3b MQ Genexpression: Grundlagen

Grundlagen der Genexpression

• Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, der den Bauplan für eine Aminosäuresequenz enthält.
• Es gibt verschiedene Gentypen: -Strukturgene liefern die Information für die Proteinsynthese. -Operatorgene regulieren die Genexpression als Schalter für Strukturgene. -Promotoren sind Startpunkte für die Transkription und Bindungsstellen für die RNA-Polymerase und können von Operatorgenen beeinflusst werden.
• Genexpression ist der gesamte Prozess, bei dem ein Gen in ein funktionelles Produkt (RNA oder Protein) umgesetzt wird.
• Genexprimierung gibt an, wie aktiv ein Gen ist, also wie oft und in welchem Ausmaß es in RNA oder Protein übersetzt wird.
• Proteine sind Makromoleküle, die aus Aminosäuren aufgebaut sind.
• Proteine geben Körperzellen Struktur.
• Proteine fungieren als molekulare Maschinen, die Bausteine transportieren, Ionen pumpen und chemische Reaktionen katalysieren.

Exons und Introns

• Exons sind codierende Abschnitte eines Gens, die in mRNA umgeschrieben werden.
• Introns sind nicht-codierende Abschnitte, die bei der Transkription entfernt werden (Spleißen).

Transkription und Translation

• Bei der Transkription wird DNA in eine RNA-Sequenz umgeschrieben.
  • Der codierende Strang dient als Kopiervorlage.
  • Es entsteht ein komplementärer Strang (aus RNA).
  • mRNA transportiert genetische Informationen aus dem Zellkern ins Zytoplasma.
  • Uracil tritt an die Stelle von Thymin in der RNA.
• Bei der Translation wird RNA durch Ribosomen in eine Aminosäuresequenz übersetzt.
  • Ribosomen lesen mRNA-Codons (Basentripletts).
  • Codons codieren Aminosäuren (z. B. Guanin-Guanin-Adenin = Glycin).
  • Eine Folge von Codons ergibt ein Peptid bzw. Protein.
  • tRNA (Transfer-RNA) vermittelt Aminosäuren.
  • Ein Stopp-Codon beendet die Translation.

Proteinbiosynthese

• DNA wird in mRNA transkribiert (RNA-Transkript).
• mRNA wandert ins Zytoplasma.
• Ribosomen lesen die mRNA und setzen Aminosäuren gemäß den Codons zusammen.
• Die Peptidkette faltet sich zum fertigen Protein/Peptid.

Detailansicht der Translation im Ribosom

• Das Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten:
  • Die kleine Untereinheit bindet die mRNA.
  • Die große Untereinheit enthält die A-Stelle (Anlagerung) und die P-Stelle (Peptidbildung).
• Der Ablauf ist wie folgt:
  • mRNA läuft durch das Ribosom.
  • tRNA bindet an das passende Codon (Beispiel: Phe = Phenylalanin).
  • Die Aminosäurekette wächst, wobei neue tRNAs weitere Aminosäuren bringen.
  • Nach Fertigstellung verlässt das Protein das Ribosom.

Mutationen

• Es gibt verschiedene Arten von Mutationen:
  • Genmutation: Betrifft ein einzelnes Gen.
  • Chromosomenmutation: Verändert den Aufbau eines Chromosoms.
  • Genommutation: Verändert die Anzahl der Chromosomen (z. B. Trisomie 21).
  • Punktmutation: Verändert ein einzelnes Nukleotid.
    • Synonyme Mutation: Keine Auswirkung auf das Protein (stumme Mutation).
    • Nonsynonyme Mutation: Austausch einer Aminosäure, was die Proteinstruktur und Funktion beeinflussen kann.
    • STOP-Mutation: Verursacht ein Stopp-Codon, wodurch die Translation vorzeitig abgebrochen wird, was zu einem verkürzten, meist funktionslosen Protein führt.
  • Deletion: Entfernung eines oder mehrerer Nukleotide aus der DNA-Sequenz.
    • Duplikation: Verdopplung eines DNA-Abschnitts, was zur übermäßigen Produktion eines Proteins führen kann. -Inversion: Ein DNA-Abschnitt wird umgekehrt in das Chromosom eingebaut.
  • Insertion: Zusätzliche Nukleotide werden in die DNA-Sequenz eingefügt, was oft eine Frameshift-Mutation verursacht.
    • Frameshift-Mutation: Entsteht durch Insertion (Einfügung) oder Deletion (Entfernung) von Nukleotiden in der DNA-Sequenz, wenn die Anzahl der eingefügten oder gelöschten Basen kein Vielfaches von drei ist; das gesamte Leseraster verschiebt sich.
    • Translokation: Austausch von Chromosomenabschnitten zwischen nicht-homologen Chromosomen.

NLGN4 Mutation

• NLGN4 ist ein synaptisches Protein, das an Neurexin bindet und wichtig für die synaptische Stabilität und Plastizität ist.
• NLGN4 beeinflusst die Glutamat-Signalübertragung (AMPAR/NMDAR, Ca²⁺-abhängige Prozesse).
• Es reguliert synaptische Anpassungen über mTOR, PI(3)K, UBE3A und spielt eine Rolle beim Lernen und Gedächtnis.
• Defekte in diesen Signalwegen sind mit Autismus und neuronalen Entwicklungsstörungen assoziiert.

Epigenetik

• Epigenetik beschreibt Veränderungen in der Genexpression ohne Veränderung der DNA-Sequenz (beeinflusst den Phänotyp, nicht den Genotyp).
• Zu den Mechanismen gehören:
  • DNA-Methylierung: Verhindert die Transkription bestimmter Gene.
  • Histonmodifikation: Beeinflusst, wie stark DNA verpackt ist.
• Umweltfaktoren wie Ernährung und Stress können die Genexpression beeinflussen.