Ebenen der Genregulation bei Eukaryoten

Die Genregulation bei Eukaryoten kann an verschiedenen Stellen des Wegs vom Gen zum Protein erfolgen. Diese Kontrolle ist deutlich komplexer als bei Prokaryoten und ermöglicht eine präzisere Anpassung an Umweltbedingungen.

Die wichtigsten Regulationsebenen sind:

• Vor der Transkription: Durch DNA-Methylierung und Histon-Acetylierung (epigenetische Mechanismen)
• Während der Transkription: Durch Transkriptionsfaktoren, die als regulatorische Proteine wirken
• Nach der Transkription, vor der Translation: Durch RNA-Prozessierung und alternatives Spleißen
• Während der Translation: Durch Mikro-RNAs
• Nach der Translation: Durch Proteinabbau im Proteasom

Die effektivste Regulation findet auf der Transkriptionsebene statt, da hier bereits frühzeitig verhindert werden kann, dass unnötige RNAs produziert werden.

Wichtig zu wissen! An prinzipiell jeder Stelle auf dem Weg vom Gen zum Protein kann die Genaktivität reguliert werden. Diese mehrstufige Kontrolle ist ein wesentlicher Unterschied zur Genregulation bei Prokaryoten.

Chromatinstruktur und DNA-Modifikation

Die Struktur des Chromatins selbst hat entscheidenden Einfluss auf die Genexpression. Je nachdem, wie stark die DNA kondensiert ist, können Gene aktiviert oder deaktiviert werden.

Im Heterochromatin ist die DNA sehr stark kondensiert:

• Die Histone sind dicht gepackt
• Diese Bereiche sind transkriptional inaktiv, da Gene unzugänglich sind
• Hemmung erfolgt durch DNA-Methylierung und Histon-Methylierung
• Deacetylierung der Histone verstärkt die Verdichtung

Im Euchromatin liegt die DNA als lockere Spirale vor:

• Die Histone sind locker gepackt
• Diese Bereiche sind transkriptional aktiv
• Förderung der Transkription durch Histon-Acetylierung
• Entfernung des Histons H1 und Phosphorylierung können ebenfalls aktivierend wirken

Die Genregulation auf Chromatin-Ebene ist ein wesentlicher Kontrollmechanismus. Eine methylierte DNA führt dazu, dass die RNA-Polymerase den Doppelstrang nicht öffnen kann und somit die Transkription verhindert wird.

Merke dir: Kondensierte DNA (Heterochromatin) ist inaktiv, während lockere DNA (Euchromatin) aktiv ist. Die chemische Modifikation der DNA und der Histone entscheidet über die Zugänglichkeit der Gene!

Transkriptionsfaktoren und ihre Funktion

Transkriptionsfaktoren sind wichtige Proteine in der Genregulation bei Eukaryoten, die direkt an die DNA binden oder Protein-Protein-Wechselwirkungen eingehen können. Sie wirken entweder auf Chromatinebene oder bei der Initiation der Transkription.

Bei der Transkriptionskontrolle unterscheiden wir zwischen:

Enhancer (Verstärker):

• Sequenzabschnitte, die die Transkription verstärken
• Bestimmen die zeitliche und räumliche Spezifität der Genexpression
• Können vor, in oder hinter dem zu regulierenden Gen liegen
• An Enhancer binden Aktivatorproteine, die die Transkriptionsrate erhöhen

Silencer (Unterdrücker):

• Sequenzabschnitte, die die Transkription hemmen
• Bestimmen ebenfalls die räumliche Spezifität
• An Silencer binden Repressorproteine, die die Transkription unterdrücken

Wichtig ist: Sowohl Enhancer als auch Silencer arbeiten orientierungs- und positionsunabhängig! Sie können durch DNA-Schleifenbildung mit weit entfernten Transkriptionskomplexen in Kontakt treten.

Gut zu wissen: Spezifische Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte DNA-Sequenzen und regulieren dadurch gezielt die Expression einzelner Gene. Dies unterscheidet sie von den allgemeinen Transkriptionsfaktoren, die für die Transkription aller Gene benötigt werden.

