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Genexpression übergeordnetMakromolekül StoffwechselUntergeordnetTranskriptionRNA ProzessierungTranslationProteinreifungG

Genexpression

Genexpression, kurz Expression oder Exprimierung (von lateinisch exprimere „ausdrücken“), bezeichnet im weiten Sinn, wie ein Gen (eine bestimmte genetische Information) zum Ausdruck kommt und in Erscheinung tritt. Durch Genexpression wird der Genotyp eines Organismus oder einer Zelle als Phänotyp ausgeprägt. Im engeren Sinn ist Genexpression die Biosynthese von Proteinen auf Grund spezifischer genetischer Information (siehe Proteinbiosynthese). Der Begriff umfasst alle dafür nötigen vorangehenden Prozesse, die mit der Transkription eines DNA-Abschnittes als Synthese von RNA beginnen.

Die unterschiedliche Genexpression ist bei (genetisch gleichen) eineiigen Zwillingen eine Ursache ihrer geringfügig verschiedenen Phänotypen. Bei genetisch verschiedenen Individuen basieren die Unterschiede im Phänotyp neben der Modifikation vor allem auf Abweichungen im Genom. Die zeitlichen und räumlichen Unterschiede der Genexpression werden als spatiotemporale Genexpression bezeichnet.

Ablauf Bearbeiten

Die Transkription ist die Synthese von RNA durch RNA-Polymerasen nach der DNA-Vorlage. Die für Proteine codierenden RNA-Stränge werden messenger RNA (mRNA) genannt. Bei Eukaryoten entstehen diese im Zellkern aus dem primären nukleären Transkript durch RNA-Prozessierung. Außer möglicher RNA-Interferenz und neben eventuellem RNA-Editing zählt hierzu das Spleißen sowie das Hinzufügen einer Cap-Struktur und eines Poly(A)-Schwanzes vor dem Kernexport. Die folgende Translation ist die Synthese eines Proteins durch Ribosomen im Cytoplasma anhand der vorliegenden mRNA. Die Basensequenz der mRNA wird dabei mithilfe von transfer RNA (tRNA) übersetzt in die codierte Aminosäuresequenz der erzeugten Polypeptidkette, welche durch Proteinfaltung die native dreidimensionale Proteinstruktur gewinnt. In der Regel werden Proteine noch posttranslational modifiziert.

Allgemeine, sowie zell- und entwicklungsspezifische an DNA bindende Transkriptionsfaktoren regulieren die Transkription. Voraussetzung hierfür ist die Zugänglichkeit der Loci. Da die DNA nicht nackt, sondern verpackt, gewickelt und gefaltet vorliegt, kann infolge dichter Chromatin-Struktur ein Gen unzugänglich sein (Heterochromatin) oder durch Veränderung von Chromatinproteinen der Transkription mehr oder weniger entzogen werden. Derart ist eine transkriptionelle Regulation der Genexpression auch epigenetisch möglich.

Zu den posttranskriptionellen Faktoren gehören die Stabilität der mRNA, deren Lokalisation und ihr Abbau, zu den translationalen die Initiation und Elongation an den Ribosomen sowie die Verfügbarkeit an (beladener) tRNA, während die Stabilität der gebildeten Proteine, deren Wechselwirkungen und eventuelle darüber rückgekoppelte Prozesse die Genexpression dann posttranslational beeinflussen.

Regulation Bearbeiten

Generell kann eine Regulation der Genexpression auf verschiedenen Stufen stattfinden. Dabei können – insbesondere bei Eukaryoten – die genannten Prinzipien miteinander in Wechselwirkung treten und so im Zusammenspiel von Genetik und Epigenetik noch komplexere Regulationsmechanismen bilden.

Einige Gene unterliegen keiner derartigen Regulation und werden unabhängig von Zelltyp, Zellstadium und Wachstumsbedingungen dauerhaft gleichmäßig exprimiert. Diese Gene werden konstitutiv exprimiert, hierzu gehören unter anderem viele Housekeeping-Gene. Die von ihnen codierten konstitutiven Enzyme halten die grundlegenden Funktionen einer Zelle aufrecht.

Analyse Bearbeiten

Eine Vielzahl molekularbiologischer Experimente erlaubt es, die Expression, also die relative oder absolute RNA-Menge in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Entwicklungsstadium zu untersuchen. Hierzu gehören die Northern-Blot-Analyse, die quantitative Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR), der RNase Protection Assay und die In-situ-Hybridisierung. Diese Methoden werden zum Nachweis eines oder weniger Transkripte eingesetzt. Dabei ermöglicht es die In-situ-Hybridisierung mit radioaktiven, mit Digoxigenin-markierten oder mit fluoreszierenden antisense-RNA-Proben die räumliche Transkriptverteilung zu untersuchen. Beabsichtigt man ein großes Spektrum, oder alle RNAs in einer Probe zu bestimmen, spricht man von Transkriptomik. Hierunter fällt die DNA-Chip-Technologie (synonym DNA-Microarray), mit der eine große Zahl zuvor identifizierter Transkripte parallel quantifiziert werden kann. Mit der seriellen Analyse der Genexpression (SAGE, von engl. Serial Analysis of Gene Expression) gibt es eine effektive Methode zur Identifizierung von kurzen cDNA-Fragmenten, sogenannten tags, die mittels des Enzyms Reverse Transkriptase aus mRNA-Molekülen gewonnen wurden. Die neueste Alternative ist die "Gesamt-Transkriptom-Shotgun-Sequenzierung", auch RNA-Seq genannt, die hohe Ansprüche an die bioinformatische Auswertung stellt.

