Genregulation

Bedeutung und Ebenen der Genregulation

Genregulation ist die Steuerung der Genaktivität, genauer der Genexpression. Sie entscheidet, ob ein von einem Gen codiertes Protein gebildet wird, zu welchem Zeitpunkt und in welcher Menge. Genexpression umfasst alle Schritte, durch die die Information eines Gens in ein Genprodukt umgesetzt wird. An jedem dieser Schritte können regulatorische Faktoren eingreifen.

Bei Prokaryoten ermöglicht Genregulation vor allem die Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen, etwa an Sauerstoff- oder Nährstoffmangel. Bei mehrzelligen Eukaryoten steuert sie besonders die Entwicklung: Notwendige Gene müssen zur richtigen Zeit, im richtigen Gewebe und in den richtigen Zellen aktiv sein. In ausdifferenzierten Zellen ist das einmal festgelegte Expressionsprogramm meist weniger stark regulierungsbedürftig. Grundprinzipien gelten in allen Zellen, doch Bakterien besitzen häufig Operons, während Eukaryoten zusätzliche Regulationsmöglichkeiten durch die Prozessierung ihrer Transkripte haben.

Regulation ist unter anderem bei Chromatinmodifikation und DNA-Methylierung, bei Initiation, Elongation und Termination der Transkription, bei RNA-Prozessierung, RNA-Transport und -Stabilität, bei Translation sowie bei Reifung, Modifikation und Abbau von Proteinen möglich.

Chromatin und Start der Transkription

In Eukaryoten ist genomische DNA teilweise um Histone gewickelt. Histonmodifikationen verändern, welche DNA-Bereiche entfaltet und damit für die Transkription verfügbar sind. DNA-Methylierung inaktiviert bei Eukaryoten Gene. Beide Mechanismen gehören zum epigenetischen Code einer Zelle.

Die Initiation der Transkription legt grundsätzlich fest, ob ein Gen abgelesen wird; sie beeinflusst teilweise auch die Zahl der entstehenden mRNA-Moleküle. Die Entscheidung fällt an regulatorischen DNA-Sequenzen, die nahe am Gen oder weiter entfernt liegen können und selbst nicht transkribiert werden. Dazu gehört der Promotor. An solche Sequenzen binden Transkriptionsfaktoren: Aktivatoren fördern die Bindung der RNA-Polymerase, Repressoren hemmen sie. Repressive DNA-Sequenzen heißen Silencer; aktivierende Cis-Elemente heißen Enhancer.

Spezifische Transkriptionsfaktoren an Promotor oder Enhancer verändern die Chromatinkonformation. Dadurch können basale Transkriptionsfaktoren binden, welche die RNA-Polymerase rekrutieren und die Transkription starten. Specificity factors verändern die Bindungsspezifität der RNA-Polymerase. Ein gebundener Repressor kann die Anlagerung weiterer Transkriptionsfaktoren verhindern. Bei transkriptioneller Interferenz liegt vor dem Promotor ein zweiter, aktiver Promotor: Die dort arbeitende Polymerase bildet nichtcodierende RNA und verhindert so die Transkription des eigentlichen Gens. Ein Sonderfall ist die Katabolitrepression.

Beendigung der Transkription

Die Effizienz der Termination beeinflusst die mRNA-Menge. Fällt eine RNA-Polymerase nicht rasch genug vom DNA-Strang ab, kann das nächste Polymerase-Molekül vereinfacht gesagt nicht nachrücken; die mRNA-Produktion verlangsamt sich.

Bei Prokaryoten gibt es die Rho-unabhängige, die Rho-abhängige Termination und die Attenuation. Bei der Rho-unabhängigen Termination bilden ein GC-reicher RNA-Abschnitt und eine Folge von Uridinresten eine Haarnadelstruktur. Diese bringt die Polymerase zum Anhalten; mit dem PolyU-Abschnitt löst sich die mRNA von der DNA-Vorlage. Solche RNAs besitzen keinen PolyA-Schwanz. Bei der Rho-abhängigen Termination umschließt der Rho-Faktor als hexamerer Komplex etwa 70 bis 80 Nukleotide einsträngiger, entstehender mRNA. Er bewegt sich unter ATP-Verbrauch an der RNA entlang, holt die Polymerase ein und trennt den DNA-RNA-Hybrid, sodass sich Polymerase und RNA lösen.

Bei der Attenuation wird eine begonnene Transkription früh abgebrochen. Eine Haarnadelstruktur im 5'-UT-Bereich dient als Terminationssignal, bevor Strukturgene abgelesen sind. Andere regulatorische Sequenzen können ihre Bildung verhindern. Beispielsweise kann ein verzögert nachrückendes Ribosom Positionen auf der mRNA besetzen, die eine terminierende Haarnadelstruktur unmöglich machen.