Posttranskriptionale Kontrolle

Nach der Transkription gibt es weitere Möglichkeiten zur Genregulation bei Eukaryoten – noch bevor die Translation beginnt. Die wichtigsten Mechanismen sind:

Das alternative Spleißen ist ein zielgerichteter Vorgang:

• Introns $nicht-codierende Abschnitte$ werden durch Spleißenzyme entfernt
• Exons (codierende Abschnitte) werden zum Leserahmen verbunden
• Durch unterschiedliche Kombinationen der Exons können aus einem Gen verschiedene Proteine entstehen
• Diese Flexibilität erlaubt es Eukaryoten, mit relativ wenigen Genen viele verschiedene Proteine zu erzeugen

Die Poly-Adenylierung beeinflusst die Stabilität der mRNA:

• Ein Poly-A-Schwanz wird am 3'-Ende der mRNA angehängt
• Er schützt die mRNA vor dem Abbau durch Enzyme
• Die Länge des Poly-A-Schwanzes kann die Lebensdauer der mRNA bestimmen

Das RNA-Editing verändert die RNA-Sequenz nach der Transkription:

• Basen können eingefügt, entfernt oder umgewandelt werden
• Dies führt zu Unterschieden zwischen der DNA-Sequenz und der mRNA

Klausurtipp: Das alternative Spleißen ist ein wichtiger Unterschied zur Genregulation bei Prokaryoten, die keine Introns besitzen. Es ermöglicht Eukaryoten, ihre Proteinvielfalt zu erhöhen, ohne mehr Gene zu benötigen!

Translationale Kontrolle und Epigenetik

Die Genregulation setzt sich auch während und nach der Translation fort. Hier sind wichtige Mechanismen:

Bei der translationalen Kontrolle spielen Mikro-RNAs eine zentrale Rolle:

• Diese kurzen RNAs codieren keine Proteine
• Sie sind komplementär zu bestimmten mRNAs
• Sie können die Translation hemmen oder die Existenzdauer der mRNA regulieren
• Mehrere Ribosomen können an einer mRNA arbeiten (Polysomen)

Nach der Translation erfolgt die Kontrolle durch das Proteasom:

• Proteine, die abgebaut werden sollen, werden mit Ubiquitin markiert
• Das Proteasom erkennt diese Markierung und baut das Protein ab
• So können überflüssige oder fehlerhafte Proteine entfernt werden

Die Epigenetik ist ein wichtiger Teil der Genregulation bei Eukaryoten:

• Epigenetische Mechanismen beruhen auf chemischen Modifikationen der DNA
• Sie werden durch Umwelteinflüsse hervorgerufen und können vererbt werden
• Sie verändern die Struktur der DNA, ohne den genetischen Code zu verändern
• Diese Veränderungen sind reversibel

Die drei Hauptmechanismen der Epigenetik sind:

1. DNA-Methylierung (nur bei Eukaryoten)
2. Histon-Acetylierung
3. RNA-Interferenz

Besonders wichtig: Die Epigenetik erklärt, wie Umweltfaktoren die Genexpression beeinflussen können, ohne die DNA-Sequenz zu verändern. Diese Veränderungen können sogar an Nachkommen weitergegeben werden!

DNA-Methylierung und Histon-Modifikation

Die DNA-Methylierung ist ein wichtiger epigenetischer Mechanismus, der nur bei Eukaryoten vorkommt:

• Sie erfolgt an CpG-Inseln $Regionen mit vielen Cytosin-Guanin-Paaren$
• Diese Inseln befinden sich oft in Promotorregionen
• Durch Methyl-Transferasen wird eine Methylgruppe an eine Cytosin-Base angeheftet
• An die modifizierte DNA binden sich Proteine, die die Transkription unterdrücken
• Die Methylgruppen verhindern, dass die RNA-Polymerase den DNA-Doppelstrang öffnen kann

Diese Methylierungen können durch Demethylierung entfernt werden:

• Dadurch wird das Gen reaktiviert
• Die DNA-Methylierung kann vererbt werden, ist aber reversibel
• Sie bildet das "Gedächtnis der Genregulation"