Für den Nachweis der bekannten Proteine benötigt man spezifische Antikörper, die in verschiedenen Immunassays eingesetzt werden. So erlaubt die Western-Blot-Analyse Aussagen über die relative Menge und die Größe der zu untersuchenden Proteine. Für quantitative Untersuchungen eignen sich der Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) und der Radioimmunassay. Für den Hochdurchsatz wurden Protein-Microarrays, auch Biochips genannt, entwickelt. Sie erlauben die parallele Analyse einer Vielzahl von Proteinen in einer geringen Menge biologischen Probenmaterials. Mit immunhistochemischen und immuncytochemischen Untersuchungen wird die räumliche Verteilung von Proteinen untersucht. Analog zum Transkriptom gibt es auch den Versuch das Proteom von Zellen darzustellen. Die Herausforderungen an die sich schnell entwickelnde Proteomik sind aber, auch weil die Zahl der verschiedenen Proteine einer Zelle die der Gene um ein Vielfaches übersteigt, viel größer. Wichtigste Nachweisgeräte sind Massenspektrometer, die immer präziser, sensitiver und schneller werden.

Literatur Bearbeiten

  • Nelson C. Lau, David P. Bartel: Zensur in der Zelle. Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2003, S. 52–59, ISSN 0170-2971
  • Lubert Stryer: Biochemie, 4. Auflage, Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1996, ISBN 3-86025-346-8, (V. Replikation und Expression der Gene, S. 825 ff)
  • Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemistry. 5. Auflage. Freeman, New York 2002, ISBN 0-7167-4684-0, online verfügbar beim NCBI Bookshelf.

