Genexpression, Regulation und Mutationen

Bau der DNA und Replikation

Ein Nukleotid besteht aus drei Teilen: dem Zucker Desoxyribose, einem Phosphatrest und einer (Stickstoff-)Base (A, T, G oder C). Im Einzelstrang verbindet eine Phosphodiesterbindung das Phosphat des einen Nukleotids mit dem Zucker des nächsten. So entsteht das Zucker-Phosphat-Rückgrat, an dem die Basen nach innen zeigen.

Zwei Einzelstränge bilden eine Doppelhelix. Sie liegen antiparallel: Der eine Strang läuft 5′→3′, der Gegenstrang 3′→5′. Die Basen paaren sich komplementär über Wasserstoffbrücken: A–T mit 2, G–C mit 3 Wasserstoffbrücken.

Als Beleg für die Basenpaarung dienen die Chargaff-Regeln: In jeder doppelsträngigen DNA gilt A = T und G = C, also A + G = 50 % (Purine = Pyrimidine).

Semikonservative Replikation

Vor jeder Zellteilung wird die DNA verdoppelt. Die Doppelhelix wird an der Replikationsgabel durch die Helikase aufgetrennt. Jeder alte Strang dient als Matrize. Die DNA-Polymerase fügt komplementäre Nukleotide an, aber nur in 5′→3′-Richtung und nur an ein vorhandenes Ende. Dafür setzt die Primase zuerst einen kurzen RNA-Primer. Am Leitstrang geht das kontinuierlich. Am Folgestrang entstehen Okazaki-Fragmente, die die Ligase verknüpft. Die Bausteine sind Nukleosidtriphosphate: Ihre Spaltung liefert die Energie für die Verknüpfung, die Replikation hat also einen Energiebedarf.

Ergebnis: Jede neue Doppelhelix besteht aus einem alten und einem neuen Strang. Das nennt man semikonservativ.

Meselson-Stahl-Versuch

Wie kam man auf die semikonservative Replikation? Es standen drei Hypothesen zur Wahl: konservativ (alte Doppelhelix bleibt, neue entsteht ganz neu), semikonservativ und dispersiv (gemischte Stücke). Bakterien wurden in schwerem ¹⁵N-Medium gezüchtet und dann in leichtes ¹⁴N-Medium überführt. Die DNA wurde im Dichtegradienten aufgetrennt.

Deutung: In Generation 1 gibt es nur eine mittlere Bande. Das schließt die konservative Hypothese aus (sie ergäbe eine schwere und eine leichte Bande). In Generation 2 treten mittlere und leichte Bande auf. Das schließt die dispersive Hypothese aus (sie ergäbe nur eine immer leichter werdende Bande) und passt zur semikonservativen Replikation.

Von der DNA zum Protein

Die Information liegt in der Basenfolge. Sie wird in zwei Schritten zum Protein:

1. Transkription: Die RNA-Polymerase liest den codogenen Strang (Matrizenstrang) ab und baut eine komplementäre mRNA auf (statt T steht U). Die mRNA wird 5′→3′ synthetisiert, der Matrizenstrang wird 3′→5′ gelesen.

2. Translation: Am Ribosom werden Codons der mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt.

Der genetische Code: Drei Basen (ein Triplett, auf der mRNA Codon) codieren eine Aminosäure. Er ist degeneriert (mehrere Codons für eine Aminosäure), eindeutig (ein Codon, eine Aminosäure) und universell. AUG ist das Startcodon (Met), UAA, UAG und UGA sind Stoppcodons. Die Code-Sonne wird in der Klausur als Material mitgegeben, Sie müssen sie nicht auswendig kennen.

Die tRNA ist der Adapter: An einem Ende trägt sie eine bestimmte Aminosäure, am anderen das Anticodon, das zum Codon komplementär ist. Die Ribosomen lesen das Leseraster Codon für Codon, die Aminosäuren werden durch Peptidbindungen verknüpft.

