Woher weiß ein Gen, das aus einer DNA-Kette besteht, die im Zellkern einer Zelle verborgen ist, wann es sich ausdrücken soll? Wie verursacht dieses Gen die Produktion einer Reihe von Aminosäuren, die als Protein bezeichnet werden? Woher wissen verschiedene Zelltypen, welche Arten von Proteinen sie herstellen müssen? Die Antworten auf solche Fragen liegen in der Untersuchung der Genexpression., Daher beginnt diese Sammlung oder dieser Artikel damit, zu zeigen, wie eine ruhige, gut bewachte DNA-Kette exprimiert wird, um RNA herzustellen, und wie die Boten-RNA von der Nukleinsäurekodierung zur Proteinkodierung zur Bildung eines Proteins übersetzt wird. Auf dem Weg dorthin untersucht der Artikel auch die Art des genetischen Codes, wie die Codeelemente vorhergesagt wurden und wie die tatsächlichen Codons bestimmt wurden.
als Nächstes wenden wir uns der regulation von Genen. Gene können einen Organismus nicht alleine kontrollieren; vielmehr müssen sie mit der Umgebung des Organismus interagieren und darauf reagieren., Einige Gene sind konstitutiv oder immer „on“, unabhängig von den Umweltbedingungen. Solche Gene gehören zu den wichtigsten Elementen des Genoms einer Zelle und kontrollieren die Fähigkeit der DNA, sich zu replizieren, auszudrücken und sich selbst zu reparieren. Diese Gene steuern auch die Proteinsynthese und einen Großteil des zentralen Stoffwechsels eines Organismus. Im Gegensatz dazu werden regulierte Gene nur gelegentlich benötigt — aber wie werden diese Gene “ ein „und“ausgeschaltet“? Welche spezifischen Moleküle steuern, wenn sie exprimiert werden?
Es stellt sich heraus, dass die Regulation solcher Gene zwischen Prokaryoten und Eukaryoten unterschiedlich ist., Bei Prokaryoten sind die meisten regulatorischen Proteine negativ und schalten daher Gene aus. Dabei stützen sich die Zellen auf die Protein-Kleinmolekülbindung, bei der ein Ligand oder ein kleines Molekül den Zustand der Zelle signalisiert und ob eine Genexpression benötigt wird. Das Repressor – oder Aktivatorprotein bindet nahe an sein regulatorisches Ziel: das Gen. Einige regulatorische Proteine müssen einen Liganden haben, der an sie gebunden ist, um binden zu können, während andere nicht binden können, wenn sie an einen Liganden gebunden sind. In Prokaryoten sind die meisten regulatorischen Proteine spezifisch für ein Gen, obwohl es einige Proteine gibt, die breiter wirken., Zum Beispiel binden einige Repressoren in der Nähe des Beginns der mRNA-Produktion für ein ganzes Operon oder Cluster von coregulierten Genen. Darüber hinaus verfügen einige Repressoren über ein Feinabstimmungssystem, das als Dämpfung bezeichnet wird und die mRNA-Struktur verwendet, um sowohl die Transkription als auch die Translation in Abhängigkeit von der Konzentration der Endproduktenzyme eines Operons zu stoppen. (Bei Eukaryoten gibt es kein genaues Äquivalent der Dämpfung, da die Transkription im Kern und die Translation im Zytoplasma stattfindet, was eine solche koordinierte Wirkung unmöglich macht.,) Eine weitere Schicht der prokaryotischen Regulation beeinflusst die Struktur der RNA-Polymerase, die große Gruppen von Genen aktiviert. Hier ändert sich der Sigma-Faktor der RNA-Polymerase mehrmals, um wärme – und austrocknungsresistente Sporen zu erzeugen. Hier befassen sich die Artikel zur prokaryotischen Regulation mit jedem dieser Themen, was in vielen Fällen zur Primärliteratur führt.
Für Eukaryoten, Zell-Zell-Unterschiede werden durch Expression von verschiedenen Gruppen von Genen bestimmt., Zum Beispiel sieht ein undifferenziertes befruchtetes Ei aufgrund von Unterschieden in den Genen, die jede Zelle exprimiert, ganz anders aus als eine Hautzelle, ein Neuron oder eine Muskelzelle. Eine Krebszelle wirkt aus dem gleichen Grund anders als eine normale Zelle: Sie exprimiert verschiedene Gene. (Mithilfe der Mikroarray-Analyse können Wissenschaftler solche Unterschiede verwenden, um die Diagnose und Auswahl geeigneter Krebsbehandlungen zu unterstützen.) Interessanterweise ist bei Eukaryoten der Standardzustand der Genexpression eher“ aus „als“ ein“, wie bei Prokaryoten. Warum ist das der Fall?, Das Geheimnis liegt in Chromatin oder dem Komplex von DNA – und Histonproteinen, die im Zellkern gefunden werden. Die Histone gehören zu den evolutionär am meisten konservierten Proteinen, die bekannt sind; Sie sind lebenswichtig für das Wohlbefinden von Eukaryoten und haben wenig Veränderung. Wenn ein spezifisches Gen eng mit Histon gebunden ist, ist dieses Gen „aus“.“Aber wie schaffen es eukaryotische Gene dann, dieser Stille zu entkommen? Hier kommt der Histoncode ins Spiel., Dieser Code enthält Modifikationen der positiv geladenen Aminosäuren der Histone, um einige Domänen zu erzeugen, in denen die DNA offener ist, und andere, in denen sie sehr eng gebunden ist. Die DNA-Methylierung ist ein Mechanismus, der mit Histonmodifikationen koordiniert zu sein scheint, insbesondere mit solchen, die zur Stummschaltung der Genexpression führen. Kleine nicht codierende RNAs wie RNAi können auch an den Regulationsprozessen beteiligt sein, die „stilles“ Chromatin bilden., Wenn andererseits die Schwänze von Histonmolekülen an bestimmten Stellen acetyliert werden, haben diese Moleküle weniger Wechselwirkung mit der DNA, wodurch sie offener bleiben. Die Regulierung der Öffnung solcher Domains ist ein heißes Thema in der Forschung. Zum Beispiel wissen Forscher jetzt, dass Komplexe von Proteinen, die als Chromatin-Remodellierungskomplexe bezeichnet werden, ATP verwenden, um DNA in offeneren Konfigurationen neu zu verpacken. Wissenschaftler haben auch festgestellt, dass es Zellen möglich ist, den gleichen Histoncode und DNA-Methylierungsmuster durch viele Zellteilungen aufrechtzuerhalten., Diese Persistenz ohne Abhängigkeit von der Basenpaarung wird als Epigenetik bezeichnet, und es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass epigenetische Veränderungen viele menschliche Krankheiten verursachen.
