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Genregulation bei Eukaryoten – Ablauf
Unter Genregulation versteht man die Steuerung der Aktivität von Genen. Die Prozesse der Genregulation haben Einfluss darauf, in welchem Maß Gene in ihr entsprechendes Genprodukt übersetzt werden.
Die Umsetzung von Genen in deren Genprodukte wird auch Genexpression genannt. Im Fall von proteincodierenden Genen sind entsprechende Genprodukte Proteine.
Die Genregulation unterscheidet sich bei Prokaryoten und Eukaryoten. In allen Organismen beeinflusst die Genregulation, welche Gene des Genoms abgelesen und in Proteine übersetzt werden. Bei Eukaryoten dient die Genregulation insbesondere der Entwicklung und Differenzierung von Zellen. Hierbei kann es sich um jegliche Art von Zellen, wie zum Beispiel eine Muskelzelle oder Blutzellen, handeln.
Du kannst dir sicher vorstellen, dass Muskelzellen aufgrund ihres Aufbaus und ihrer Funktion andere Proteine benötigen als Blutzellen. Durch Prozesse der Genregulation wird sichergestellt, dass in den spezifischen Zellen auch die richtigen Proteine synthetisiert werden.
Aus embryonalen Stammzellen kann sich das menschliche Gewebe entwickeln. Hierzu zählen auch pluripotente Stammzellen, welche die Fähigkeit besitzen, sich in jeden Zelltyp des Organismus auszudifferenzieren. Je nach Genaktivität (Genregulation) kann sich also aus pluripotenten Zellen jeglicher Zelltyp entwickeln. Unter anderem entstehen so Organe oder Blutzellen.
Besonderheiten der Eukaryoten
Damit du die Genregulation verstehst, solltest du dir zuerst noch einmal die Besonderheiten von Eukaryoten zum Thema Genetik in Erinnerung rufen. Die folgende Tabelle gibt dir einen Überblick über die wichtigsten Fakten:
| Merkmal | Besonderheit |
| Struktur der Gene | Eukaryotische Gene sind auf Chromosomen verteilt. Die Anzahl dieser Chromosomen schwankt für die unterschiedlichen Organismen. Sie sind nur während der Metaphase deutlich zu erkennen. Die restliche Zeit liegt die DNA als gelockerte Struktur, als Chromatin, vor. |
| Proteinbiosynthese | Eine weitere Besonderheit der Eukaryoten ist die strikte Trennung von Transkription und Translation. Ein Gen muss erst fertig transkribiert werden, bevor es den Zellkern in Form von mRNA verlassen und überhaupt erst an den Ribosomen translatiert werden kann. Da sich im Zellkern keine Ribosomen befinden, an denen eine Translation stattfinden kann, muss die RNA erst den Zellkern verlassen. Durch den Transportprozess zu den Ribosomen erfolgt eine räumliche und zeitliche Trennung beider Vorgänge, die weitere Regulierungsmöglichkeiten eröffnet. |
| Aufbau der Gene | Wie du sicherlich schon aus dem Schulunterricht weißt, sind eukaryotische Strukturgene anders aufgebaut. Man spricht dabei von zwei unterschiedlichen Regionen: den Exons und den Introns. Dieser veränderte Aufbau sorgt dafür, dass für die Regulation zahlreiche Möglichkeiten entstehen, wie etwa das Spleißen der RNA. |
Ebenen der Genregulation bei Eukaryoten
Allgemein beginnt die Genexpression mit der Transkription und endet mit der Synthese eines Proteins. Da die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten auf mehreren Ebenen stattfindet, kann auch die Genregulation zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden. Die folgende Abbildung stellt die verschiedenen Ebenen dar und zeigt dir, welche Schritte dort ablaufen.
Ablauf der Proteinbiosynthese
Die Proteinbiosynthese beginnt mit dem Ablesen und Abschreiben der DNA während der Transkription. Diese kann bereits durch Modifikationen oder Transkriptionsfaktoren an der DNA verhindert oder begünstigt sein. Wird ein Gen transkribiert, so entsteht die Prä-mRNA. Diese wird während Prozessierung modifiziert. Letztlich verlässt die mRNA den Zellkern und gelangt über die Kernporen ins Cytoplasma.
