3a MC Genexpression: Grundlagen

Grundlagen der Genexpression

• Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, der den Bauplan für eine Aminosäuresequenz enthält
• Es gibt verschiedene Gentypen:
  • Strukturgene enthalten Informationen für die Proteinsynthese
  • Operatorgene regulieren als Schalter die Genexpression von Strukturgenen
  • Der Promotor dient als Startpunkt für die Transkription und als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase; seine Funktion ist abhängig vom Operatorgen

Genexpression vs. Genexprimierung

• Genexpression bezeichnet den gesamten 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 Maße es in RNA oder Protein übersetzt wird

Protein

• Proteine sind Makromoleküle, die aus Aminosäuren bestehen
• Sie verleihen Körperzellen Struktur
• Proteine fungieren als molekulare Maschinen; sie transportieren Bausteine, pumpen Ionen und katalysieren chemische Reaktionen

Exons und Introns

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

Transkription

• Bei der Transkription wird DNA in eine RNA-Sequenz umgeschrieben
• Es gibt einen codierenden Strang als Kopiervorlage und einen komplementären Strang (aus RNA)
• Die mRNA transportiert genetische Informationen aus dem Zellkern ins Zytoplasma
• In der RNA wird Uracil anstelle von Thymin verwendet

Translation

• Bei der Translation wird RNA durch das Ribosom in eine Aminosäuresequenz übersetzt
• Ribosomen lesen mRNA-Codons, die aus Basentripletts bestehen
• Codons codieren Aminosäuren, z.B. codiert Guanin-Guanin-Adenin für Glycin
• Eine Folge von Codons ergibt ein Peptid oder Protein
• tRNA (Transfer-RNA) vermittelt Aminosäuren bei der Translation
• Das Stopp-Codon beendet die Translation

Proteinbiosynthese

• DNA wird in mRNA transkribiert, wodurch ein RNA-Transkript entsteht
• Die mRNA wandert ins Zytoplasma
• Ribosomen lesen die mRNA und setzen Aminosäuren gemäß den Codons zusammen
• Die resultierende 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)
• Ablauf der Translation im Ribosom:
  • Die mRNA läuft durch das Ribosom
  • tRNA bindet an das passende Codon (hier an Phenylalanin)
  • Die Aminosäurekette wächst, indem neue tRNAs weitere Aminosäuren hinzufügen
  • Nach Fertigstellung verlässt das Protein das Ribosom

Mutationen

• Eine Genmutation betrifft ein einzelnes Gen
• Eine Chromosomenmutation verändert den Aufbau eines Chromosoms
• Eine Genommutation verändert die Anzahl der Chromosomen, wie z.B. bei Trisomie 21
• Eine Punktmutation verändert ein einzelnes Nukleotid
  • Eine synonyme Mutation hat keine Auswirkung auf das resultierende Protein (stumme Mutation)
  • Eine nonsynonyme Mutation führt zum Austausch einer Aminosäure, was die Proteinstruktur und Funktion beeinflussen kann
  • Eine STOP-Mutation (Nonsense-Mutation) verursacht ein Stopp-Codon, wodurch die Translation vorzeitig beendet wird, was zu einem verkürzten und meist funktionslosen Protein führt
• Eine Deletion ist die Entfernung eines oder mehrerer Nukleotide aus der DNA-Sequenz
• Eine Duplikation ist eine Verdopplung eines DNA-Abschnitts, die zu einer übermäßigen Produktion eines Proteins führen kann
• Bei einer Inversion wird ein DNA-Abschnitt umgekehrt in das Chromosom eingebaut
• Eine Insertion ist das Einfügen zusätzlicher Nukleotide in die DNA-Sequenz, was oft eine Frameshift-Mutation verursacht
  • Eine 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, alle nachfolgenden Codons werden falsch gelesen und ein komplett anderes oder funktionsloses Protein entsteht.
• Bei einer Translokation werden Chromosomenabschnitte zwischen nicht-homologen Chromosomen ausgetauscht, was zu genetischen Erkrankungen führen kann

NLGN4 Mutation

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

Epigenetik

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