Genetik verstehen: Transkription, Translation und Rekombinante DNA

Genexpression: Lesen und Übersetzung der genetischen Botschaft

Die Übertragung genetischer Informationen von der DNA zu den Proteinen erfolgt über die RNA. Die DNA enthält die primären Informationen, welche die Art der RNA und anschließend den Typ der synthetisierten Proteine bestimmen. Die RNA (Ribonukleinsäure) vermittelt diese genetischen Informationen zu den Orten der Proteinsynthese.

Transkription: Vom Gen zum RNA-Molekül

Genexpression ist der Prozess, bei dem ein Gen abgelesen wird, um zunächst ein RNA-Molekül und anschließend ein Protein zu produzieren.

Initiation der Transkription

Die Genexpression beginnt im Zellkern, wo die Gene abgelesen werden, um ein RNA-Molekül zu bilden, das die genetische Information der DNA enthält.

Was bestimmt die Initiation der Transkription?

Dieser Vorgang läuft in mehreren Stufen ab und involviert spezifische Enzyme. Diese Enzymmaschinerie liest die in einem Gen enthaltene DNA-Sequenz und synthetisiert ein komplementäres RNA-Molekül.

Ablauf der Transkription

1. Chromatin-Dekondensation: Die erste Stufe beinhaltet die Auflockerung des Chromatins. Im „lockeren“ Zustand wirken Enzyme, die auch bei der Replikation beteiligt sind (z. B. Gyrase und Helikase), um die DNA-Stränge zu trennen.
2. RNA-Synthese: Sobald ein Transkriptionsfaktor an eine Region nahe dem Gen gebunden hat, beginnt die RNA-Polymerase mit dem Ablesen der DNA und der Synthese der komplementären mRNA.

Die RNA-Polymerase beginnt die RNA-Synthese, indem sie eine Startsequenz liest, die aus einem der folgenden Trinukleotide besteht: ATT, ATC oder ACT (in der DNA-Matrize).

Der Genetische Code und Codons

In Lebewesen existieren 20 verschiedene Aminosäuren. Jede Aminosäure wird durch Sequenzen von drei Nukleotiden kodiert, die als Codons in der mRNA bezeichnet werden.

• Jedes Codon enthält den Code für eine einzelne Aminosäure.
• Da es nur 20 Aminosäuren gibt, aber 64 mögliche Codons, wird jede Aminosäure oft durch mehr als ein Codon kodiert.
• Aus diesem Grund wird der genetische Code als degeneriert oder redundant bezeichnet.

mRNA-Reifung (Processing)

Die ursprüngliche mRNA (prä-mRNA) erfährt einige Änderungen, bevor sie den Zellkern verlässt.

Introns und Exons:

Die ursprüngliche mRNA besitzt zwei klar definierte Bereiche:

• Introns: Segmente, die nicht an der Synthese der Proteine beteiligt sind. Diese werden im Kern durch Restriktionsenzyme (die wie molekulare Scheren wirken) entfernt.
• Exons: Segmente, welche die Informationen für die Proteinsynthese enthalten.

Der Prozess des Spleißens (Splicing) verbindet die Exons und entfernt die Introns. Dadurch entsteht ein reifes mRNA-Molekül, das kürzer als das Original ist, aber die korrekte Übersetzungsanweisung enthält.

Polyadenylierung:

Hierbei wird eine lange Sequenz von Adenin-Nukleotiden (der sogenannte Poly-A-Schwanz) am Ende der mRNA angefügt. Dies dient als Signal, um den Export der mRNA in das Zytoplasma zu ermöglichen.

Anmerkung zum Editing: Das Problem der Abweichung vom universellen Code (z. B. bei Mitochondrien) wurde teilweise durch den Editing-Prozess gelöst, der 1985 in Einzellern entdeckt wurde. Dabei werden Nukleotidsequenzen der mRNA nach der Kopie verändert, indem falsche Nukleotide ersetzt, eingefügt oder gelöscht werden.

