In diesem Video möchte ich euch einen Überblick darüber geben, wie die Aktivität von eukaryotischen Genen reguliert werden kann. Und Gene sind ja Abschnitte der DNA, die bestimmte Proteinbausteine codieren bzw. Proteine herstellen und sie machen das über den Weg der Proteinbiosynthese. Und prinzipiell kann die Genexpression an jedem einzelnen Punkt der Proteinbiosynthese reguliert werden, also zum Beispiel vor der Transkription.
Da spielen vor allen Dingen DNA-Methylierung und Teston-Acetylierung unter anderem eine wichtige Rolle. Vor bzw. während der Transkription durch Transkriptionsfaktoren, nach der Transkription aber vor der Translation durch die RNA-Prozessierung. Aber auch während und nach der Translation kann darüber entschieden werden, ob das exprimierte Gen in Form eines aktiven Proteins vorliegt oder das Protein notfalls noch abgebaut wird, z.B.
durch das Proteasom. In der Natur werden Gene vor allem auf Transkriptionsebene reguliert. Diese Ebene ist die wichtigste und das macht auch Sinn, denn es ist ja viel effektiver, selektiv die Transkription zu hemmen, anstatt das Gen zu transkribieren, die mRNA zu translatieren und dann das Protein abzubauen oder zu hemmen, nachdem man da so viel Energie reingesteckt hat.
In diesem Video möchte ich auf jeden einzelnen Schritt eingehen, allerdings nicht auf jeden Schritt gleich detailliert, denn das würde den zeitlichen Rahmen des Videos sprengen. Vor der Transkription kann die Genaktivität über zwei Mechanismen reguliert werden und gerade viel unter anderem der Begriff DNA-Methylierung. Und darunter versteht man das Anheften von Methylgruppen, CH3-Gruppen, an Zytosinbasen in der DNA.
Und etwa 1-5% der Zytosinbasen werden auf diese Art chemisch modifiziert und neben der Base Zytosin liegt immer die Base Guanin und die Modifikation ist sehr häufig in Promoterregionen vorzufinden. Gut, jetzt stellt sich die Frage, welche Auswirkungen hat jetzt die DNA-Methylierung? Und diese Methylgruppen ziehen weitere Proteine an, die an die methylierte DNA binden.
Und diese Proteine sind generell an der Repression der Transkription beteiligt, unterdrücken diese also. Und durch diese vielen Proteine liegt dieser Abschnitt auch so verpackt vor, dass dieser inaktiv für die Transkription ist. Also merken, DNA-Methylierung führt zur Hemmung der Transkription.
Beim zweiten Mechanismus wird die Chromatinstruktur verändert und Chromatin ist das Material, aus dem die Chromosomen bestehen, meint also nicht nur die DNA, sondern auch Proteine, vor allem Histone, die die DNA aufwickeln. Und je nachdem, wie locker oder verpackt die Chromatinstruktur vorliegt, so kann entweder die Transmission gefördert oder gehemmt werden. Und zum einen ist dort die Histonacetylierung zu nennen. Das Anheften von Acetylresten an diese Histonenden führt dazu, dass das Chromatin meist... aufgelockert vorliegt und aktiv für die Transkription vorliegt.
Also Histonazytolierung fördert die Transkription. Dahingegen führt die Histonmethylierung dazu, dass das Chromatin sehr kompakt vorliegt und ähnlich wie bei der DNA-Methylierung führt die Histonmethylierung dazu, dass die Transkription gehemmt wird. Diese beiden Mechanismen sind sogenannte epigenetische Regulationsmechanismen. Epi heißt über, über der Genetik. Das meint einfach, dass die Genexpression beeinflusst wird, ohne dass die DNA-Sequenz verändert wird.
Diese Vorgänge sind reversibel, können also auch rückgängig gemacht werden. Und diese beiden Mechanismen sind so komplex, dass sie ausführlicher in einem weiteren Video über die Epigenetik nochmal detailliert aufgegriffen werden. Für einen ersten Überblick sollte diese Information aber reichen. Vor und während der Transkription kann ebenfalls regulatorisch eingegriffen werden über sogenannte Transkriptionsfaktoren, das sind regulatorische Proteine.
Eigentlich ist für den Start der Transkription ja der Promoter wichtig, an dem die RNA-Polymerase bindet und somit die Transkription in Gang setzt. Aber die RNA-Polymerase, die kann nicht einfach an den Promoter binden, dafür müssen eben diese Transkriptionsfaktoren vorhanden sein. Diese Transkriptionsfaktoren binden an die Tata-Box, die aufgrund des hohen Anteils an Adenin- und Thyminbasen.
Als erstes bindet das regulatorische Protein TF-Transkriptionsfaktor IED an die Tata-Box, wodurch sich sowohl die Struktur des Proteins als auch der DNA verändert. Das erlaubt wiederum die Bindung weiterer Transkriptionsfaktoren. Wir nennen sie jetzt hier einfach mal Transkriptionsfaktor A und B.
Und erst wenn mehrere Proteine an diesem Komplex gebunden sind, dann dockt die RNA-Polymerase an und startet die Transkription. Zusätzlich zum Promoter gibt es weitere kurze DNA-Sequenzen, an denen regulatorische Proteine binden können. Und diese Proteine, die interagieren mit der RNA-Polymerase und können die Transkription...
Transkriptionsrate entweder erhöhen oder auch hemmen. Diese können in der Nähe des Promoters liegen, die können aber auch 20.000 Basenpaare entfernt liegen. Und zu unterscheiden sind positive Regulatoren.
