Genfunktion

Themen auf dieser Seite:

• Transkription
• Translation
• Genfunktion Zusammenfassung

Die Chromosomen in unseren Zellen enthalten eine enorme Menge an Informationen. Man schätzt, dass der Mensch etwa 30.000 Gene besitzt. Jedes Gen kodiert für ein RNA-Molekül, das entweder direkt verwendet wird oder als Leitfaden für die Bildung eines Proteins dient, wie z. B. das oben gezeigte Insulin. Die Information in unseren Zellen fließt im Allgemeinen in einer vorhersehbaren Reihenfolge von der Speicherform der Information (DNA) über die Arbeitsform (RNA) bis zum Endprodukt (Protein). Weitere Informationen zu den Themen auf dieser Seite finden Sie auch in den meisten einführenden Biologie-Lehrbüchern, wir empfehlen Campbell Biology, 11. Auflage.1 Dieser Weg wird von allen Organismen genutzt und ist unten grafisch dargestellt.

Wie gezeigt, wird die DNA als Vorlage für die Produktion weiterer DNA verwendet. Dieser Prozess, der als Replikation bezeichnet wird, wird hier behandelt.

Der Prozess, bei dem bestimmte Abschnitte der DNA (Gene) zur Herstellung von RNA verwendet werden, wird als Transkription bezeichnet. Wir werden die Transkription etwas ausführlicher behandeln, weil Veränderungen in der Transkription bestimmter Gene bei der Entstehung von Krebs sehr wichtig sind.

Die Menge der Gene, die zu einem bestimmten Zeitpunkt „an“ sind, ist entscheidend. Die variable Umwelt, in der wir leben, bedeutet, dass verschiedene Gene zu verschiedenen Zeiten „an“ sein müssen. Enthält eine Mahlzeit beispielsweise große Mengen an Laktose, einem in Milch vorkommenden Zucker, dann reagiert unser Körper, indem er die Gene anschaltet (transkribiert), die zur Produktion von Enzymen führen, die Laktose abbauen. Wenn ein anderer Zucker oder Nährstoff vorhanden ist, müssen die richtigen Gene eingeschaltet werden, um ihn zu verarbeiten.

Transkription

Das Ziel der Transkription ist die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens. Diese RNA kann die Bildung eines Proteins steuern oder direkt in der Zelle verwendet werden. Alle Zellen mit einem Zellkern enthalten genau dieselbe genetische Information. Wie bereits erwähnt, wird nur ein kleiner Prozentsatz der Gene in einer bestimmten Zelle tatsächlich zur Herstellung von RNA verwendet. Der Transkriptionsprozess ist in normalen Zellen sehr streng reguliert.

• Gene müssen zum richtigen Zeitpunkt transkribiert werden.
• Die von einem Gen produzierte RNA muss in der richtigen Menge hergestellt werden.
• Nur die benötigten Gene sollten transkribiert werden.
• Das Ausschalten der Transkription ist genauso wichtig wie das Einschalten.

Sie können sich das wie ein ausgeklügeltes Fließband vorstellen, wie Sie es in einer Fabrik finden. Man würde wollen, dass das Fließband arbeitet, wenn man das Produkt braucht, und dass es abgeschaltet wird, wenn man das Produkt nicht mehr braucht.

Die menschlichen Chromosomen enthalten eine enorme Menge an Informationen. Jedes Chromosom besteht aus einem einzigen, extrem langen Stück DNA, das aus Millionen von Nukleotiden besteht. Ein einzelnes Gen nimmt nur einen kleinen Abschnitt eines Chromosoms ein.

Die Animation unten zeigt die Organisation der DNA in einem Chromosom. Die DNA ist eng gewickelt und in Schleifen gelegt, um weniger Platz zu beanspruchen, so wie man einen Faden auf einer Spule aufwickelt. Das unten gezeigte Chromosom wurde kopiert oder repliziert und hat eine charakteristische X-Form. So sehen Chromosomen vor der Zellteilung aus.

Schritte der Transkription

Damit die Transkription funktioniert, muss es eine Möglichkeit geben, zu bestimmen, wo der Prozess beginnen und enden soll. Dies geschieht durch spezielle Proteine, die sich an den Anfang der zu transkribierenden Gene binden. Diese Proteine werden Transkriptionsfaktoren genannt.