Eukaryotische RNA-Polymerasen I, II und III verwenden unterschiedliche, noch nicht besonders gut untersuchte Mechanismen. Polymerase I für rRNA-Gene benötigt einen Rho-ähnlichen Faktor, der stromabwärts an DNA bindet. Polymerase II für mRNA terminiert vermutlich erst bei der Polyadenylierung. Polymerase III für tRNA-Gene beendet die Transkription nach einer Reihe von Uracil-Nukleotiden.

RNA-Prozessierung, Export und Translation

Bei Eukaryoten wird prä-mRNA verarbeitet. Beim Capping wird am 5'-Ende 7-Methyl-Guanosin angeheftet. Die 5'-Cap-Struktur beeinflusst RNA-Stabilität und spätere Translation und erleichtert die Anlagerung der fertigen mRNA an ein Ribosom. Fast alle mRNAs tierischer Zellen tragen einen Poly(A)-Schwanz. Funktioniert dessen Anheftung bei der Polyadenylierung nicht richtig, wird die mRNA nicht im Zellkern angehäuft, sondern rasch abgebaut. Die Effizienz der Polyadenylierung beeinflusst damit auch die Stärke der Transkription.

Beim Spleißen entfernt das Spleißosom Introns aus der prä-mRNA und fügt Exons zusammen. Beim alternativen Spleißen bestimmen regulatorische Faktoren, welche Introns entfernt werden; dadurch kann sich die fertige mRNA unterscheiden. Nur vollständig prozessierte mRNAs werden mit dem 5'-Ende voran durch Kernporen ins Cytoplasma transportiert. Sie bilden mit Proteinen einen hnRNP-Komplex beziehungsweise fertigen mRNP und werden im Cytoplasma sofort mit Ribosomen besetzt. Die Effizienz des Exports beeinflusst Geschwindigkeit und Menge der verfügbaren mRNAs.

Bei der Translationsinitiation bildet sich in Pro- und Eukaryoten ein Präinitiationskomplex aus Proteinen, der mit der kleinen Ribosomenuntereinheit zusammenwirkt und die Startstelle erkennt. Regulation kann über spezifische Initiationsfaktoren oder über eine allgemeine Abschaltung erfolgen: Dazu wird ein Serinrest von eIF2 phosphoryliert. Antisense-RNAs können komplementär an den 5'-Bereich einer mRNA binden und die Bindung der kleinen ribosomalen Untereinheit blockieren. Auch microRNAs sind wichtig für die Translationsregulation. Im trp-Operon der Prokaryoten ist Attenuation ein Regulationsmechanismus während der Translation.

Abbau, epigenetische und besondere Mechanismen

Die Konzentration einer mRNA hängt von ihrer Bildungs- und Abbaurate ab. Stabile mRNA kann noch lange nach Inaktivierung eines Gens Proteinproduktion ermöglichen. Für Proteine, die schnell verschwinden sollen, ist daher kurzlebige mRNA vorteilhaft. AUUUA-Sequenzen im untranslatierten 3'-Bereich beschleunigen durch Bindung von RNasen den Abbau; je mehr solche Sequenzen vorkommen, desto schneller wird die RNA abgebaut. Auch die Länge des Poly(A)-Schwanzes ist wichtig: Je kürzer er ist, desto geringer ist die Halbwertszeit. Nonsense-mediated mRNA Decay erkennt vorzeitige Stopcodons und verhindert die Expression verkürzter Proteine. Die meisten bakteriellen mRNAs haben Halbwertszeiten von wenigen Minuten; mRNAs vieler Gene ausdifferenzierter eukaryotischer Zellen erreichen mehrere Stunden. Kurzzeitig benötigte eukaryotische Gene, beispielsweise für Hormone oder Cytokine, werden stoßartig exprimiert.

Auch die Protein-Stabilität ist regulierbar. Kurz wirkende Proteine können Aminosäuren oder Sequenzen tragen, die ihren Abbau beschleunigen, etwa bestimmte Aminosäuren nach der N-End Rule, PEST-Sequenzen oder Proteaseschnittstellen.

Epigenetische Regulation bedeutet hier, dass die Information, ob ein Gen in Tochterzellen aktiviert oder reprimiert wird, nicht direkt im Gen liegen muss. Die regulierenden Transkriptionsfaktoren werden gewissermaßen mitvererbt. Damit beschäftigen sich Epigenetik und Imprinting. Zu besonderen Mechanismen zählen Autoregulation und Genregulation bei Entwicklungsvorgängen. Housekeeping-Gene werden stets exprimiert und benötigen daher keine Regulation. Zu genregulatorischen Bereichen gehören Promotor, Operator sowie Cis-Elemente wie Silencer und Enhancer.