Prokaryoten und Eukaryoten im Vergleich

Bei Eukaryoten sind die Prozesse räumlich getrennt (Kompartimentierung): Die Transkription läuft im Zellkern, die Translation im Cytoplasma an den Ribosomen. Die Primärtranskript (prä-mRNA) wird vor dem Export prozessiert:

• Spleißen: Die nicht codierenden Introns werden herausgeschnitten, die Exons verknüpft.

• 5′-Cap am Anfang und Poly-A-Schwanz am Ende schützen die mRNA vor Abbau und erleichtern die Translation.

Bei Prokaryoten (z. B. Escherichia coli) gibt es keinen Zellkern. Die Translation beginnt schon an der noch entstehenden mRNA, Transkription und Translation sind gekoppelt. Spleißen findet bei Bakterien in der Regel nicht statt.

Genmutationen

Eine Genmutation ist eine Veränderung der Basensequenz eines Gens. Sie wirkt in der Kette DNA → mRNA → Protein → Merkmal.

Fehlen oder entstehen drei Basen (oder ein Vielfaches), bleibt das Leseraster erhalten. Es fehlt oder kommt nur eine Aminosäure dazu. Bei einer Rasterschiebung ändern sich alle Codons ab der Mutationsstelle, oft folgt schnell ein Stoppcodon.

Wie ein verändertes Protein einen anderen Phänotyp erzeugt, zeigt die Sichelzellanämie: Eine Substitution ersetzt in der β-Kette des Hämoglobins eine Aminosäure, das Hämoglobin verklumpt bei Sauerstoffmangel, die roten Blutzellen verformen sich.

Mutationen liefern neue Allele und sind damit ein Evolutionsfaktor.

Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten

Leber- und Muskelzellen haben dieselbe DNA, aber verschiedene Gene sind aktiv (differenzielle Genexpression, Grundlage der Zelldifferenzierung). Die Regulation sorgt auch dafür, dass nur so viel Genprodukt entsteht, wie die Zelle braucht (Homöostase).

Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren (TF) sind Proteine, die an bestimmte DNA-Abschnitte binden. Am Promotor setzt die RNA-Polymerase an. Enhancer sind weiter entfernte Bindestellen. Ein Aktivator bindet an den Enhancer und fördert über den Promotor die Transkription. Ein Repressor hemmt sie. Meist wirken mehrere TF zusammen.

DNA-Methylierung (Epigenetik)

Enzyme hängen Methylgruppen an Cytosin-Basen, vor allem im Promotorbereich. Ein methylierter Promotor ist für die Transkription schlecht zugänglich, das Gen ist ruhiggestellt. Die DNA-Sequenz bleibt dabei gleich. Die Gesamtheit solcher Markierungen heißt Epigenom. Methylierungsmuster können bei Zellteilungen weitergegeben werden und von Umwelteinflüssen (z. B. Ernährung) abhängen.

Vom Anfang zurück: Gleiche DNA ergibt ungleiche Zellen, weil in jedem Zelltyp andere Transkriptionsfaktoren vorliegen und andere Bereiche methyliert sind, sodass jeweils andere Gene aktiv sind.

Auf einen Blick

• DNA: Nukleotide (Desoxyribose, Phosphat, Base), antiparallele Doppelhelix, A–T (2 H-Brücken), G–C (3), Chargaff: A = T, G = C.

• Replikation: semikonservativ (Meselson-Stahl), Helikase, Primase, DNA-Polymerase 5′→3′, Leit- und Folgestrang, Ligase.

• Transkription: Matrizenstrang → mRNA. Translation: Codon–Anticodon am Ribosom, Code degeneriert, eindeutig, universell.

• Eukaryoten: Spleißen, Cap, Poly-A, räumliche Trennung. Prokaryoten: gekoppelte Transkription und Translation.

• Genmutationen: stumm, Missense, Nonsense, Rasterschiebung bei Insertion und Deletion.

• Regulation: Transkriptionsfaktoren (Promotor, Enhancer) und DNA-Methylierung.