Damit die Transkription stattfinden kann, muss der Bereich um eine prospektive Transkriptionszone abgewickelt werden. Dies ist ein komplexer Prozess, der die Koordination von Histonmodifikationen, Transkriptionsfaktorbindung und anderen Chromatin-Remodellierungsaktivitäten erfordert. Sobald die DNA geöffnet ist, können spezifische DNA-Sequenzen für spezifische Proteine gebunden werden., Viele dieser Proteine sind Aktivatoren, während andere Repressoren sind; In Eukaryoten werden alle diese Proteine oft als Transkriptionsfaktoren (TFs) bezeichnet. Jede TF hat eine spezifische DNA-Bindungsdomäne, die ein 6-10-Basenpaarmotiv in der DNA sowie eine Effektordomäne erkennt. Im Reagenzglas können Wissenschaftler einen Fußabdruck eines TF finden, wenn dieses Protein in einem DNA-Stück an sein passendes Motiv bindet. Sie können auch sehen, ob die TF-Bindung die Migration von DNA in der Gelelektrophorese verlangsamt.,
Für eine aktivierende TF rekrutiert die Effektordomäne die RNA-Polymerase II, die eukaryotische mRNA-produzierende Polymerase, um mit der Transkription des entsprechenden Gens zu beginnen. Einige aktivierende TFs schalten sogar mehrere Gene gleichzeitig ein. Alle TFs binden an den Promotoren direkt vor den eukaryotischen Genen, ähnlich wie bakterielle regulatorische Proteine. Sie binden jedoch auch an Regionen, die als Enhancer bezeichnet werden und vorwärts oder rückwärts orientiert sein können und stromaufwärts oder stromabwärts oder sogar in den Neuronen eines Gens lokalisiert sind, und aktivieren dennoch die Genexpression., Da viele Gene koreguliert sind, ermöglicht die Untersuchung der Genexpression über das gesamte Genom über Mikroarrays oder massiv parallele Sequenzierung den Forschern zu sehen, welche Gruppen von Genen während der Differenzierung, des Krebses und anderer Zustände und Prozesse koreguliert werden.
Die meisten Eukaryoten nutzen auch kleine nicht-kodierende RNAs, um die Genexpression zu regulieren. Zum Beispiel findet das Enzym Dicer doppelsträngige Regionen von RNA und schneidet kurze Stücke aus, die in einer regulatorischen Rolle dienen können. Argonaut ist ein weiteres Enzym, das für die Regulierung kleiner nicht codierender RNA–abhängiger Systeme wichtig ist., Hier haben wir einen Einführungsartikel zu diesen RNAs veröffentlicht, aber es werden mehr Inhalte benötigt; Bitte kontaktieren Sie die Redaktion, wenn Sie daran interessiert sind, einen Beitrag zu leisten.
Prägung ist noch ein weiterer Prozess in eukaryotischen Genregulation; dieser Prozess beinhaltet die Inaktivierung eines der beiden Allele eines Gens für eine Zelle die gesamte Lebensdauer. Imprinting betrifft eine Minderheit von Genen, aber einige wichtige Wachstumsregulatoren sind enthalten. Für einige Gene wird die mütterliche Kopie immer zum Schweigen gebracht, während für verschiedene Gene die väterliche Kopie immer zum Schweigen gebracht wird., Die epigenetischen Markierungen, die während der Ei-oder Spermienbildung auf diese Gene gesetzt werden, werden getreu in jede nachfolgende Zelle kopiert, wodurch diese Gene während des gesamten Lebens des Organismus beeinflusst werden.
Noch ein weiterer Mechanismus, der dazu führt, dass einige Gene für die gesamte Lebensdauer eines Organismus zum Schweigen gebracht werden, ist die X-Inaktivierung. Bei weiblichen Säugetieren wird beispielsweise eine der beiden Kopien des X-Chromosoms abgeschaltet und stark verdichtet., Dieser Abschaltvorgang erfordert eine Transkription, die Beteiligung von zwei nicht kodierenden RNAs (von denen eine das inaktive X-Chromosom bedeckt) und die Beteiligung eines DNA-bindenden Proteins namens CTCF. Da die mögliche Rolle regulatorischer nichtcodierender RNAs in diesem Prozess untersucht wird, werden zweifellos weitere Informationen zur X-Inaktivierung entdeckt.