Genetik

8.2

Translation

Nach Abschluss der Transkription, also der Synthese eines mRNA-Moleküls an der DNA-Sequenz eines Gens, wandert das Botenmolekül ins Zellplasma. Dort dockt es an Ribosomen an, das sind kugelförmige Zellorganelle. An den Ribosomen werden in einem Zusammenspiel von mRNA, tRNA (tRNS) und Aminosäuren die Proteine gebildet. Dieser Vorgang wird als Translation bezeichnet.

Die Information eines Gens, das den Bauplan für ein Protein enthält, ist auf der mRNA als Aufeinanderfolge von Basen-Tripletts gespeichert. Da jeweils ein Triplett die Übersetzung einer Aminosäure codiert, bezeichnet man es als Codon. Die Übersetzung des Codons in eine Aminosäurenkette ist ein Vorgang in mehreren Schritten. Zunächst lagert sich die mRNA an einer bestimmten Stelle der Ribosomenoberfläche an. An einer anderen Bindungsstelle des Ribosoms wird ein tRNA-Molekül (transfer-RNA) gebunden, an dem wiederum eine bestimmte Aminosäure hängt. Es gibt für jede der 20 verschiedenen Aminosäuren eine spezifische tRNA. Das tRNA-Molekül verfügt über eine exponierte Sequenz aus drei Basen, die als Anticodon bezeichnet wird. Dieses Anticodon korrespondiert jeweils mit dem entsprechenden Codon der mRNA.

Wenn sich auf dem Ribosom das erste Codon mit dem komplementären Anticodon gepaart hat, wird die an die zugehörige tRNA gebundene erste Aminosäure auf dem Ribosom fixiert. Dann rutscht die mRNA um die Position eines Codons weiter. Jetzt lagert sich diejenige tRNA mit Aminosäure Nummer zwei an, deren Anticodon mit dem zweiten Codon der mRNA zusammenpasst. Am Aminosäurebindungsort des Ribosoms erfolgt jetzt die Verknüpfung der beiden ersten der aufeinander folgenden Aminosäuren. Auf diese Weise wird das Verfahren fortgesetzt, bis die gesamte mRNA, Codon für Codon, am Ribosom durchgelaufen ist. Zum Schluss ist die vollständige Information des Gens abgelesen und in ein Protein übersetzt, das durch die aufeinander folgende Verknüpfung der Aminosäuren gebildet wurde. So bestimmt die genetische Information auf der DNA, vermittelt über die Abfolge der Codons der mRNA, die Aminosäuresequenz eines Proteins.

8.3

Mosaikgene – Exons – Introns – nichtcodierende DNA

Als Ende der siebziger Jahre die ersten Nucleotidsequenzen kompletter Gene von höheren Organismen analysiert wurden, stellte man fest, dass sich viele dieser Gene aus einer Abfolge von codierenden und nichtcodierenden Sequenzen zusammensetzen. Ein codierender Abschnitt, der in ein Polypeptid übersetzt werden kann, wird als Exon bezeichnet. Die dazwischen liegenden Abschnitte, die keine aminosäurecodierenden Sequenzen enthalten, nennt man Introns. Diese gestückelten Gene werden als Mosaikgene (im Englischen: split-genes) bezeichnet. Ob die genetisch sinnlos erscheinenden Introns irgend eine biologische Funktion haben, ist bislang unklar – möglicherweise kommen ihnen Regulations- und Organisationsaufgaben zu. Sowohl bei Menschen als auch bei Schnecken und Fliegen wurde ein bestimmtes, mindestens 540 Millionen Jahre altes Gen gefunden. Manche Introns dieses Gens befinden sich bei allen drei Organismengruppen teilweise an derselben Stelle. Möglicherweise stammen Introns daher aus einer „RNA-Welt”, in der es weder DNA noch Proteine gab und in der Introns die räumliche Faltung von RNA-Molekülen steuerten; später wären die RNA-Introns dann zu DNA-Introns geworden (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2002). Die hintereinander auf der DNA liegenden Exons und Introns werden heute bei der Transkription gleichermaßen in mRNA (das primäre Transkript) übersetzt. Bevor dieses Transkript zur Translation an die Ribosomen gelangt, werden die Intronabschnitte aus der Gesamt-mRNA durch spezielle Enzyme herausgeschnitten; dies nennt man spleißen (englisch: splicing). Den Vorgang, bei dem das primäre Transkript auf die codierenden Exonsequenzen reduziert wird, bezeichnet man als Processing.

Auch außerhalb von Genen gibt es nichtcodierende DNA, die häufig als Junk-DNA (etwa: „DNA-Schrott”) bezeichnet wird. Ein Teil dieser DNA spielt eine Rolle als Startpunkt für den Transkriptionsprozess (ist also keineswegs überflüssig), ein anderer Teil scheint funktionslos zu sein. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass ein Zusammenhang besteht zwischen den Populationsgrößen von Arten und deren jeweiligem Anteil an Junk-DNA: Arten mit relativ kleinen Populationen (etwa Wirbeltiere) weisen sehr viel Junk-DNA auf, Arten mit sehr großen Populationen (wie Bakterien) dagegen keine. Einer Hypothese zufolge liegt diesem Zusammenhang der höhere Selektionsdruck in großen Populationen zugrunde, durch den überflüssige DNA-Abschnitte schnell ausgemerzt werden. In kleinen Populationen spielen dagegen im Lauf der Evolution Zufallseffekte eine große Rolle, die das Ansammeln sinnloser Sequenzen zur Folge haben könnten (Science, 2003).

