Genregulation einfach erklärt: Gene gezielt steuern

Ein Gen enthält die Information für ein Genprodukt, häufig ein Protein. Bei der Transkription wird die DNA-Information zunächst in RNA übertragen. Bei der Translation dient eine mRNA anschließend als Vorlage für den Aufbau eines Proteins.

Genregulation kann beeinflussen,

• ob die Transkription beginnt,
• wie häufig ein Gen transkribiert wird,
• wie eine RNA verarbeitet und wie lange sie erhalten bleibt,
• wie häufig eine mRNA translatiert wird sowie
• wie ein fertiges Protein verändert oder abgebaut wird.

Körperzellen besitzen grundsätzlich dieselbe DNA, erfüllen aber unterschiedliche Aufgaben. Eine Muskelzelle benötigt daher teilweise andere Proteine als eine Nervenzelle. Unterschiedliche Genaktivität ermöglicht diese Zelldifferenzierung.

Prokaryoten organisieren funktionell zusammengehörige Gene häufig in einem Operon. Dadurch können mehrere Gene für einen gemeinsamen Stoffwechselweg zusammen reguliert werden.

Die Bestandteile haben verschiedene Aufgaben:

• Am Promotor bindet die RNA-Polymerase, die die Transkription ausführt.
• Der Operator ist ein Kontrollbereich. Dort können regulatorische Proteine binden.
• Die Strukturgene enthalten die Informationen für die benötigten Proteine.
• Ein Regulatorgen codiert ein regulatorisches Protein, zum Beispiel einen Repressor. Es kann außerhalb des eigentlichen Operons liegen.

Ein Repressor hemmt die Transkription, wenn er passend an den Operator bindet. Ein Aktivator kann die Transkription fördern. Ob ein Regulationsprotein binden kann, hängt häufig von einem Stoff aus der Umgebung oder dem Stoffwechsel ab.

Das Lac-Operon von E. coli reguliert Gene für den Transport und Abbau von Lactose. Es ist ein Beispiel für Substratinduktion: Ein vorhandenes Substrat ermöglicht die Herstellung der Enzyme, die zu seinem Abbau benötigt werden.

Ohne Lactose

1. Das Regulatorgen liefert einen aktiven Repressor.
2. Der Repressor bindet am Operator.
3. Dadurch wird die Transkription der Strukturgene gehemmt.
4. Die Zelle stellt keine lactoseabbauenden Enzyme dieses Operons her.

Mit Lactose

1. Lactose bindet am allosterischen Zentrum des Repressors.
2. Dadurch verändert sich die räumliche Form des Repressors.
3. Der Repressor passt nicht mehr an den Operator.
4. Die RNA-Polymerase transkribiert die Strukturgene.
5. Unter anderem entstehen β-Galactosidase für den Lactoseabbau und Permease für den Lactosetransport.

Lactose wirkt in diesem vereinfachten Modell als Induktor, weil ihre Anwesenheit die Genexpression ermöglicht. Ist genügend Lactose abgebaut, fehlt die Bindung an den Repressor. Dieser kann wieder aktiv werden und die Transkription hemmen.

Das trp-Operon steuert Gene für Enzyme der Tryptophansynthese. Es zeigt die Endproduktrepression: Eine hohe Konzentration des Endprodukts hemmt dessen weitere Herstellung.

Ohne Tryptophan

1. Der Repressor liegt inaktiv vor.
2. Er kann nicht am Operator binden.
3. Die RNA-Polymerase transkribiert die Strukturgene.
4. Enzyme für die Tryptophansynthese entstehen.

Bei hoher Tryptophankonzentration

1. Tryptophan bindet an den zunächst inaktiven Repressor.
2. Die Bindung verändert seine räumliche Form und aktiviert ihn.
3. Der aktive Repressor bindet am Operator.
4. Die Transkription der Gene für die Syntheseenzyme wird gehemmt.

Bei Eukaryoten liegt die DNA im Zellkern und ist um Histone gewickelt. DNA und zugehörige Proteine bilden das Chromatin. Damit ein Gen transkribiert werden kann, muss der betreffende DNA-Bereich zugänglich sein.

Chromatinzugänglichkeit

Chemische Veränderungen an DNA oder Histonen können die Packung des Chromatins beeinflussen.

• Locker gepacktes Chromatin ist für Transkriptionsproteine meist besser zugänglich.
• Dicht gepacktes Chromatin erschwert die Bindung und kann die Genaktivität hemmen.
• Die Anlagerung von Acetylgruppen an Histone wird im Schulmodell mit einer lockereren Verpackung und besserer Ablesbarkeit verbunden.
• Methylgruppen an Cytosin-Basen der DNA können die Bindung von Transkriptionsfaktoren erschweren und Gene stilllegen.

Solche chemischen Markierungen verändern die Regulation, ohne die Reihenfolge der DNA-Basen auszutauschen. Das unterscheidet sie von einer Mutation, bei der sich die Basensequenz verändert.

Transkriptionsfaktoren und Kontrollbereiche

Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die die Transkription beeinflussen. Allgemeine Transkriptionsfaktoren helfen der RNA-Polymerase, am Promotor zu starten. Spezifische Transkriptionsfaktoren binden an regulatorische DNA-Bereiche:

• Ein Enhancer ist ein Bereich, über den die Transkription verstärkt werden kann.
• Ein Silencer ist ein Bereich, über den die Transkription vermindert werden kann.

Durch eine Schleife der DNA können auch weiter entfernte Kontrollbereiche räumlich in die Nähe des Promotors gelangen. So beeinflussen dort gebundene Faktoren den Transkriptionsapparat.

Eukaryotische Zellen können die Genexpression auch nach Beginn der Transkription beeinflussen. Deshalb reicht die Gleichung „Gen aktiv oder inaktiv“ allein nicht aus.

RNA-Prozessierung und alternatives Spleißen

Zunächst entsteht eine Prä-mRNA. Bei ihrer Verarbeitung werden nicht codierende Introns entfernt und Exons zur reifen mRNA verbunden.

Beim alternativen Spleißen werden Exons unterschiedlich kombiniert. Dadurch kann aus einem Gen mehr als eine mRNA-Variante und damit mehr als eine Proteinvariante hervorgehen.

Stabilität der mRNA

Eine langlebige mRNA kann häufiger translatiert werden als eine schnell abgebaute mRNA. Ihre Lebensdauer beeinflusst deshalb, wie viel Protein entstehen kann.

Regulation fertiger Proteine

Auch nach der Translation ist Regulation möglich:

• Chemische Veränderungen, etwa die Anheftung einer Phosphatgruppe, können die Aktivität eines Proteins verändern.
• Nicht mehr benötigte Proteine können abgebaut werden. Daran ist der Proteinkomplex Proteasom beteiligt.

Prüfe zum Schluss deine Denkstrategie: Bestimme bei einem neuen Befund zuerst, welcher Schritt vom Gen zum Protein betroffen ist. Frage dann, ob sich die DNA-Sequenz verändert hat oder nur ihre Nutzung. So kannst du den Befund einer Regulationsebene zuordnen und von einer Mutation abgrenzen.