Gen

Was Gene sind

Ein Gen ist meist ein Abschnitt der Desoxyribonukleinsäure (DNS/DNA). Es enthält Grundinformationen für die Entwicklung von Eigenschaften eines Individuums und für die Herstellung einer biologisch aktiven Ribonukleinsäure (RNA). Bei der Transkription entsteht vom codogenen DNA-Strang eine komplementäre RNA-Kopie. mRNA kann bei der Translation als Vorlage für die Aminosäuresequenz eines Proteins dienen; Proteine erfüllen spezifische Funktionen und können damit Merkmale prägen. Gene können aber auch RNA mit anderen Aufgaben bilden.

Gene liegen als Erbanlagen an bestimmten Stellen der Chromosomen und werden bei der Reproduktion an Nachkommen weitergegeben. Die Gesamtheit der Erbinformation einer Zelle heißt Genom; ihre Erforschung ist Gegenstand der Genetik. Eine Definition von 2006 beschreibt ein Gen als „eine lokalisierbare Region genomischer DNA-Sequenz, die einer Erbeinheit entspricht und mit regulatorischen, transkribierten und/oder funktionellen Sequenzregionen assoziiert ist“. Nach Erkenntnissen des ENCODE-Projekts lautet ein weiterer Vorschlag: „Ein Gen ist eine Vereinigung genomischer Sequenzen, die einen zusammenhängenden Satz von eventuell überlappenden funktionellen Produkten codieren“.

Vom Erbfaktor zur DNA

Johann Gregor Mendel begann 1856 mit Erbsenkreuzungen. Er erkannte, dass Merkmale unabhängig vererbt werden können, und unterschied dominante und rezessive Faktoren sowie homozygote und heterozygote Individuen. Damit legte er Grundlagen für die Begriffe Genotyp und Phänotyp. 1900 wurden seine Erkenntnisse durch Carl Correns, Hugo de Vries und Erich Tschermak wieder aufgegriffen. William Bateson prägte 1902 den Begriff Allel für eine zweite Variante eines Erbfaktors; Wilhelm Johannsen verankerte 1903 die Begriffe „Gen“ und „Genotypus“.

Chromosomen wurden als mögliche Genträger erkannt, weil sie sich vor der mitotischen Kernteilung verdoppeln und so auf die Tochterzellen verteilt werden. Kreuzungsversuche von Thomas Hunt Morgan und Mitarbeitern zeigten, dass Gene an bestimmten, hintereinander angeordneten Chromosomenstellen liegen. Crossing-over, der Austausch von Chromosomenabschnitten, erlaubt es, Genabstände zu bestimmen; sie werden in centiMorgan angegeben. 1944 bewiesen Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty, dass DNA die genetische Information enthält. 1953 wurde die DNA-Doppelhelix durch James D. Watson und Francis Crick auf Grundlage der Arbeiten von Rosalind Franklin und Erwin Chargaff beschrieben.

Aufbau und Umsetzung der Information

Molekular besteht ein Gen aus dem DNA-Abschnitt, der in RNA transkribiert wird, sowie aus zusätzlichen DNA-Abschnitten, die diesen Vorgang regulieren. Bei einem typischen proteincodierenden eukaryotischen Gen liegen regulatorische Elemente wie Promotoren und Enhancer vor oder innerhalb der Transkriptionseinheit. An sie binden unter anderem Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase.

Die zunächst gebildete prä-mRNA wird im Zellkern zur reifen mRNA verändert. Sie enthält den offenen Leserahmen, also den direkt proteincodierenden Bereich, sowie den nichttranslatierten 5'-UTR und 3'-UTR. Diese Bereiche beeinflussen den Beginn der Translation und den Abbau der RNA durch Ribonukleasen. Eukaryotische Gene können Exons und Introns enthalten. Prokaryotische Gene besitzen keine Introns; mehrere RNA-bildende Genabschnitte können als polycistronische Gene gemeinsam reguliert und transkribiert werden. Eine solche Einheit aus regulatorischem Element und polycistronischen Genen heißt Operon.

