Genregulation
- Eukaryonten -

Für Eukaryonten steht die Genregulation in enger Verbindung mit der Aufrechterhaltung einer Homöostase - einem stabilen inneren Milieu - in Gegenwart von ständig wechselnden äußeren Bedingungen. Vielzellige Organismen benötigen unterschiedliche Gene zu verschiedenen Zeitpunkten des Wachstums, der Differenzierung und Entwicklung verschiedener Gewebe. Sie haben komplexe Kontrollmechanismen in der Genexpression um eine gezielte und präzise Funktion des Organismus und der verschiedenen Gewebe zu gewährleisten. Die Proteinsynthese durch Transkription und Translation ist bei Eukaryonten, wie gesagt, deutlich komplexer und damit komplizierter als bei den Prokaryonten. Aufgrund der aufwändigeren Strukturierung der eukaryontischen Zelle sind auch aufwändigere Mechanismen vorhanden.

Da die Zelle über einen "echten" Zellkern mit Membran verfügt und Transkription und Translation in unterschiedlichen Kompartimenten der Zelle stattfinden, nämlich Transkription im Kern und Translation im Cytoplasma, gibt es hier eine weitere Möglichkeit zum Umbau der genetischen Information. Das sogenannte Processing findet zwischen diesen beiden Vorgängen statt.
Wir sprechen beim Transkriptionvorgang eukaryontischer Gene von den Promotoren mit ihrer der sogenannten TATA-Box (Name durch Fülle an Basen T=Thymin und A=Adenin in diesem Abschnitt), den Transkriptionsfaktoren und den RNA-Polymerasen. Transkriptionsfaktor und RNA-Polymerase II (bei den Eukaryonten gibt es drei verschiedene RNA-Polymerasen I, II, III) bilden den Initiationskomplex, der, wenn möglich, an die TATA-Box (Startpunkt der Transkription) des Promotors bindet und mit der Transkription beginnt. Enhancer (Verstärker) sind ein weiteres Regulationselement auf der DNA der Eukaryonten. Sie liegen ohne direkten Orientierungsbezug zum Promotor auf der DNA, beeinflussen diesen aber in seiner Aktivität und steigern die Transkriptionsrate (höhere Affinität des Promotors für RNA-Polymerase, gesteigerte Ableserate der RNA-Polymerase).


Es gibt im Gegensatz zu den Prokaryonten, bedingt durch die Trennung mittels der Kernmenran, zusätzlich noch die Möglichkeit des Regulierens vor der Translation (Proteinsynthese). Hier wird das Produkt der Transkription die prä-mRNA noch durch die Vorgänge des posttranskriptionalen Processing verändert. Splicing (engl.; to splice= verbinden, verkleben) , Capping (zur Stabilisierung und zum Transport durch die Kernwandporen) und Polyadenylierung (zum Schutz vor Abbau durch Enzyme) machen aus der prä-mRNA die eigentlich zu translozierende mRNA, welche in das Protein übersetzt wird. Das Spleißen (Herausschneiden der nicht codierenden Introns und Zusammenfügen der für mRNA codierenden Exons) der prä-mRNA (Vorstufe der mRNA im Nukleus) ist variabel und daher ein entscheidender Einflussfaktor für die Regulation der Proteinbiosynthese.
Mögliche des Ansätze der Regulation auf der Ebene der Gene in der Proteinsynthese werden in Abb. 1 verdeutlicht.

Genexpression beginnt mit der Transkription und endet mit einem Enzym, welches eine spezielle chemische Teilreaktion katalysiert, oder mit einem Struktur-/ Stoffwechselprotein. Die Expression eines Gens kann bei den Eukaryonten auf den nachfolgend aufgelisteten Stufen der Genaktivität reguliert werden:

 

 

 

 

 

 

 

 

Auch die Struktur der DNA ist ausschlaggebend für deren Expression und hat damit regulatorischen Einfluss. Es gibt bei der Betrachtung von Chromosomen unterschiedlich stark kondensierte (aufgewundene) DNA. Das Heterochromatin ist sehr stark kondensiert und das Euchromatin liegt als lockere Spirale vor. Bei einer Färbung dieser zwei Formen von DNA würde ein stärker gefärbter Bereich auffallen, das Heterochromatin. Der blassgefärbte Bereich ist der transkriptional aktive DANN-Abschnitt. Hier findet man bei mikroskopischer Analyse dementsprechend auch viel mRNA.

 

Abb. 1: Regulationsebenen

Ein Paradebeispiel für die Unterschiedliche Struktur und die damit zusammenhängende unterschiedliche Transkriptionsleistung sind die Riesenchromosomen der Drosophilalarve. Diese weist an den Stellen der locker aufgewundenen, aktiven DNA Verdickungen, sogenannte Puffs auf. Diese Puffs bilden in bestimmten Entwicklungsstadien oder Geweben charakteristische Muster, was ein Hinweis auf die differenzielle Genaktivität eines Organismus ist. Das die Genexpression regulierbar ist zeigt sich, wenn Hormone eines bestimmten Entwicklungsstadiums in eine Drosophilalarve eingeschleust werden. Dann wird das entsprechende Puffmuster gebildet, und folglich werden die zu diesem Zeitpunkt nötigen Proteine durch die Genaktivierung synthetisiert.

Aufgabe: Die zuvor benannten Riesenchromosomen entstehen durch vielfache DNA-Replikation ohne die nachfolgende Trennung durch Mitosemchanismen. Somit entsteht ein Chromosom mit teilweise 1000facher Kopie der Chromatiden. Riesenchromosomen können in der Speicheldrüse der Taufliege (Drosophila melanogaster) gefunden werden. Beschreiben sie die Struktur der DNA des Riesenchromosoms in Abb??? => Bei mikroskopischer Betrachtung fallen Verdickungen auf! Erklären sie die unterschiedliche Ausbreitung der DNA!
Stark dekondensierte DANN => verstärkte Genaktivität & RNA-Synthese => gesteigerte Speichelproduktion => verbesserte/beschleunigte Nahrungsaufnahme und dadurch gute Energieversorgung des Organismus!

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