Genexpression

Bedeutung der Genexpression

Genexpression, auch Expression oder Exprimierung, beschreibt, wie die in einem Gen enthaltene genetische Information zum Ausdruck kommt. Dadurch wird der Genotyp, also die genetische Ausstattung eines Organismus oder einer Zelle, als Phänotyp ausgeprägt: als beobachtbare Merkmale und Eigenschaften.

Im engeren Sinn meint Genexpression die Biosynthese von Proteinen aufgrund spezifischer genetischer Information. Sie umfasst die dafür nötigen Prozesse ab der Transkription eines DNA-Abschnitts zur RNA. Unterschiede in der Genexpression können bei genetisch gleichen eineiigen Zwillingen geringfügig verschiedene Phänotypen verursachen. Bei genetisch verschiedenen Individuen beruhen Unterschiede im Phänotyp neben Modifikationen vor allem auf Abweichungen im Genom. Zeitliche und räumliche Unterschiede heißen spatiotemporale Genexpression.

Vom Gen zum Protein

Die Transkription ist die Synthese von RNA durch RNA-Polymerasen nach einer DNA-Vorlage. RNA-Stränge, die für Proteine codieren, heißen messenger RNA (mRNA).

Bei Eukaryoten entsteht die mRNA im Zellkern aus einem primären nukleären Transkript durch RNA-Prozessierung. Dazu gehören das Spleißen, das Hinzufügen einer Cap-Struktur und eines Poly(A)-Schwanzes vor dem Export aus dem Zellkern. Außerdem können RNA-Interferenz und RNA-Editing eine Rolle spielen.

Bei der Translation stellen Ribosomen im Cytoplasma anhand der mRNA ein Protein her. transfer RNA (tRNA) übersetzt die Basensequenz der mRNA in die codierte Aminosäuresequenz einer Polypeptidkette. Durch Proteinfaltung erhält diese die native dreidimensionale Proteinstruktur. Proteine werden in der Regel anschließend posttranslational modifiziert.

Regulation der Expression

Genexpression kann auf mehreren Stufen reguliert werden. Allgemeine sowie zell- und entwicklungsspezifische Transkriptionsfaktoren, die an DNA binden, regulieren die Transkription. Entscheidend ist dabei, ob der betreffende Genort, der Locus, zugänglich ist.

DNA liegt verpackt, gewickelt und gefaltet vor. Bei dichter Chromatin-Struktur kann ein Gen unzugänglich sein; dies wird Heterochromatin genannt. Veränderungen an Chromatinproteinen können Gene der Transkription unterschiedlich stark entziehen. Eine transkriptionelle Regulation ist daher auch epigenetisch möglich.

Weitere Einflussgrößen sind nach der Transkription die Stabilität, Lokalisation und der Abbau der mRNA. Während der Translation sind Initiation und Elongation an Ribosomen sowie die Verfügbarkeit beladener tRNA wichtig. Nach der Translation beeinflussen unter anderem die Stabilität der gebildeten Proteine, ihre Wechselwirkungen und mögliche rückgekoppelte Prozesse die Genexpression. Besonders bei Eukaryoten können diese Prinzipien zusammenwirken und im Zusammenspiel von Genetik und Epigenetik komplexe Regulationsmechanismen bilden.

Einige Gene werden unabhängig von Zelltyp, Zellstadium und Wachstumsbedingungen dauerhaft gleichmäßig exprimiert. Sie heißen konstitutiv exprimierte Gene; dazu zählen viele Housekeeping-Gene. Ihre konstitutiven Enzyme erhalten die grundlegenden Funktionen einer Zelle.

Untersuchung von RNA und Proteinen

Die Expression kann als relative oder absolute RNA-Menge in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Entwicklungsstadium untersucht werden. Für ein oder wenige Transkripte dienen unter anderem Northern-Blot-Analyse, quantitative Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR), RNase Protection Assay und In-situ-Hybridisierung. Bei der In-situ-Hybridisierung zeigen radioaktive, mit Digoxigenin markierte oder fluoreszierende antisense-RNA-Proben die räumliche Verteilung von Transkripten.

Sollen viele oder alle RNAs einer Probe bestimmt werden, gehört dies zur Transkriptomik. Die DNA-Chip-Technologie beziehungsweise DNA-Microarray quantifiziert viele zuvor identifizierte Transkripte parallel. Die serielle Analyse der Genexpression (SAGE, Serial Analysis of Gene Expression) identifiziert kurze cDNA-Fragmente, sogenannte tags, die mithilfe der Reverse Transkriptase aus mRNA-Molekülen gewonnen werden. Gesamt-Transkriptom-Shotgun-Sequenzierung, auch RNA-Seq, ist eine neuere Alternative und stellt hohe Ansprüche an die bioinformatische Auswertung.

Zum Nachweis bekannter Proteine werden spezifische Antikörper in Immunassays verwendet. Die Western-Blot-Analyse liefert Aussagen über relative Menge und Größe eines Proteins. ELISA und Radioimmunassay eignen sich für quantitative Untersuchungen. Protein-Microarrays oder Biochips ermöglichen im Hochdurchsatz die parallele Analyse vieler Proteine aus wenig biologischem Probenmaterial. Immunhistochemische und immuncytochemische Untersuchungen zeigen ihre räumliche Verteilung.

Das Proteom ist die Gesamtheit der Proteine einer Zelle. Seine Darstellung ist Gegenstand der Proteomik. Diese ist besonders anspruchsvoll, weil die Zahl verschiedener Proteine einer Zelle die Zahl der Gene um ein Vielfaches übersteigt. Wichtigste Nachweisgeräte sind Massenspektrometer, die zunehmend präziser, sensitiver und schneller werden.