Proteinsynthese: Die Translation der mRNA

Sobald die mRNA gereift ist und den Kern verlassen hat, findet im Zytoplasma die Synthese von Proteinen statt. Dieser Prozess, bei dem die mRNA abgelesen und übersetzt wird, wird Translation genannt.

Die Translation erfolgt am Ribosom, das entlang des mRNA-Moleküls gleitet, welches die Information für die Proteinsynthese enthält.

Mechanismus der Translation

• Startcodon: Das Codon, das die Aminosäure Methionin kodiert, markiert den Anfang aller Proteine.
• Initiationskomplex: Die große Untereinheit des Ribosoms besitzt zwei Hauptbindungsstellen: die Peptidyl-Stelle (P) und die Aminoacyl-Stelle (A).
• tRNA (Transfer-RNA): tRNAs binden an ein spezifisches Codon der mRNA mittels ihres Anticodons. Die tRNA besitzt eine Region, die eine bestimmte Aminosäure bindet.
• Katalytisches Zentrum: Dies ist die Region, in der die Peptidbindung zwischen den Aminosäuren gebildet wird, wodurch lange Aminosäureketten entstehen.

Genetische Mutationen

Mutationen sind Veränderungen im genetischen Material.

Arten von Mutationen

• Chromosomenmutationen: Verändern die Struktur großer DNA-Stücke oder ganzer Chromosomen.
• Punktmutationen: Eine Änderung eines einzelnen Nukleotids.
• Nukleotidsubstitutionen: Werden als Austausch von Nukleotiden bezeichnet.

Somatische und Keimbahnmutationen

Viele somatische Mutationen (die in Körperzellen entstehen) können an Tochterzellen weitergegeben werden, aber sie werden nicht an die Nachkommen vererbt.

Wenn Mutationen jedoch das Genom der Keimzellen betreffen, können sie auf die Nachkommenschaft übertragen werden.

Mutagene (Ursachen von Mutationen)

Mutagene sind Stoffe oder Einflüsse, die direkte Schäden an Nukleosidsequenzen verursachen und zum Bruch oder zur Fragmentierung von Chromosomen führen können.

Klassifizierung von Mutagenen

• Chemische Agentien: Dazu gehören Substanzen in der täglichen Nahrung, Farbstoffe oder Tabakprodukte, die die DNA-Nukleotide verändern können.
• Ionisierende Strahlung: Längere Exposition gegenüber Sonnenlicht oder terrestrischer Strahlung kann Mutationen verursachen.
• Biologische Agentien: Dazu zählen Viren und Bakterien.

Biotechnologie und Gentechnik

Biotechnologie ist die Anwendung von Technik und Biologie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, mehr über zelluläre Prozesse, einschließlich Vererbung und Genexpression, zu erfahren.

Rekombinante DNA-Technologie

Rekombinante DNA ist der Prozess, bei dem Gene einer Art in das Genom einer anderen Art aufgenommen werden.

Herstellung Transgener Organismen

Die Isolierung des gewünschten Gens ist der erste Schritt. Hierfür werden Restriktionsenzyme (bakteriellen Ursprungs) verwendet, die kurze DNA-Sequenzen erkennen und die DNA an spezifischen Stellen schneiden können.

Nach der Isolierung muss die Anzahl der Kopien vervielfältigt werden. Das isolierte Gen wird dafür in das Plasmid von Bakterien aufgenommen.

Anwendungen der Rekombinanten DNA

Wird das Gen in einige Zellen eines erwachsenen Organismus eingebaut, tragen alle Tochterzellen dieses Gen in sich.

• Verbesserung von Pflanzen und Tieren zum Nutzen des Menschen.
• Medizinische Anwendungen: Behandlung von Krankheiten (z. B. Gentherapie).

Transgene Produkte bieten große Vorteile, werfen aber auch Kontroversen auf.

Prionen

Prionen sind Proteine, die in der Lage sind, andere Proteine zu denaturieren. Sie verursachen genetisch bedingte Krankheiten.