Nun findet die Translation statt, bei der die mRNA an den Ribosomen in eine Aminosäurensequenz übersetzt wird. Einige Proteine sind nach der Translation direkt funktionsfähig, andere müssen durch eine spezifische Faltung oder Modifikation aktiviert werden.
Die Genregulation kann entweder auf Ebene der Transkription oder auf Ebene der Translation stattfinden. Weitere regulatorische Prozesse können auch zwischen Transkription und Translation wirken.
Allgemein regulieren Eukaryoten ihre Gene hauptsächlich im Bereich der Transkription. Das hat energetische Vorteile, da es deutlich vorteilhafter ist, die Proteinsynthese zu Beginn abzubrechen und nicht erst Energie in die Transkription, den Transport und die beginnende Translation zu stecken.
Genregulation bei Eukaryoten – Transkription
Einige Prozesse beeinflussen den Zustand der DNA so, dass das Ablesen von Genen gehemmt wird. Solche genregulierende Mechanismen wirken noch vor der Transkription. Zu den wichtigsten Mechanismen gehören die DNA-Methylierung und die Histon-Modifikation. Diese Mechanismen werden unter der sogenannten epigenetischen Genregulation zusammengefasst.
DNA-Methylierung
Durch die DNA-Methylierung kann die Genregulation bereits vor der Transkription stattfinden. Die Methylierung findet durch Enzymaktivität statt. Es werden Methylgruppen an die Nukleinbasen Cytosin gebunden. Dadurch kommt es zu einer Modifikation der DNA, welche die Transkription hemmt.
Eine Methylierung des Promotors verhindert, dass sich entscheidende Proteine für die Transkription an ihm anlagern können. So wird die Transkription gehemmt.
Histon-Modifikation
Die Erbinformation von Eukaryoten ist in einer Chromatinstruktur verpackt. Hierbei wickelt sich die DNA um Proteine, die Histone. Eine Veränderung der Chromatinstruktur, kann Einfluss auf die Transkriptionsrate nehmen. Je nachdem wie locker oder fest die Chromatinstruktur vorliegt, kann die Transkription gefördert oder gehemmt werden, wobei ein lockerer Aufbau der Chromatinstruktur die Transkription fördert. Durch Modifikationen der Histone wird die Chromatinstruktur beeinflusst und somit die Transkription reguliert.
Man unterscheidet den Zustand des Chromatins in Euchromatin und Heterochromatin. Euchromatin liegt vor, wenn die DNA lockerer und weniger dicht gepackt ist. Euchromatin fördert das Ablesen von Genen. Heterochromatin ist dichter gepackt und hemmt somit das Ablesen von Genen.
Im StudySmarter Artikel zur Epigenetischen Genregulation sind die Prozesse der DNA-Ethylierung und Histon-Modifikation noch einmal genauer erläutert. Schau mal vorbei!
Genregulation bei Eukaryoten – Transkriptionsfaktoren
Doch auch während der Transkription können verschiedene Mechanismen auf die Transkriptionsrate eines Gens einwirken. Diese hängt hauptsächlich mit dem Aufbau der eukaryotischen DNA zusammen. Die folgende Abbildung stellt den schematischen Aufbau eines Genabschnitts dar.
Abbildung 2: Darstellung eines Gen-Abschnittes.
Das proteincodierende Gen enthält die genetische Information für die Aminosäuresequenz eines Proteins. Vor jedem Gen ist ein Promotor vorgeschaltet. Die Promotorsequenz ist spezifisch und ermöglicht die Anlagerung der RNA-Polymerase.
Vor dem Promotor sind in der Regel genregulierende Sequenzen vorgeschaltet. Genregulierende Sequenzen können die Transkriptionsrate des entsprechenden Gens beeinflussen. Aktivierende Gensequenzen werden Enhancer genannt, währen hemmende Sequenzen Silencer genannt werden.
Unterschied Enhancer und Silencer
Enhancer und Silencer sind regulierende DNA-Sequenzen, welche Genen auf der DNA vorgeschaltet sind. An Ihnen binden Transkriptionsfaktoren, wodurch regulatorische Effekte auf die Transkription ausgelöst werden. Nur wenn Transkriptionsfaktoren an den genregulierenden Genabschnitten binden, entfalten diese ihre regulierende Wirkung.
Transkriptionsfaktoren sind regulatorische Proteine, welche die Transkription eines Gens beeinflussen. Sie können die Transkriptionsrate entweder erhöhen oder verringern.