8.4

Sequenzwiederholungen

Bei Sequenzanalysen der DNA höherer Organismen wurden bestimmte Nucleotidsequenzen gefunden, die sich mehrfach hintereinander wiederholen (repetitive Sequenzen). Sie kommen über das gesamte Genom verteilt vor. Manche dieser Sequenzwiederholungen sind Kopien von Genen, die Polypeptide oder besondere RNA-Typen codieren. So liegen z. B. die Gene für RNA-Moleküle, aus denen die Ribosomen gebildet werden, fast immer in mehreren Kopien vor. Von anderen Sequenzwiederholungen, die weder RNA noch Polypeptide codieren, kennt man die Funktion nicht. Manche dieser Sequenzen können innerhalb eines Chromosoms oder von einem Chromosom zum anderen die Position wechseln. Diese springenden Gene werden als Transposons oder transponierbare Elemente bezeichnet. Sie können in Genen, die in der Nähe ihrer Ausgangs- oder Zielstelle liegen, Mutationen hervorrufen (siehe unten).

9

Genregulation

Nach der Klärung des Weges von den Genen zu den Proteinen blieb offen, wie die genetische Steuerung in der Embryonalentwicklung funktioniert. Wie entstehen aus einer Ursprungszelle, der Zygote, die verschiedenen Gewebe und Organe, die den fertigen Organismus ausmachen? Obwohl die Zellen der Haut, des Darmes, der Leber und aller anderen Organe mit denselben Genen ausgestattet sind, verfügen sie über unterschiedliche Proteine, die verschiedene spezifische Funktionen verrichten. Das legt die Vermutung nahe, dass jeweils ein Teil der Gene aktiviert, ein anderer Teil abgeschaltet ist. Die bisherigen Untersuchungen zu dieser Frage zeigen, dass die Entwicklung eines komplexen Organismus, zumindest teilweise, mit der gezielten Aktivierung und Unterdrückung von Genen erklärt werden kann.

Die ersten Einblicke in die Mechanismen der Genregulation gaben die Arbeiten der französischen Genetiker Francois Jacob und Jacques Lucien Monod, die an einem bestimmten Bakterienstamm ein Gen untersuchten, das ein Enzym zum Abbau von Zuckermolekülen codiert. Bei ihren Studien entdeckten die Forscher eine als Promotor bezeichnete DNA-Sequenz, die bei der Aktivierung der Transkription eine Rolle spielt. Am Promotor heftet sich das Enzym RNA-Polymerase an die DNA, um die Synthese der mRNA zu starten. Zwischen Promotor und Gen liegt ein weiterer Regulationsabschnitt, der Operator. Ob die Transkription in Gang kommt oder ausbleibt, hängt noch von einem anderen Regulationselement ab, das als Repressor bezeichnet wird. Das Repressorprotein selbst wird von einem Gen, dem Regulator, gebildet. Wenn das Repressorprotein an den Operator gebunden ist, hindert es die RNA-Polymerase daran, an dem DNA-Abschnitt des Gens weiterzuwandern und die mRNA zu bilden; das Gen für die Bildung des Enzyms bleibt inaktiviert. Wenn das Bakterium mit zuckerhaltiger Nährlösung gefüttert wird, verdrängen Zuckermoleküle die Repressorproteine vom Operator, und das Gen wird „eingeschaltet”.

Bei Bakterien werden häufig mehrere Gene gleichzeitig von einem Promotor und einem oder mehreren Operatoren reguliert. Ein solches System heißt Operon. Bei höheren Organismen wurden solche Operons nicht gefunden; hier hat wahrscheinlich jedes Gen sein eigenes System von Promotoren und Operatoren; auch Introns und Sequenzwiederholungen könnten für die Regulationsvorgänge der Gene eine Rolle spielen.

10

Zytoplasmatische Vererbung

Außerhalb des Zellkerns im Zytoplasma befinden sich kleine abgeschlossene Strukturen (Zellorganelle), die eine eigene DNA enthalten. Dazu gehören die Mitochondrien, in denen die zelluläre Energieproduktion stattfindet, und die Chloroplasten der photosynthetisch aktiven Pflanzen. Mitochondrien und Chloroplasten vermehren sich in eigener Regie, vervielfältigen ihre DNA wie die Zellkerne, und ihre Gene produzieren eigenständig Proteine. Der genetische Code der mitochondrialen und chloroplastischen DNA unterscheidet sich geringfügig von dem im Zellkern. Es wird vermutet, dass diese Zellorganelle in der Evolution aus Bakterien hervorgingen, die von den Zellen höher organisierter Organismen eingeschlossen wurden. 1981 konnte die gesamte Nucleotidsequenz der DNA eines Mitochondriums ermittelt werden.

Die Eigenschaften, die in der zytoplasmatischen DNA codiert sind, werden hauptsächlich von der Mutter weitervererbt, weil Samenzellen normalerweise weniger Zytoplasma enthalten als Eizellen. Nach neuesten Erkenntnissen wird beim Menschen nicht nur von der Mutter, sondern auch von väterlicher Seite mitochondriale DNA, über die Mitochondrien der Samenzellen, an die Nachkommen weitergegeben.