Die Histon-Acetylierung ist ein weiterer epigenetischer Mechanismus:

• Durch Histon-Acetyltransferasen werden Acetylreste auf Lysin-Reste der Histone übertragen
• Die positiven Ladungen der Histone werden verringert
• Die negativ geladene DNA wird weniger stark gebunden
• Das Chromatin wird gelockert
• Die DNA wird für die RNA-Polymerase zugänglich
• Heterochromatin wird in Euchromatin umgewandelt

Der umgekehrte Prozess, die Deacetylierung, führt zur Umwandlung von Euchromatin in Heterochromatin und hemmt die Genexpression.

Prüfungsrelevant: Epigenetische Mechanismen werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter Entwicklung, Umweltchemikalien, Medikamente, Alter und Ernährung. Veränderungen in diesen Bereichen können die Genregulation ohne Änderung der DNA-Sequenz beeinflussen!

RNA-Interferenz und Genregulation

Die RNA-Interferenz (RNAi) ist der dritte wichtige epigenetische Mechanismus in der Genregulation bei Eukaryoten. Sie dient vor allem der Abwehr fremder RNA, zum Beispiel von Viren.

Bei RNAi wird die Translation bestimmter mRNA-Moleküle verhindert:

• Die mRNA wird im Zytoplasma durch spezifische RNA-Protein-Komplexe zerlegt
• Verschiedene RNA-Formen wie Antisense-RNA (asRNA) und doppelsträngige RNA (dsRNA) sind beteiligt
• Die Injektion von dsRNA liefert einen besseren "Silencing-Effekt" als große Mengen von antisense Transkripten
• Die nicht vollständige Repression durch RNAi wird als "Knock-Down" bezeichnet

Der Ablauf der RNA-Interferenz erfolgt in vier Schritten:

1. Am Promotor eines Gens dockt eine Polymerase an und transkribiert mRNA. Gleichzeitig werden Gene für mikro-RNA aktiviert. Diese bildet eine komplementäre Schleifenstruktur.

2. Das Enzym Drosha schneidet die Schleifenform und erzeugt prä-mikroRNA. Das Enzym Dicer schneidet den Haarnadelkopf ab und erzeugt fertige doppelsträngige mikroRNA.

3. Die mikro-RNA verbindet sich mit Argonauten-Proteinen zu einem prä-RISC-Komplex. Die mikroRNA spaltet diesen in einen Einzelstrang und bildet den Leitstrang.

4. Der RISC-Komplex heftet sich komplementär an die mRNA und zerschneidet oder blockiert so die Translation.

Forschungsrelevant: RNA-Interferenz wird in der Forschung häufig zur gezielten Inaktivierung von Genen eingesetzt. Mit ihrer Hilfe können Wissenschaftler die Funktion bestimmter Gene untersuchen, indem sie deren Expression verhindern.

Zellzyklus und Interphase

Der Zellzyklus beschreibt die Abfolge von Ereignissen, die zur Teilung einer Zelle führen. Er ist ein entscheidender Prozess, dessen Störung zu Krankheiten wie Krebs führen kann.

Die Interphase ist die Phase zwischen zwei Zellteilungen und besteht aus drei Unterphasen:

1. G1-Phase (erste Wachstumsphase):

   • Die Zelle wächst
   • Organellen und andere Bestandteile des Cytoplasmas vermehren sich
   • RNA- und Proteinsynthese finden statt
   • Vorbereitung zur DNA-Replikation

2. S-Phase (Synthesephase):

   • Die chromosomale DNA wird repliziert
   • Das Signal zur erneuten Zellteilung wird erhalten
   • Die Chromatiden werden verdoppelt

3. G2-Phase (zweite Wachstumsphase):

   • Die Zelle wächst weiter
   • Vorbereitung zur Teilung
   • Übergang in die M-Phase
   • Kontrolle der Replikationsgenauigkeit

Nach der Interphase folgt die M-Phase (Mitosephase), die aus der Kernteilung (Mitose) und der Zellteilung (Cytokinese) besteht.