Durch Bindung von Transkriptionsfaktoren an Enhancern beziehungsweise Silencern werden diese aktiviert. Transkriptionsfaktoren, die an Enhancern binden, werden Aktivatoren genannt und Transkriptionsfaktoren, die an Silencer binden, werden als Repressoren bezeichnet.
Enhancer sind kurze Abschnitte in der DNA, die dafür sorgen, dass die entsprechenden Gene deutlich stärker transkribiert werden. Sie verstärken also die Transkriptionsrate eines Gens.
Demgegenüber stehen die Silencer, die dafür sorgen, dass die Gene weniger häufig transkribiert werden. Ihre Transkriptionsrate ist demnach schwächer. In der Regel stoppen Silencer die Transkription eines Gens nicht vollständig, sondern schwächen die Transkriptionsrate ab.
Ein Enhancer oder Silencer gilt dann als aktiv, wenn an ihm ein Transkriptionsfaktor gebunden ist. Dieser Transkriptionsfaktor bindet, abhängig von den vorherrschenden Umweltbedingungen. Das gilt zum Beispiel auch für Hunger- und Durstsignale, die du manchmal verspürst. Konkret bedeutet das, dass die Synthese von Proteinen je nach Notwendigkeit innerhalb der Zelle durch Transkriptionsfaktoren reguliert werden kann.
Der Promotor
Der Promotor lässt sich im Aufbau der DNA vor jedem proteincodierenden Gen finden. Der Promotor vermittelt die Bindung der RNA-Polymerase an der DNA und ermöglicht so, dass die Transkription ablaufen kann. Enhancer beziehungsweise Silencer bindet mit dem Aktivator oder Repressor an den Promotor und können so die Transkription beeinflussen.
Die Promotorregion beinhalten spezifische Erkennungssequenzen (TATA-Box), an denen Transkriptionsfaktoren binden können. So wird die Anlagerung der RNA-Polymerase an den Promotor eingeleitet. Nun können aktivierte Enhancer beziehungsweise Silencer mit dem Transkriptionskomplex (RNA-Polymerase und weitere Proteine) interagieren und so die Transkription beeinflussen.
Die TATA-Box ist eine typische Erkennungssequenz von Promotern. Sie hat ihren Namen ihrer typischen Basenabfolge zu verdanken. Durch die Bindung eines spezifischen Transkriptionsfaktors an die TATA-Box wird die Transkription des Gens eingeleitet.
Hormonregulation
Außerdem kann eine Regulation durch Hormone stattfinden. Lipophile Hormone können die Zellmembran durchqueren und daher problemlos in die Zelle diffundieren. In Verbindung mit Rezeptoren in der Zelle entsteht ein Hormon-Rezeptor-Komplex. Dieser kann als Transkriptionsfaktor wirken und Enhancer, sowie Silencer aktivieren und somit Einfluss auf die Genexpression nehmen.
Allerdings können hydrophile Hormone zum Beispiel nicht durch die Zellmembran diffundieren. Sie müssen an der Zellmembran an einen spezifischen Rezeptor binden und aktivieren dadurch second messenger innerhalb der Zelle, die das Signal über eine Signalkette weiterleiten. Second messenger können als Signalproteine die Transkription der DNA im Zellkern beeinflussen.
Second Messenger sind chemische Botenstoffe, die eine intrazelluläre Weiterleitung eines extrazellulären Signals ermöglichen.
Durch das Andocken von Hormonen an Rezeptoren wird eine Signalkaskade ausgelöst, welche Einfluss auf die Transkription hat. In der folgenden Abbildung ist eine solche Signalkaskade schematisch dargestellt. Durch die Bindung eines Hormons wird ein second Messenger aktiviert. Dieser wiederum aktiviert einen Aktivator (Transkriptionsfaktor), welcher daraufhin im Zellkern an einen Enhancer bindet und so die Transkription eines spezifischen Gens verstärkt.
Abbildung 4: Signalkaskade einer Hormonregulation
Genregulation bei Eukaryoten zwischen Transkription und Translation
Zwischen Transkription und Translation gibt es noch weitere Möglichkeiten, wie die Genexpression beeinflusst werden kann. In Eukaryoten entstehen durch die Transkription Vorstufen von funktionsfähigen oder übersetzungsfähigen RNA-Molekülen. Diese müssen durch die RNA-Prozessierung (auch RNA-Reifungsprozess) zugeschnitten und modifiziert werden. Im Prozess der RNA-Prozessierung werden aus sogenannten Prä-mRNAs reife mRNAs. Hierbei werden durch das sogenannte Spleißen irrelevante Abschnitte (Introns) aus der mRNA entfernt.
