, die wiederum zu vollständig differenzierten Zellen werden. Mit anderen Worten: Eine einzige befruchtete Eizelle - die Zygote - teilt sich und entwickelt sich. Die Tochterzellen verwandeln sich in die vielen Zelltypen des reifen Embryos. Dazu gehören Neuronen, Muskelzellen, Epithel, Blutgefässe und so weiter. Dies geschieht, indem einige Gene aktiviert und andere gehemmt werden.
Epigenetische Veränderungen sind langfristig und überleben in der Regel den Prozess der Zellteilung (Mitose). Veränderungen treten im Chromatin auf, das eine Kombination aus der DNA und den sie umgebenden Histonproteinen im Chromosom ist. Die Einzelheiten, wie dies geschieht, werden noch ausgearbeitet, aber es ist ziemlich sicher, dass die Umhüllung von DNA und Histon ein Schlüsselmerkmal ist.
Gen-Regulierung
Aufwärtsregulierung und Abwärtsregulierung
Die Hochregulation erhöht die Expression eines oder mehrerer Gene und infolgedessen das/die von diesen Genen kodierte(n) Protein(e). Abwärtsregulierung ist ein Prozess, der zu einer verminderten Gen- und Proteinexpression führt.
Induktion vs. Repression
Die Genregulation kann wie folgt zusammengefasst werden:
- Induzierbare Systeme: Ein induzierbares System ist ausgeschaltet, es sei denn, es liegt ein Molekül (ein so genannter Induktor) vor, das die Genexpression ermöglicht.
- Repressible Systeme: Ein repressives System ist eingeschaltet, außer in Gegenwart eines Moleküls (genannt Corepressor), das die Genaktivität unterdrückt. Das Molekül soll die Expression unterdrücken.
Regulatorische RNAs
Es gibt eine Reihe von RNAs, die Gene regulieren, das heißt, sie regulieren die Geschwindigkeit, mit der Gene transkribiert oder translatiert werden. Nachfolgend zwei wichtige Beispiele
miRNA
Mikro-RNAs (miRNA) wirken, indem sie sich mit einem Enzym verbinden und die mRNA (Messenger-RNA) blockieren oder ihren Abbau beschleunigen. Dies wird als RNA-Interferenz bezeichnet.
siRNA
Kleine störende RNAs (manchmal auch als Silencing-RNAs bezeichnet) stören die Expression eines bestimmten Gens. Es handelt sich um recht kleine (20/25 Nukleotide) doppelsträngige Moleküle. Ihre Entdeckung hat einen Schub in der biomedizinischen Forschung und Arzneimittelentwicklung ausgelöst.
Die Struktur eines eukaryotischen Protein-kodierenden Gens.
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Fragen und Antworten
F: Was ist Genexpression?
A: Die Genexpression ist der Prozess, durch den die vererbbare Information in einem Gen in ein funktionelles Produkt, wie ein Protein oder eine RNA, umgesetzt wird.
F: Wie wird die Genexpression erreicht?
A: Die Genexpression wird durch einen Prozess erreicht, bei dem DNA in RNA umgeschrieben wird, die dann in Proteine übersetzt wird.
F: Welche Aufgabe haben Proteine in einer Zelle oder einem Organismus?
A: Proteine bilden viele der Strukturen und alle Enzyme in einer Zelle oder einem Organismus.
F: Was ist Genregulation?
A: Die Genregulation ist der Prozess, durch den Gene aus- und eingeschaltet werden und der die Zelldifferenzierung und Morphogenese steuert.
F: Wie kann die Genregulation als Grundlage für evolutionäre Veränderungen dienen?
A: Die Genregulation kann als Grundlage für evolutionäre Veränderungen dienen, indem sie den Zeitpunkt, den Ort und die Menge der Genexpression steuert und damit die Entwicklung eines Organismus nachhaltig beeinflusst.
F: Was ist Pleiotropismus?
A: Pleiotropismus ist ein Phänomen in der Genetik, bei dem die Expression eines Gens in verschiedenen Geweben stark variieren kann.
F: Welche Phasen der Genexpression können moduliert werden?
A: Sowohl die Transkriptions- und Translationsphasen als auch der endgültige Faltungszustand eines Proteins können während der Genexpression moduliert werden.