Der genetische Code liegt als Nukleotidsequenz der DNA vor. Je drei Nukleotide bilden ein Triplett oder Codon. Ein Nukleotid setzt sich aus Phosphat, Desoxyribose und einer Base zusammen; die Basen sind Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Gene codieren neben mRNA auch rRNA, tRNA und weitere RNA-Arten.

Regulation, Organisation und Veränderungen

Ein Gen ist aktiv, wenn seine Information in RNA umgeschrieben wird. Dabei können mRNA, tRNA oder rRNA entstehen; aus mRNA muss nicht zwingend ein Protein translatiert werden. Die Aktivität kann über die Transkriptionsrate, den Abbau von mRNA etwa durch siRNA-vermittelte RNA-Interferenz oder die Bindung von Transkriptionsfaktoren an regulatorische Elemente gesteuert werden. Langfristige Regulation erfolgt durch Methylierung oder durch Verpackung der DNA in Histonkomplexe. Änderungen der Genregulation einschließlich des alternativen Splicings können ähnlich wirksam sein wie Mutationen proteincodierender Sequenzen.

Nur ein Teil der DNA codiert definierte RNAs. Nichtcodierende DNA wirkt unter anderem bei Genregulation, alternativem Splicing und der Architektur der Chromosomen mit. Gene liegen an Genorten und sind auf Chromosomen nicht gleichmäßig verteilt; sie können Cluster bilden. Manche DNA-Abschnitte codieren durch überlappende offene Leserahmen mehrere Proteine.

Mutationen können spontan oder etwa durch Radioaktivität entstehen. Unterschiedliche Zustandsformen eines Gens heißen Allele. Crossing-over bei der Meiose verteilt Erbanlagen der Großeltern unterschiedlich auf Geschlechtszellen. Genetische Variation meint Varianten bei einzelnen Lebewesen; genetische Variabilität ist die Fähigkeit einer Population, Individuen mit unterschiedlichem Erbgut hervorzubringen. Sie ist wichtig für das Überleben unter veränderten Umweltbedingungen und für die Evolution.

Besondere Formen von Genen

Bei zellbasierten Lebensformen liegen Gene als DNA-Abschnitte vor. RNA-Viren besitzen dagegen RNA als genetische Information und können nach Befall einer Zelle direkt nach deren Anleitung Proteine bilden. Retroviren schreiben ihre RNA mithilfe der Reversen Transkriptase in DNA um.

Pseudogene sind Genkopien, die kein funktionelles Protein in voller Länge codieren. Sie entstehen häufig durch Genduplikationen und/oder Mutationen und können ihre ursprüngliche Funktion verlieren; einige scheinen dennoch die Genaktivität zu regulieren. Das menschliche Genom enthält etwa 20.000 Pseudogene. Transposons oder „springende Gene“ sind mobile Erbgutabschnitte: Sie können sich aus einer Stelle der DNA ausschneiden und an anderer Stelle einfügen.

Orphan-Gene haben keine nachweisbare Homologie in anderen Linien. Sie sind meist auf ein enges Taxon oder sogar eine Art beschränkt. Als Beispiele nennt der Artikel 634 Gene beim Menschen, die dem Schimpansen fehlen, sowie 780 Schimpansen-Gene, die dem Menschen fehlen.

Genomgrößen und Anteil codierender DNA

Die Anzahl der Gene und die Größe des Genoms hängen nicht einfach zusammen. Beim Menschen werden rund 22.500 Gene und 3·10^9 Basenpaare angegeben; Escherichia coli besitzt rund 5.000 Gene bei 4,65·10^6 Basenpaaren. Bakterien umfassen 180–7.000 Gene, DNA-Viren 10–300 und RNA-Viren 1–25 Gene. Ein Viroid besitzt 0 Gene und 246–401 Basenpaare.

Das Verhältnis von Introns zu Exons schwankt stark. Manche Gene haben keine Introns, andere bestehen zu mehr als 95 % aus Introns. Das Dystrophin-Gen DMD ist mit 2.500.000 Basenpaaren das größte menschliche Gen; das daraus codierte Protein hat 3685 Aminosäuren. Nur 11.055 Basenpaare beziehungsweise 0,44 % sind codierend. Auch beim FOXP2-Gen beträgt der Anteil codierender Sequenz nur 0,36 %.