Mechanismen der Genexpression und virale Genregulation

Grundlagen der Genregulation

Komponenten der Genregulation

• Promotor (p): Eine Nukleotidsequenz, die an Transkriptionsfaktoren bindet, um die RNA-Polymerase zu initiieren, die ein Gen oder mehrere Gene transkribiert.
• Strukturgene: Kodieren Proteine, die am selben Stoffwechselprozess beteiligt sind. Sie werden ohne Unterbrechung transkribiert, was zu einer polycistronischen mRNA führt, die Informationen für mehrere Proteine trägt.
• Operator (o): Eine Nukleotidsequenz, die sich zwischen dem Promotor und den Strukturgenen befindet.
• Regulatorisches Gen (r): Kann an beliebiger Stelle im Bakterienchromosom liegen und kodiert das Repressorprotein.

Der Transkriptionsprozess

Die Transkription ist der Prozess, bei dem genetische Informationen von DNA in RNA umgeschrieben werden. Sie gliedert sich in drei Hauptphasen:

1. Initiation

Die DNA-RNA-Polymerase erkennt das Startsignal im Promotor und öffnet die DNA-Doppelhelix. Dadurch werden die Einzelstränge für die Elongation zugänglich.

2. Elongation

Die RNA-Polymerase liest den DNA-Matrizenstrang in 3'-5'-Richtung und synthetisiert den komplementären RNA-Strang in 5'-3'-Richtung.

• Eukaryoten: Nach etwa 30 Nukleotiden am 5'-Ende der RNA wird eine Kappe (Methylguanosinphosphat) angefügt. Dieses Signal ist wichtig für den Beginn der Translation.

3. Termination

Die RNA-Polymerase erkennt eine spezifische Terminationssequenz in der DNA, die das Ende der Transkription signalisiert. Die neu synthetisierte RNA löst sich von der DNA-Matrize.

• Prokaryoten: Viele palindromische Basensequenzen (ca. 6 Basenpaare) führen zur Bildung einer Haarnadelschleife in der RNA durch intramolekulare Komplementarität, was die Termination auslöst.
• Eukaryoten: Die RNA-Polymerase transkribiert DNA-Bereiche, die oft länger sind als die tatsächlich für das Protein kodierende Sequenz. An einem bestimmten Punkt stoppt die RNA-Polymerase die Transkription (z.B. nach der Sequenz AAUAAA). Nach der Trennung der RNA fügt ein Enzym am 3'-Ende etwa 200 Adeninnukleotide hinzu, die als Poly-A-Schwanz bezeichnet werden. Dieser Schwanz ist entscheidend für die Reifung und den Transport der RNA aus dem Zellkern.

Virale Genregulation

Viren nutzen verschiedene Strategien, um die Genexpression der Wirtszelle zu kapern und ihre eigenen Gene in einer zeitlich koordinierten Weise zu exprimieren:

• Sofort frühe Gene: Diese Gene werden transkribiert und ihre Proteine synthetisiert, bevor die virale DNA repliziert wird. Die kodierten Proteine können den Zellstoffwechsel blockieren oder die Expression weiterer viraler Gene regulieren.
• Verzögerte frühe Gene: Diese Gene kodieren beispielsweise Desoxyribonukleasen, die die zelluläre DNA hydrolysieren. Die freigesetzten Nukleotide werden dann für die Synthese der viralen DNA verwendet.
• Späte Gene: Diese Gene kodieren Proteine, die für die DNA- und RNA-Replikation, den Aufbau des viralen Kapsids (Kapsidproteine) und die Freisetzung der Viren aus der Zelle (z.B. Lysozym) notwendig sind.