Beim Spleißen werden im Anschluss zur Transkription nicht codierenden Bereiche (Introns) aus der RNA herausgeschnitten.
Durch den Prozess des Spleißens enthalten reife mRNA nur noch die relevanten RNA-Abschnitte (Exons), welche die Informationen für die Aminosäuresequenz enthalten.
Alternatives Spleißen
Das sogenannte alternative Spleißen beschreibt einen Prozess, bei dem im Zuge des Spleißens eine Neuanordnung und Umorientierung der Exons des entsprechenden Gens stattfindet. Dieser genregulierende Prozess sorgt dafür, dass aus einem einzelnen Gen mehrere verschiedenen mRNAs entstehen können, welche für unterschiedliche Genprodukte codieren. Das alternative Spleißen trägt maßgeblich zur vorhandenen Vielfalt von Proteinen in eukaryotischen Organismen bei.
Genregulation durch nicht-codierende RNAs (ncRNAs)
Eine weitere Möglichkeit zur Genregulation bieten sogenannte nicht-codierende RNAs. Dies sind RNAs, welche wie mRNAs durch die Transkription entstehen. Der Unterschied ist, dass ncRNAs nicht in Proteine übersetzt werden.
Nicht-kodierende RNAs funktionieren als RNA-Molekül und nehmen unter anderem Einfluss auf die Proteinbiosynthese. Eine Regulation kann beispielsweise durch die sogenannte Antisense-RNA erfolgen. Nicht-codierende Antisense-RNAs, welche komplementär zu Abschnitten bestimmter mRNAs sind, interagieren mit diesen und bilden Doppelstränge. Durch die Bildung von Doppelsträngen kann die mRNA nicht mehr am Ribosom binden, wodurch eine Translation der mRNA verhindert wird.
Genregulation bei Eukaryoten - Translationsebene
Auch auf der Translationsebene kann eine Genregulation bei Eukaryoten stattfinden. Durch Phosphorylierung der Initiationsstelle der Translation, wird die Initiation der mRNA verhindert und somit keine Übersetzung in eine Aminosäuresequenz stattfinden.
Außerdem ist die Translation abhängig von der Konzentration und der Stabilität der mRNA. Liegt etwa eine hohe Konzentration an stabiler mRNA vor, so findet die Proteinbiosynthese auch noch einige Zeit nach der Abschaltung des Gens statt. Daher besitzen bestimmte Proteine, die unter Umständen schnell abgeschaltet werden müssen, eine eher instabile mRNA, welche vergleichsweise kurzlebig ist.
Genregulation bei Eukaryoten - Das Wichtigste
- Genregulation ist die Steuerung der Aktivität von Genen. Sie kann bei Eukaryoten und Prokaryoten unterschiedlich stattfinden.
- Bei Eukaryoten kann die Genregulation vor oder während der Transkription beziehungsweise Translation stattfinden.
- Allgemein regulieren Eukaryoten ihre Gene hauptsächlich im Bereich der Transkription, da dies in energetischer Hinsicht effizienter ist.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Genregulation bei Eukaryoten
Was macht die Genregulation?
Die Genregulation beschreibt die Steuerung der Aktivität von Genen.
Wo findet die Genregulation bei Eukaryoten statt?
Die Genregulation kann auf mehreren Ebenen, zu verschiedenen Zeitpunkten während der Proteinbiosynthese stattfinden. Möglich wäre zum Beispiel der Ablauf während der Transkription oder Translation.
Welche Möglichkeiten der Genregulation bei Eukaryoten?
Entweder findet die Genregulation im Bereich einer Umstrukturierung des Chromatins, eine Transkriptionskontrolle durch Enhancer Silencer, alternatives Spleißen, epigenetische Genregulation oder durch hormonellen Einfluss statt.
Haben Eukaryoten Operatoren?
Nein, Eukaryoten besitzend keine Operatoren. Die Genregulation nach dem Operator-Modell findet nur bei Prokaryoten statt.
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