Genregulation einfach erklärt: Gene gezielt steuern

Ein Gen liefert die Information für ein Genprodukt, oft ein Protein. Bei der Transkription entsteht aus der DNA-Information RNA; bei der Translation dient mRNA als Vorlage für ein Protein. Regulation kann den Beginn und die Häufigkeit der Transkription, die Verarbeitung und Lebensdauer der RNA, die Translation sowie die Veränderung und den Abbau fertiger Proteine betreffen. Indem eine Zelle nur benötigte Proteine herstellt, spart sie Energie. Die meisten Körperzellen eines Menschen besitzen weitgehend dieselbe DNA. Unterschiedliche Genaktivität trägt dazu bei, dass etwa Muskel- und Nervenzellen verschiedene Aufgaben erfüllen.

Bei Prokaryoten liegen zusammengehörige Strukturgene oft in einem Operon. Dessen Promotor ist die Bindestelle der RNA-Polymerase; am Operator können Regulationsproteine binden. Ein Regulatorgen liefert beispielsweise einen Repressor und kann außerhalb des Operons liegen. Bindet ein aktiver Repressor passend am Operator, hemmt er die Transkription. Ein Aktivator kann sie fördern. Ob ein solches Protein bindet, hängt oft von einem Stoff aus der Umgebung oder dem Stoffwechsel ab.

Das Lac-Operon von Escherichia coli regelt Gene für Lactosetransport und -abbau. Ohne Lactose ist der Repressor aktiv, bindet am Operator und hemmt die Transkription. Ist Lactose vorhanden, entsteht daraus Allolactose. Sie bindet an den Repressor, verändert dessen Form und löst ihn vom Operator. Nun können die Strukturgene transkribiert werden; unter anderem entstehen Permease für den Transport und β-Galactosidase für den Abbau. Sinkt die Allolactosekonzentration, kann der Repressor erneut binden. Dieses Prinzip heißt Substratinduktion. Die Stärke der Transkription hängt außerdem vom Glucoseangebot ab; ein freier Operator allein garantiert keine starke Expression.

Beim trp-Operon ist der Repressor ohne Tryptophan inaktiv. Die Gene für die Syntheseenzyme werden transkribiert. Bei hoher Tryptophankonzentration bindet das Endprodukt an den Repressor und aktiviert ihn. Er bindet am Operator und hemmt die weitere Transkription. Das ist Endproduktrepression: Das vorhandene Produkt bremst seine eigene Synthese.

Bei Eukaryoten liegt DNA zusammen mit Histonproteinen als Chromatin vor. Locker verpackte Bereiche sind für Transkriptionsproteine meist leichter erreichbar als dicht verpackte. Chemische Markierungen an DNA oder Histonen können die Zugänglichkeit beeinflussen, ohne die Basensequenz zu ändern. Histon-Acetylierung ist im Schulmodell oft mit lockererem Chromatin verbunden; Methylierung an einem Promotor kann das Ablesen erschweren. Welche Wirkung eine Markierung hat, hängt von ihrer Art und ihrem Ort ab.

Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die das Ablesen steuern. Allgemeine Faktoren helfen der RNA-Polymerase beim Start am Promotor. Spezifische Faktoren können an einem Enhancer verstärkend oder an einem Silencer hemmend wirken. Eine DNA-Schleife bringt auch entfernte Kontrollbereiche räumlich an den Promotor. Diese Steuerung verändert die Nutzung des Gens. Eine Mutation dagegen verändert seine DNA-Sequenz.

Die Genexpression endet nicht mit der Transkription. Aus einer Prä-mRNA werden bei der Verarbeitung Introns entfernt und Exons verbunden. Beim alternativen Spleißen werden Exons unterschiedlich kombiniert. Ein Gen kann dadurch mehrere mRNA- und Proteinvarianten liefern.

Auch die Lebensdauer der mRNA zählt: Eine schnell abgebaute mRNA kann unter sonst gleichen Bedingungen seltener translatiert werden. Nach der Translation können etwa angeheftete Phosphatgruppen die Aktivität eines Proteins verändern. Nicht mehr benötigte Proteine können im Proteasom abgebaut werden. Keine dieser Ebenen setzt einen Austausch von DNA-Basen voraus.