Der Prozess der Transkription ist in mehrere Schritte unterteilt:

1. Ein Transkriptionsfaktor erkennt die Startstelle (Promotor) eines Gens, das transkribiert werden soll.

2. Das Enzym, das die RNA herstellt (RNA-Polymerase), bindet an den Transkriptionsfaktor und erkennt die Startregion.

3. Das Enzym fährt die DNA hinunter und erstellt eine Kopie, bis das Ende des Gens erreicht ist.

4. Das Enzym fällt ab und die RNA wird freigesetzt. Dieser Kopiervorgang kann mehrmals wiederholt werden.

5. Ist die RNA eine, die für ein Protein kodiert, verlässt sie den Zellkern und gelangt in das Zytosol.

Denken Sie daran, dass das oben dargestellte Gen eigentlich ein Abschnitt von Nukleotiden entlang eines DNA-Moleküls (des Chromosoms) ist.

Die unangemessene Aktivität von Transkriptionsfaktoren wurde bei fast allen bekannten Krebsarten festgestellt. Da diese Faktoren für die geordneten Aktivitäten einer Zelle unerlässlich sind, kann eine fehlerhafte Komponente wichtige Auswirkungen auf alle anderen Teile der Zelle haben. Um auf die Analogie des Fließbands zurückzukommen: Ein fehlverhaltender Transkriptionsfaktor könnte dazu führen, dass das Fließband läuft, obwohl es das nicht sollte, und so zu viele Produkte erzeugt werden. Oder das Fließband läuft nicht, wenn es gebraucht wird, was zu einem Mangel an einem bestimmten Produkt führt.

Transkriptionsfaktoren

Einige Beispiele für Transkriptionsfaktoren, die bei menschlichen Krebserkrankungen nicht richtig funktionieren, sind:

• p53 (TP53)- Das Gen, das für den Transkriptionsfaktor (Protein) p53 kodiert, ist bei über der Hälfte aller Krebsarten mutiert. Das Protein, für das das p53-Gen kodiert, ist wichtig, weil es die Transkription von Genen steuert, die an der Zellteilung beteiligt sind. Weitere Informationen über das p53-Gen finden Sie im Abschnitt über Tumorsuppressoren.
• Rb – Das Proteinprodukt dieses Gens ist ein Transkriptionsfaktor mit einer interessanten Funktion. Er wirkt nämlich, indem er andere Transkriptionsfaktoren blockiert. Auf diese Weise verhindert Rb die Transkription von Schlüsselgenen, die für den Fortschritt der Zellteilung erforderlich sind. Ursprünglich wurde das Rb-Protein als mutiertes Gen beim Retinoblastom beschrieben, einer Krebserkrankung des Auges, von der sich der Name des Gens ableitet, doch inzwischen ist bekannt, dass es bei vielen verschiedenen Krebsarten eine Rolle spielt. Weitere Informationen über das Rb-Gen finden Sie im Abschnitt über Tumorsuppressoren.
• Der Östrogenrezeptor (ER) – Dieses Protein bindet an Östrogen, das in die Zelle gelangt. Östrogen ist ein Steroidhormon (Lipid), das von den Eierstöcken produziert wird. Die Kombination aus Protein und Hormon wirkt dann als Transkriptionsfaktor und schaltet Gene ein, die die Zielzellen zur Teilung befähigen. Der Rezeptor ist in den Zellen der weiblichen Fortpflanzungsorgane, wie Brüste und Eierstöcke, aktiv. Aus diesem Grund gilt Östrogen als ein Faktor, der das Wachstum bestimmter Krebsarten in diesen Geweben fördert.

Der Wirkungsmechanismus von Östrogen wird im Folgenden dargestellt.

Der kleine grüne Ball stellt Östrogen dar. Es ist ein kleines hydrophobes Molekül, das durch die Lipidmembran in die Zelle gelangt. In der Zelle bindet das Östrogen an seinen Rezeptor (orange gefärbt), und der Komplex bindet an die DNA im Zellkern und bewirkt die Transkription von Genen.

Es wurden mehrere Medikamente entwickelt, die versuchen, die genaktivierende Funktion von Östrogen zu blockieren. Ein häufig verschriebenes Beispiel ist Tamoxifen, ein Medikament, das die Aktivität von Östrogen teilweise hemmt. Tamoxifen ist in der folgenden Animation rosa gefärbt.

Diese Medikamente sollen das Wachstum von Krebserkrankungen verlangsamen, die auf das Vorhandensein von Östrogen und dessen Rezeptor reagieren. Weitere Informationen über Östrogenrezeptoren und Krebs finden Sie im Abschnitt über Krebsbehandlungen.

