Die Genexpression ist ein zellulärer Prozess, bei dem die in einem bestimmten Gen kodierte Information verwendet wird, um ein funktionelles Protein oder ein RNA-Molekül herzustellen. Es kommt in allen bekannten Lebensformen vor, einschließlich Eukaryoten, Prokaryoten sowie Viren. Die Transkription eines Gens in ein mRNA-Molekül und die Translation der mRNA in eine Polynukleotidkette eines funktionellen Proteins sind als zentrales Dogma der Molekularbiologie bekannt. Die Genexpression kann in verschiedenen Schritten des Prozesses reguliert werden, wie Transkription, posttranskriptionelle Modifikationen, Translation und posttranslationale Modifikationen. Die unterschiedliche Expression von Genen ermöglicht es der Zelle, die für das Funktionieren der Zelle erforderliche Menge an Proteinen zu produzieren.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

1. Was ist Genexpression? – Definition, Transkription, Übersetzung 2. Wie wird die Genexpression reguliert? – Definition, Regulation bei Eukaryoten und Prokaryoten

Schlüsselbegriffe: Eukaryoten, Genexpression, mRNA, Prokaryoten, Protein, Transkription, Translation

Was ist Genexpression?

Genexpression ist der Prozess, bei dem genetische Anweisungen verwendet werden, um Genprodukte zu synthetisieren. Im Allgemeinen fließt die Information von DNA über mRNA zu Protein. Die beiden Hauptschritte der Genexpression sind Transkription und Translation. Das zentrale Dogma der Molekularbiologie ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Zentrales Dogma der Molekularbiologie

Transkription

Transkription bezieht sich auf den Vorgang, die Informationen eines Gens in ein neues RNA-Molekül zu kopieren. Es ist der erste Schritt der Genexpression sowohl in Eukaryoten als auch in Prokaryoten. Die RNA-Polymerase ist das Enzym, das an der Transkription beteiligt ist. Bei der Transkription werden drei verschiedene RNA-Typen produziert: Messenger-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA). Die mRNA trägt die genetische Information vom Zellkern zum Zytoplasma. Die tRNA ist eine Adapter-RNA, die als physikalisches Bindeglied zwischen mRNA und Aminosäuren dient. Die rRNA bildet die integralen Bestandteile des Ribosoms. Der Transkriptionsprozess ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Transkription

Bei einigen Viren ist das genetische Material jedoch RNA mit negativem Sinn. Hier transkribiert die RNA-abhängige RNA-Polymerase die negative Sense-RNA in eine mRNA.

Posttranskriptionelle Modifikationen

Posttranskriptionelle Modifikationen beziehen sich auf den Prozess der Umwandlung des primären RNA-Transkripts in ein reifes mRNA-Molekül. Sie kommen hauptsächlich in der eukaryontischen Genexpression vor. Das durch die Transkription produzierte mRNA-Molekül ist als primäres RNA-Transkript oder Prä-mRNA bekannt. Es wird in vier Schritten verarbeitet, um das reife mRNA-Molekül herzustellen: 5’-Capping, Polyadenylierung und alternatives Spleißen. Die 5’ Kappen ist die Anfügung eines GTP an das 5'-Ende des prä-mRNA-Moleküls. Polyadenylierung ist die Anfügung eines Poly-A-Schwanzes an das 3'-Ende des prä-mRNA-Moleküls. Sowohl die 5’-Kappe als auch der Poly-A-Schwanz verhindern den Abbau des mRNA-Moleküls. Eukaryontische Gene bestehen aus Introns und Exons. Nur Introns werden für die Aminosäuresequenz eines Gens kodiert. Daher werden Exons während des RNA-Spleißens entfernt. Alternatives Spleißen ist die Herstellung von kodierenden Sequenzen mehrerer Polypeptidketten durch Kombination verschiedener Intronmuster. Die posttranskriptionelle Modifikation in eukaryotischer mRNA ist in 3 gezeigt.

