Genregulation

Genregulation regelt die Genexpression im Organismus, kontrolliert also, welches Gen wann, wo und in welchem Umfang exprimiert (abgelesen) wird. Gerade in mehrzelligen Organismen ist es wichtig, dass die Entwicklung genau abgestimmt wird, dass also alle genregulierten Funktionen ’Hand in Hand’ arbeiten, um kein Chaos zu verursachen.

Zur Genregulation gibt es mehrere Gelegenheiten:

Eine wichtige Möglichkeit der Einflussnahme findet sich bei der Entscheidung, welches Gen transkribiert werden soll, also bei der Initiation der Transkription. Hier wird über den Promoter gesteuert, ob das Gen abgelesen wird oder nicht. Um ein Gen zu aktivieren, heftet sich ein Proteinkomplex bestehend aus mehreren Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase II an den Kernpromoter. Er wird als Präinitiationskomplex bezeichnet. Bindet statt dessen ein Repressor an den Promoter, wird das Gen inaktiv und somit nicht abgelesen. Ebenso binden die speziellen Transkriptionsfaktoren an Enhancer oder Silencer auf dem Gen, wodurch die Transkription entweder verstärkt oder aber verringert wird.

Eine zweite Möglichkeit zur Einflussnahme ist die Initiation der Translation. Auch hier wird ein Präinitiationskomplex gebildet, der mit der kleinen Untereinheit des Ribosoms interagiert. Hier kann, etwa durch Umbau des Präinitiationskomplexes (z. B. durch Phosphorylierung, also durch das Anklemmen eines Phosphatrestes), ebenfalls regulatorisch eingegriffen werden.

Ein weiterer wichtiger Regulationsmechanismus ist die Synthese der sogenannten Antisense-RNA (aRNA). Diese wird vom nicht-codierenden Strang (Matrizenstrang) der DNA abgelesen. Sie lagert sich komplementär an die mRNA an und verhindert so eine Translation. Die Antisense-RNA wird immer dann transkribiert, wenn an einem Gen ein zweiter Promoter am 3’-Ende aktiviert wird, der dann die Transkription des nicht-codierenden Stranges der DNA veranlasst.

Die wichtigste Möglichkeit zur Regulation besteht allerdings in der Menge und Haltbarkeit der mRNA. Je nachdem ob schnell auf eine Situation reagiert werden muss, ist die RNA kurzlebig, bei längeren Prozessen kann sie auch über Stunden stabil sein und dementsprechend öfter abgelesen werden. Die Stabilität der mRNA hängt ab von der Länge des Poly(A)-Schwanzes sowie von speziellen Basensequenzen (AUUUA), die unterschiedlich oft wiederholt werden. Je öfter diese vorkommen, desto schneller wird die mRNA abgebaut.

Auch bei der Prozessierung der prä-mRNA können regulatorische Faktoren eingreifen, etwa beim Herausspleißen von Introns oder beim Anbringen des Poly(A)Schwanzes oder der Cap sowie beim Transport in das Cytoplasma.

Capping

Kurz nach Beginn der Transkription wird an den Anfang der produzierten RNA ein Molekül gebunden, das meist aus einem umgebauten Guanosin-Nukleotid besteht. Es hat eine wichtige Funktion bei der Stabilisierung des entstehende RNA-Stranges, der nach seiner Fertigstellung aus dem Zellkern ins Cytoplasma transportiert werden muss. Diese Struktur wird auch als 5’-Cap-Struktur bezeichnet (von engl. cap = Kappe).

Tailing (Polyadenylierung)

Eine ähnliche Funktion hat auch das Tailing, bei dem ein Polyadenylschwanz oder Poly(A)-Schwanz (engl. tail), der viele Adenin-Nukleotide beinhaltet, am 3’-Ende eines entstehenden RNA-Stranges angehängt wird. Das dient, wie auch das Capping, der Stabilität der RNA und verhindert deren vorzeitigen Abbau im Cytoplasma. Der Poly(A)-Schwanz hilft vermutlich auch beim Beginn der Translation.

Splicing (Spleißen)

Hierbei werden nach der Transkription die nicht codierten Bereiche (Introns) aus dem RNA-Strang herausgeschnitten. Übrig bleiben die Exons, die zusammen mit dem gecappten und polyadenylierten RNA-Enden die gereifte mRNA bilden. Diese wird anschließend aus dem Zellkern in das Cytoplasma transportiert. Je nach Bedarf werden manchmal auch nur bestimmte Introns aus der prä-mRNA herausgespleißt, die anderen Introns werden maskiert, um keinen vorzeitigen Abbau auszulösen. Das bezeichnet man als alternatives Spleißen (alternative splicing). So können aus einem Gen verschiedene Proteine synthetisiert werden.

Das Spleißen findet im sogenannten Spleißosom statt, einem Proteinkomplex, der noch im Zellkern an die prä-mRNA bindet. Bindet der Komplex nicht, bzw. werden die Introns nicht entfernt, wird die RNA noch im Kern abgebaut.

Capping Tailing und Splicing gelten als posttranskriptionelle Modifikationen, weil sie nach der Transkription stattfinden (sogenanntes Prozessieren).