Siehe auch Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

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UbergeordnetMakromolekul StoffwechselUntergeordnetTranskriptionRNA ProzessierungTranslationProteinreifungGene OntologyQuickGOGenexpression kurz Expression oder Exprimierung von lateinisch exprimere ausdrucken bezeichnet im weiten Sinn wie ein Gen eine bestimmte genetische Information zum Ausdruck kommt und in Erscheinung tritt Durch Genexpression wird der Genotyp eines Organismus oder einer Zelle als Phanotyp ausgepragt Im engeren Sinn ist Genexpression die Biosynthese von Proteinen auf Grund spezifischer genetischer Information siehe Proteinbiosynthese Der Begriff umfasst alle dafur notigen vorangehenden Prozesse die mit der Transkription eines DNA Abschnittes als Synthese von RNA beginnen Die unterschiedliche Genexpression ist bei genetisch gleichen eineiigen Zwillingen eine Ursache ihrer geringfugig verschiedenen Phanotypen Bei genetisch verschiedenen Individuen basieren die Unterschiede im Phanotyp neben der Modifikation vor allem auf Abweichungen im Genom Die zeitlichen und raumlichen Unterschiede der Genexpression werden als spatiotemporale Genexpression bezeichnet Inhaltsverzeichnis 1 Ablauf 2 Regulation 3 Analyse 4 Literatur 5 Siehe auch 6 WeblinksAblauf Bearbeiten Hauptartikel Proteinbiosynthese Die Transkription ist die Synthese von RNA durch RNA Polymerasen nach der DNA Vorlage Die fur Proteine codierenden RNA Strange werden messenger RNA mRNA genannt Bei Eukaryoten entstehen diese im Zellkern aus dem primaren nuklearen Transkript durch RNA Prozessierung Ausser moglicher RNA Interferenz und neben eventuellem RNA Editing zahlt hierzu das Spleissen sowie das Hinzufugen einer Cap Struktur und eines Poly A Schwanzes vor dem Kernexport Die folgende Translation ist die Synthese eines Proteins durch Ribosomen im Cytoplasma anhand der vorliegenden mRNA Die Basensequenz der mRNA wird dabei mithilfe von transfer RNA tRNA ubersetzt in die codierte Aminosauresequenz der erzeugten Polypeptidkette welche durch Proteinfaltung die native dreidimensionale Proteinstruktur gewinnt In der Regel werden Proteine noch posttranslational modifiziert Allgemeine sowie zell und entwicklungsspezifische an DNA bindende Transkriptionsfaktoren regulieren die Transkription Voraussetzung hierfur ist die Zuganglichkeit der Loci Da die DNA nicht nackt sondern verpackt gewickelt und gefaltet vorliegt kann infolge dichter Chromatin Struktur ein Gen unzuganglich sein Heterochromatin oder durch Veranderung von Chromatinproteinen der Transkription mehr oder weniger entzogen werden Derart ist eine transkriptionelle Regulation der Genexpression auch epigenetisch moglich Zu den posttranskriptionellen Faktoren gehoren die Stabilitat der mRNA deren Lokalisation und ihr Abbau zu den translationalen die Initiation und Elongation an den Ribosomen sowie die Verfugbarkeit an beladener tRNA wahrend die Stabilitat der gebildeten Proteine deren Wechselwirkungen und eventuelle daruber ruckgekoppelte Prozesse die Genexpression dann posttranslational beeinflussen Regulation Bearbeiten Hauptartikel Genregulation Generell kann eine Regulation der Genexpression auf verschiedenen Stufen stattfinden Dabei konnen insbesondere bei Eukaryoten die genannten Prinzipien miteinander in Wechselwirkung treten und so im Zusammenspiel von Genetik und Epigenetik noch komplexere Regulationsmechanismen bilden Einige Gene unterliegen keiner derartigen Regulation und werden unabhangig von Zelltyp Zellstadium und Wachstumsbedingungen dauerhaft gleichmassig exprimiert Diese Gene werden konstitutiv exprimiert hierzu gehoren unter anderem viele Housekeeping Gene Die von ihnen codierten konstitutiven Enzyme halten die grundlegenden Funktionen einer Zelle aufrecht Analyse Bearbeiten Hauptartikel Genexpressionsanalyse Eine Vielzahl molekularbiologischer Experimente erlaubt es die Expression also die relative oder absolute RNA Menge in einer Zelle einem Gewebe oder einem Entwicklungsstadium zu untersuchen Hierzu gehoren die Northern Blot Analyse die quantitative Reverse Transkriptase Polymerase Kettenreaktion qRT PCR der RNase Protection Assay und die In situ Hybridisierung Diese Methoden werden zum Nachweis eines oder weniger Transkripte eingesetzt Dabei ermoglicht es die In situ Hybridisierung mit radioaktiven mit Digoxigenin markierten oder mit fluoreszierenden antisense RNA Proben die raumliche Transkriptverteilung zu untersuchen Beabsichtigt man ein grosses Spektrum oder alle RNAs in einer Probe zu bestimmen spricht man von Transkriptomik Hierunter fallt die DNA Chip Technologie synonym DNA Microarray mit der eine grosse Zahl zuvor identifizierter Transkripte parallel quantifiziert werden kann Mit der seriellen Analyse der Genexpression SAGE von engl Serial Analysis of Gene Expression gibt es eine effektive Methode zur Identifizierung von kurzen cDNA Fragmenten sogenannten tags die mittels des Enzyms Reverse Transkriptase aus mRNA Molekulen gewonnen wurden Die neueste Alternative ist die Gesamt Transkriptom Shotgun Sequenzierung auch RNA Seq genannt die hohe Anspruche an die bioinformatische Auswertung stellt Fur den Nachweis der bekannten Proteine benotigt man spezifische Antikorper die in verschiedenen Immunassays eingesetzt werden So erlaubt die Western Blot Analyse Aussagen uber die relative Menge und die Grosse der zu untersuchenden Proteine Fur quantitative Untersuchungen eignen sich der Enzyme linked Immunosorbent Assay ELISA und der Radioimmunassay Fur den Hochdurchsatz wurden Protein Microarrays auch Biochips genannt entwickelt Sie erlauben die parallele Analyse einer Vielzahl von Proteinen in einer geringen Menge biologischen Probenmaterials Mit immunhistochemischen und immuncytochemischen Untersuchungen wird die raumliche Verteilung von Proteinen untersucht Analog zum Transkriptom gibt es auch den Versuch das Proteom von Zellen darzustellen Die Herausforderungen an die sich schnell entwickelnde Proteomik sind aber auch weil die Zahl der verschiedenen Proteine einer Zelle die der Gene um ein Vielfaches ubersteigt viel grosser Wichtigste Nachweisgerate sind Massenspektrometer die immer praziser sensitiver und schneller werden Literatur BearbeitenNelson C Lau David P Bartel Zensur in der Zelle Spektrum der Wissenschaft Oktober 2003 S 52 59 ISSN 0170 2971 Lubert Stryer Biochemie 4 Auflage Spektrum Heidelberg Berlin Oxford 1996 ISBN 3 86025 346 8 V Replikation und Expression der Gene S 825 ff Jeremy M Berg John L Tymoczko Lubert Stryer Biochemistry 5 Auflage Freeman New York 2002 ISBN 0 7167 4684 0 online verfugbar beim NCBI Bookshelf Siehe auch BearbeitenTranskription Biologie Nukleolus Balbiani RingWeblinks BearbeitenGene mit Dimmer Auf wissenschaft de vom 1 Juli 2005 Peter v Sengbusch Genexpression Information Uni HamburgNormdaten Sachbegriff GND 4020136 3 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Genexpression amp oldid 234174269