Abbildung 3: Posttranskriptionelle Modifikationen

Die meisten prokaryotischen Gene kommen in Clustern vor, die als Operons bekannt sind. Die Operons bestehen aus mehreren funktionell verwandten Genen, die von einem einzigen Promotor reguliert werden. Sie transkribieren, um ein polycistronisches mRNA-Molekül zu produzieren, das mehrere funktionell verwandte Proteine ​​synthetisiert.

Übersetzung

Translation bezieht sich auf den Prozess, bei dem der genetische Code, der von einem mRNA-Molekül getragen wird, entschlüsselt wird, wodurch eine Polypeptidkette eines bestimmten Proteins entsteht. Es kommt im Zytoplasma durch Ribosomen vor. An der Bestimmung jeder Aminosäure in der Polypeptidkette ist ein System von drei Aminosäuren beteiligt. Die drei Nukleotide in der mRNA, die eine Aminosäure darstellen, werden als Codon bezeichnet. Das vollständige Codon-System wird als genetischer Code bezeichnet. Verschiedene tRNA-Moleküle enthalten Anticodons, die sich mit jedem Codon in der mRNA fixieren. Somit tragen sie die entsprechende Aminosäure für die Synthese der Polypeptidkette. Die Übersetzung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Übersetzung

Post-translationale Modifikationen

Posttranslationale Modifikationen sind die kovalente und enzymatische Modifikation der Polypeptidkette eines funktionellen Proteins. Zur Herstellung eines funktionellen Proteins werden verschiedene Polysaccharid-, Lipid- oder anorganische Gruppen hinzugefügt. Diese Modifikationen werden als Glykosylierung, Phosphorylierung, Sulfatierung usw. bezeichnet. Es können auch verschiedene Cofaktoren hinzugefügt werden, um die Funktion des Proteins zu regulieren. Die posttranslationalen Modifikationen des Insulinproteins sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Posttranslationale Modifikationen

Wie wird die Genexpression reguliert?

Die Zelle reguliert die Genexpression, um die Anzahl der in der Zelle produzierten Proteine ​​zu erhöhen oder zu verringern. In Eukaryoten kann dies durch die verschiedenen Schritte der Genexpression wie Transkription, posttranskriptionelle Modifikationen, Translation und posttranslationale Modifikationen erreicht werden. Bei Prokaryonten wird die Regulation der Genexpression jedoch während der Initiierung der Genexpression erreicht.

Abschluss

Die Produktion von funktionellen Proteinen innerhalb der Zelle wird durch die Expression von Genen im Genom erreicht. Die beiden Hauptschritte der Genexpression sind Transkription und Translation in allen Arten von lebenden Organismen, einschließlich Eukaryonten, Prokaryonten und Viren. Transkription ist die Produktion eines mRNA-Moleküls basierend auf der Nukleotidsequenz des Gens. Translation ist die Produktion einer Polypeptidkette basierend auf der Codonsequenz des mRNA-Moleküls. Bei Eukaryoten kann die Genexpression sowohl auf transkriptioneller als auch auf translationaler Ebene reguliert werden. Allerdings wird die Genexpression in Prokaryoten während der Transkriptionsinitiation reguliert.

Referenz:

1. „10.3.1 Genexpression und Proteinsynthese.“ Pflanzen in Aktion, hier erhältlich.

Bild mit freundlicher Genehmigung:

1. „Zentrales Dogma der molekularen Biochemie mit Enzymen“ Von Dhorspool bei en.wikipedia (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia 2. „Prozess der Transkription (13080846733)“ Von Genomics Education Program – Transkriptionsprozess (CC BY 2.0) über Commons Wikimedia 3. „Abbildung 15 03 02“ Von CNX OpenStax – (CC BY 4.0) über Commons Wikimedia 4. „0324 DNA Translation and Codons“ Von OpenStax – (CC BY 4.0) über Commons Wikimedia 5. „Insulinpfad“ Von Hochgeladen von Fred the Oyster (CC BY-SA 4.0) über Commons Wikimedia