Das sind sogenannte Enhancer-Sequenzen und an diese Enhancer-Sequenzen binden Aktivator-Proteine. Durch diese wird die Transkriptionsrate erhöht. Und es gibt auch die negativen Regulatoren, sogenannte Silencer-Sequenzen, und an diese Sequenzen binden Repressor-Proteine. Und da steckt ja irgendwie schon im Name dran, Repressor unterdrücken, die unterdrücken die Transkriptionsrate. Und wie machen die das?
Wenn diese Aktivator- oder diese Repressor-Proteine an die Sequenzen binden, können diese interagieren mit der RNA-Polymerase und verursachen dadurch eine Biegung der DNA, sodass auch weit entfernte Enhancer-Elemente oder Silencer-Elemente mit dem Transkriptionskomplex in Kontakt treten können. Die nächste Regulation erfolgt zeitlich nach der Transkription und die DNA wurde nun in PrämRNA transkribiert. Und die PrämRNA besteht noch aus Exons und Introns.
Und die Exons sind die kodierenden Bereiche, die also später auch für die Proteine kodieren, und die Introns die nicht kodierenden Bereiche. Und durch die RNA-Prozessierung werden die Introns herausgeschnitten, sodass die RNA nur noch aus kodierenden Bereichen, den Exons, besteht. Nehmen wir mal an, dass die Präm-RNA für das Protein Insulin kodiert, also das Hormon der Bauchspeicheldrüse, das den Blutzuckerspiegel reguliert. Und da die Exons nur die relevanten Informationen enthalten, steht der Name Insulin jetzt in diesen Exons drin.
Und was passiert jetzt, wenn zum Beispiel vom Beginn des ersten Introns bis zum Ende des zweiten Introns gespliced würde? Das Ergebnis wäre ein vollkommen neues Protein und die Funktionen des eigentlichen Proteins gingen verloren, wie man jetzt auch anhand des Namens erkennen kann, der dort steht. Und diesen Vorgang, den nennt man alternatives Splicen.
Das alternatives Splicen kann ein zielgerichteter Vorgang sein, bei dem aus einem einzigen Gen eine ganze Familie verschiedener Proteine entstehen kann. Ziemlich interessant ist auch, dass Wissenschaftler lange Zeit davon ausgingen, dass sie bei Menschen zwischen 80.000 bis 150.000 proteincodierende Gene finden würden. Und zu ihrer Überraschung waren es aber nur 24.000 Gene, sodass die Vielfalt an Proteinen auf alternative Splice-Vorgänge zurückzuführen ist und etwa die Hälfte unserer Gene unterliegt dem alternativen Splicen.
Es wird sogar darüber diskutiert, ob unterschiedlich komplexe Verhaltensweisen mithilfe des alternativen Splicens erklärt werden können. So sind zum Beispiel die Genome von Mensch und Schimpanse etwa gleich groß, aber im menschlichen Gehirn kommt es zu viel mehr alternativen Splice-Vorgängen als beim Schimpansen. Nur ein paar kurze Sätze zur Mikro-RNA, die ebenfalls regulatorisch einwirken kann auf die Genexpression, kommt allerdings nur relativ selten vor. Untersuchungen haben gezeigt, dass auch ein paar nicht-codierende Bereiche, nämlich dann die Intran-Bereiche, transkribiert werden. In diesem Fall entstehen ganz kurze Sequenzen von mRNA, sogenannte Mikro-RNA, die dennoch für keinen Protein kodieren.
Denn es sind ja, wie gesagt, die nicht kodierenden Bereiche. Demnach muss die Mikro-RNA eine andere Funktion erfüllen. Es gibt verschiedene Proteinkomplexe, die schneiden die RNA und dirigieren bzw.
bringen sie zu einer Ziel-MRNA, zu der sie komplementär sind und deshalb die Translation blockieren können. Die Methode der RNA-Interferenz, bei der die Translation der mRNA ebenfalls gehemmt wird, wird an dieser Stelle ausgeklammert. Auch nur ganz kurz, selbst nach der Proteinbiosynthese kann das entstandene Protein noch abgebaut werden.
Mithilfe des Proteasoms sollte der Proteingehalt eines Proteins in der Zelle zu hoch sein. Und das geht wie folgt, es gibt Rot. Protein, was abgebaut werden soll. Ist jetzt deshalb so in Schlangenlinien gezeichnet, weil es einfach die Aminosäure-Sequenz sein soll.
Dann gibt es in blau das Protein Ubiquitin. Und das Ubiquitin hat die Funktion, dass es mithilfe verschiedener Enzyme sich an das abzubauende Protein anlagert. Und fungiert wie ein Marker, der erkannt wird vom Proteasom.
Das Proteasom erkennt das Ubiquitin und lagert sich am Protein an. Und das Ubiquitin. löst sich wieder. Und das Proteasom hydrolysiert das Protein und führt zu dessen Abbau. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass prinzipiell an jeder Stelle auf dem Weg der DNA zum funktionsfähigen Protein die Genaktivität reguliert werden kann.
Zweitens, an unterschiedlichen Stellen sind unterschiedliche Mechanismen aktiv, die wir gerade alle besprochen haben. Und drittens, die Regulation der Genaktivität ist wichtig. Jede Zelle muss ihre korrekte spezialisierte Funktion aufnehmen und aufrecht erhalten.
Eine Leberzelle hat eine andere Funktion als eine Muskelzelle. Und um das zu gewährleisten, müssen bestimmte Proteine genau zum richtigen Zeitpunkt und in den passenden Zellen produziert werden. Und die effektivste Regulation erfolgt dabei auf Transkriptionsebene.
Je früher die Zelle in den Prozess der Proteinbiosynthese eingreift, desto weniger Energie verbraucht sie. Anhand der Tabelle könnt ihr nochmal entnehmen, zu welchem Zeitpunkt der Protein Biosynthese, welcher Prozess, welche Auswirkungen auf die Genexpression hat.