Die Bedeutung von Transkriptionsfaktoren für die Zellteilung wurde bereits mehrfach betont. Krebs entsteht durch unkontrollierte Zellteilung, daher ist der nächste zu behandelnde Prozess die Zellteilung. Es ist wichtig zu verstehen, wie dieser Prozess normalerweise abläuft, damit wir verstehen können, was passiert, wenn etwas schief läuft.

Translation

Nachdem die Boten-RNA (mRNA) durch den gerade beschriebenen Transkriptionsprozess hergestellt wurde, wird die mRNA im Zellkern verarbeitet und dann in das Zytosol freigesetzt.

Die mRNA wird dann von den im Zytosol vorhandenen ribosomalen Untereinheiten erkannt und die Botschaft wird vom Ribosom „gelesen“, um ein Protein herzustellen. Die Information über die Richtung der Proteinbildung ist in der Nukleotidsequenz kodiert, aus der die mRNA besteht. Gruppen von drei Nukleotiden (Codons genannt) werden vom Ribosom „gelesen“ und führen zum Einbau einer bestimmten Aminosäure in das wachsende Polypeptid (Protein). Der Vorgang wird in der folgenden Animation schematisch dargestellt.

Nach der Bildung des Proteins erlangt es seinen aktiven, gefalteten Zustand und kann seine Funktionen in der Zelle erfüllen. Die ordnungsgemäße Faltung, der Transport, die Aktivität und schließlich die Zerstörung von Proteinen sind allesamt stark regulierte Prozesse.

Die Gene, die diese Prozesse steuern, sind in Krebszellen oft beschädigt und funktionieren nicht richtig.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in Kapitel 1 von The Biology of Cancer von Robert A. Weinberg.

Zusammenfassung der Genfunktion

Das zentrale Dogma

• Die DNA in unseren Chromosomen enthält Gene, die in RNA umgeschrieben werden.
• Es gibt verschiedene Arten von RNA (tRNA, mRNA, rRNA, usw.). Sie bestehen aus den gleichen Bausteinen, haben aber unterschiedliche Funktionen, Orte und Strukturen.
• Messenger-RNA (mRNA) kann in ein Protein übersetzt werden. Der Standard-Informationsfluss ist:
  • DNA→RNA→Protein
• Die Menge der Gene, die zu einem bestimmten Zeitpunkt „an“ sind, ist entscheidend. Je nach den Bedürfnissen und Funktionen einer bestimmten Zelle müssen verschiedene Gene zu verschiedenen Zeiten „an“ sein.

Transkription

• Das Ziel der Transkription ist es, eine RNA-Kopie eines Gens herzustellen.
• Transkriptionsfaktoren binden an den Ausgangspunkt von Genen, um die Stelle zu identifizieren, an der die Transkription beginnt.
• p53, Rb, der Östrogenrezeptor sind alles Transkriptionsfaktoren, die bei Krebserkrankungen nicht richtig funktionieren.
• Der Prozess der Transkription ist in mehrere Schritte unterteilt:
  1. Der Transkriptionsfaktor erkennt und bindet sich an die Startstelle eines Gens (Promotor).
  2. Ein RNA-bildendes Enzym (RNA-Polymerase) bindet sich an den Transkriptionsfaktor.
  3. Das Enzym stellt eine RNA-Kopie des Gens her.
  4. Das Enzym fällt ab und die RNA wird freigesetzt.
  5. Die RNA verbleibt entweder im Zellkern oder sie tritt in das Zytosol aus.

Translation

• Das Ziel der Translation ist die Herstellung eines Proteins unter Verwendung der in der mRNA kodierten Informationen.
• Der Prozess der Translation ist in mehrere Schritte unterteilt:
  1. mRNA verlässt den Zellkern und wird von ribosomalen Untereinheiten im Zytosol erkannt und gebunden.
  2. Das Ribosom „liest“ die RNA drei Nukleotide (ein Codon) auf einmal.
  3. Das Ribosom fügt die dem Codon entsprechende Aminosäure in das wachsende Protein ein.
  4. Das Ribosom stößt auf ein Stoppcodon und beendet die Proteinsynthese.
  5. Das Protein tritt in einen stark regulierten Faltungsprozess ein und erhält eine vollständig gefaltete Struktur.
• Gene, die die ordnungsgemäße Faltung, den Transport, die Aktivität und schließlich die Zerstörung von Proteinen steuern, sind bei Krebs häufig beschädigt oder in ihrer Funktion gestört.

• 1. Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). Campbell Biology (11th ed.). Pearson.