Genexpression
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| Transkription RNA-Prozessierung Translation Proteinreifung |
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Genexpression, auch kurz Expression oder Exprimierung, bezeichnet, in weitem Sinn, wie die genetische Information – eines Gens (Abschnitt der DNA) – zum Ausdruck kommt und in Erscheinung tritt, also wie der Genotyp eines Organismus oder einer Zelle als Phänotyp ausgeprägt wird. Im engeren Sinn wird unter Genexpression die Biosynthese von Proteinen (siehe Proteinbiosynthese) anhand der genetischen Information mitsamt allen dafür nötigen vorangehenden Prozessen verstanden, beginnend mit der Transkription als Synthese von RNA.
Die unterschiedliche Genexpression ist beispielsweise bei (genetisch gleichen) eineiigen Zwillingen eine Ursache des geringfügig verschiedenen Phänotyps; bei genetisch verschiedenen Individuen basieren die Unterschiede im Phänotyp neben der Modifikation vor allem auf Unterschieden im Genom. Die zeitlichen und räumlichen Unterschiede der Genexpression werden als Spatiotemporale Genexpression bezeichnet.
Ablauf
Die Transkription ist die Synthese von RNA durch RNA-Polymerasen nach der DNA-Vorlage. Die für Protein codierenden RNA-Stränge werden messenger RNA (mRNA) genannt. Bei Eukaryoten entstehen diese im Zellkern aus dem primären nukleären Transkript durch RNA-Prozessierung. Außer möglicher RNA-Interferenz und neben eventuellem RNA-Editing zählt hierzu das Spleißen sowie das Hinzufügen einer Cap-Struktur und eines Poly(A)-Schwanzes vor dem Kernexport. Die folgende Translation ist die Synthese eines Proteins durch Ribosomen im Cytoplasma anhand der vorliegenden mRNA. Die Basensequenz der mRNA wird dabei mithilfe von transfer RNA (tRNA) übersetzt in die codierte Aminosäuresequenz der erzeugten Polypeptidkette, welche durch Proteinfaltung die native dreidimensionale Proteinstruktur gewinnt. In der Regel werden Proteine noch posttranslational modifiziert.
Allgemeine, sowie zell- und entwicklungsspezifische an DNA bindende Transkriptionsfaktoren regulieren die Transkription. Voraussetzung hierfür ist die Zugänglichkeit der Loci. Da die DNA nicht nackt, sondern verpackt, gewickelt und gefaltet vorliegt, kann infolge dichter Chromatin-Struktur ein Gen unzugänglich sein (Heterochromatin) oder durch Veränderung von Chromatinproteinen der Transkription mehr oder weniger entzogen werden. Derart ist eine transkriptionelle Regulation der Genexpression auch epigenetisch möglich.
Zu den posttranskriptionellen Faktoren gehören die Stabilität der mRNA, deren Lokalisation und ihr Abbau, zu den translationalen die Initiation und Elongation an den Ribosomen sowie die Verfügbarkeit an (beladener) tRNA, während die Stabilität der gebildeten Proteine, deren Wechselwirkungen und eventuelle darüber rückgekoppelte Prozesse die Genexpression dann posttranslational beeinflussen.
Regulation
Generell kann eine Regulation der Genexpression auf verschiedenen Stufen stattfinden. Dabei können – insbesondere bei Eukaryoten – die genannten Prinzipien miteinander in Wechselwirkung treten und so im Zusammenspiel von Genetik und Epigenetik noch komplexere Regulationsmechanismen bilden.
Einige Gene unterliegen keiner derartigen Regulation und werden unabhängig von Zelltyp, Zellstadium und Wachstumsbedingungen dauerhaft gleichmäßig exprimiert. Diese Gene werden konstitutiv exprimiert, hierzu gehören unter anderem viele Housekeeping-Gene. Die von ihnen codierten konstitutiven Enzyme halten die grundlegenden Funktionen einer Zelle aufrecht.
Literatur
- Nelson C. Lau, David P. Bartel: Zensur in der Zelle. Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2003, S. 52–59, ISSN 0170-2971
- Lubert Stryer: Biochemie, 4. Auflage, Spektrum, Heidelberg- Berlin - Oxford 1996, ISBN 3-86025-346-8, (V. Replikation und Expression der Gene, S. 825 ff)
- Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemistry. 5. Auflage. Freeman, New York 2002, ISBN 0-7167-4684-0, online verfügbar beim NCBI Bookshelf.
Weblinks
- www.wissenschaft.de: Neben „an“ und „aus“ kann die Genaktivität auch stufenweise reguliert werden
- Peter v. Sengbusch: Genexpression Information. Uni Hamburg