Eine Besonderheit ist die G0-Phase, in der sich Zellen befinden, die sich nicht teilen. Manche Zellen verbleiben dauerhaft in dieser Phase, andere können unter bestimmten Umständen wieder in den Zellzyklus eintreten.

Merkhilfe: G1, S, G2 $Interphase$ = Vorbereitung, Verdopplung, Vorkontrolle. In der Interphase verbringt die Zelle etwa 90% ihrer Lebenszeit, während die eigentliche Teilung relativ schnell abläuft!

Mitose und Cytokinese

Die M-Phase besteht aus der Mitose (Kernteilung) und der Cytokinese (Teilung des Cytoplasmas). Die Mitose ist in mehrere Phasen unterteilt:

Prophase:

• Chromatinfasern kondensieren zu sichtbaren Chromosomen
• Die Nucleoli verschwinden
• Jedes duplizierte Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden
• Der mitotische Spindelapparat bildet sich aus Mikrotubuli

Prometaphase:

• Die Kernhülle fragmentiert
• Mikrotubuli dringen in die Kernregion ein
• An den Centromeren der Chromosomen bilden sich Kinetochore
• Kinetochor-Mikrotubuli verbinden die Chromosomen mit den Spindelpolen

Metaphase:

• Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene (Metaphasenplatte) an
• Die Centrosomen befinden sich an den gegenüberliegenden Enden der Zelle
• Die Kinetochore der Schwesterchromatiden sind mit Mikrotubuli der gegenüberliegenden Pole verbunden

Anaphase:

• Die Kohäsin-Proteine werden gespalten
• Die Schwesterchromatiden trennen sich und werden zu eigenständigen Chromosomen
• Sie bewegen sich zu den entgegengesetzten Enden der Zelle
• Die Zelle wächst in die Länge

Telophase:

• Zwei Tochterkerne bilden sich
• Die Kernhüllen entstehen neu
• Die Nucleoli erscheinen wieder
• Die Chromosomen dekondensieren
• Die Spindel-Mikrotubuli lösen sich auf

Gut zu wissen: Die Anaphase ist die kürzeste Phase der Mitose und dauert oft nur wenige Minuten. In dieser kurzen Zeit wird jedoch die entscheidende Trennung der Chromosomen vollzogen, die für eine korrekte Verteilung des genetischen Materials sorgt.

Cytokinese und Zellzykluskontrolle

Die Cytokinese (Teilung des Cytoplasmas) beginnt meist schon in der späten Telophase:

• Bei Eukaryoten wird das Cytoplasma durch einen kontraktilen Ring aus Aktin und Myosin durchgeschnürt
  • Aktin ist ein Strukturprotein des Zytoskeletts $1-10$
  • Myosin ist ein Motorprotein, das an der Umwandlung chemischer Energie in Bewegung beteiligt ist
• Im Bereich der ehemaligen Äquatorialebene bildet sich bei Pflanzen eine Zellplatte (Phragmoplast)
• Diese wird zur Mittellamelle, auf die beiderseits Primärwände abgelagert werden

Die Kontrolle des Zellzyklus erfolgt an drei wichtigen Kontrollpunkten:

1. G1-Kontrollpunkt $zwischen G1- und S-Phase$:

   • Überprüft die Zellgröße
   • Bewertet, ob die Umgebungsbedingungen günstig sind
   • Kontrolliert, ob die DNA beschädigt ist

2. G2-Kontrollpunkt $zwischen G2- und M-Phase$:

   • Überprüft den Replikationsgrad der DNA
   • Kontrolliert die Zellgröße
   • Aktiviert die Mitose-Maschinerie

3. Metaphase-Kontrollpunkt $zwischen M- und G1-Phase$:

   • Überprüft, ob die Chromosomen richtig in der Äquatorialebene angeordnet sind
   • Kontrolliert, ob die Kinetochore mit den Mikrotubuli verbunden sind und unter Zugspannung stehen

Klausurtipp: Die Kontrollpunkte des Zellzyklus sind entscheidend, um Fehler bei der Zellteilung zu verhindern. Defekte in diesen Kontrollmechanismen können zu unkontrolliertem Zellwachstum und letztendlich zu Krebs führen.