Genregulationsnetzwerk

Definition und Grundprinzip

Ein Genregulationsnetzwerk (GRN) ist eine Ansammlung von DNS-Segmenten in einer Zelle. Diese Segmente stehen direkt oder indirekt miteinander in Wechselwirkung, vor allem über RNS- und Protein-Botenstoffe sowie andere Stoffe der Zelle. Das Netzwerk steuert, wie häufig die Gene darin in mRNS transkribiert werden.

mRNS-Moleküle führen gewöhnlich zur Bildung eines bestimmten Proteins oder eines Proteinsatzes. Proteine können der Zelle Struktur geben, etwa an der Zellmembran oder im Zellinneren. Sie können auch als Enzyme wirken, also als Katalysatoren für Reaktionen wie die Aufspaltung von Nährstoffen oder Toxinen.

Regulation durch Transkriptionsfaktoren

Für regulatorische Netzwerke sind besonders Transkriptionsfaktoren wichtig. Das sind Proteine, die andere Gene aktivieren oder unterbinden können. Sie binden an Promotoren-Regionen am Anfang anderer Gene. Dadurch aktivieren sie diese Gene und lösen die Produktion weiterer Proteine aus.

So entstehen regulative Netzwerke oder genetische Wirkungsketten: Ein Protein beeinflusst die Aktivität eines Gens, dessen Produkte wiederum weitere Gene beeinflussen können. Manche Transkriptionsfaktoren fördern die Aktivierung, andere dienen der Unterbindung von Genaktivität.

Bedeutung bei Einzellern und Vielzellern

Bei einzelligen Organismen reagieren Genregulationsnetzwerke auf die Umwelt und erhöhen dadurch für eine bestimmte Zeit die Überlebenschancen der Zelle. Eine Hefezelle in einer Zuckerlösung kann beispielsweise Gene aktivieren, die Zucker in Ethanol umwandeln. Dies liefert Energie für die Vermehrung und kann ihre Überlebensaussichten verbessern.

Bei vielzelligen Tieren steuern genetische Wirkungsketten unter anderem die Körperform. Nach einer Zellteilung besitzen die beiden entstandenen Zellen zwar dasselbe Genom, können aber unterschiedliche Gene aktiviert haben und deshalb unterschiedliche Proteine herstellen. Ein sich selbst verstärkender Kreislauf kann dazu beitragen, dass eine Zelle ihre genetische Identität behält und an Tochterzellen weitergibt.

Zur Epigenetik gehören Mechanismen, die bisher weniger verstanden sind. Dabei kann die Modifizierung des Chromatins als zelluläres Gedächtnis wirken, indem sie Transkriptionen verhindert oder ermöglicht.

Morphogene, Entwicklung und Rückkopplung

Vielzellige Tiere nutzen häufig morphogene Gradienten. Sie vermitteln einer Zelle ihre Position im Körper und helfen ihr dadurch, sich zu einer passenden Zellart zu entwickeln. Ein in einer Zelle aktiviertes Gen kann die Zelle verlassen; sein Produkt kann in benachbarte Zellen diffundieren und dort Gene aktivieren, wenn diese Zellen eine bestimmte Entwicklungsstufe erreicht haben.

Die betroffenen Zellen erhalten dadurch eine neue Bestimmung. Sie können selbst weitere Morphogene bilden und der Ausgangszelle ein Feedback-Signal übermitteln. Über größere Entfernungen können Morphogene den aktiven Prozess der Signaltransduktion nutzen.

Solche Signale kontrollieren die Embryogenese, also die schrittweise Umsetzung der genetischen Blaupause beim Aufbau eines vollständigen Organismus. Sie steuern außerdem die Zellregeneration im ausgewachsenen Körper durch wechselseitiges Feedback zwischen Zellen. Fehlt dieses Feedback infolge von Mutationen, kann dies zu Zellwucherungen, also Krebs, beitragen. Genetische Wirkungsketten aktivieren zudem Gene für strukturelle Proteine, die Zellen die benötigten physischen Eigenschaften geben.

Entstehung und Rekonstruktion von Netzwerken

Es wurde vermutet, dass genetische Netzwerke wegen der intrinsischen Wahrscheinlichkeit biomolekularer Interaktionsmuster Ergebnis zellulärer Prozesse und nicht deren Ursache seien; verwiesen wird dabei auf den zellulären Darwinismus. Neueste experimentelle Ergebnisse legen jedoch die These der Zelldetermination nahe.

Genregulationsnetzwerke können mit bioinformatischen Methoden rekonstruiert werden. Grundlage sind Ergebnisse der Genexpressionsanalyse und Vorwissen aus molekularbiologischen Datenbanken. Diese datenbasierte Netzwerkmodellierung heißt Netzwerkinferenz oder, in Anlehnung an die Rekonstruktion technischer Systeme, Reverse Engineering.