Genregulation bei Eukaryoten

In unserem Körper gibt es viele verschiedene Zellarten. Es gibt zum Beispiel Muskelzellen, Nervenzellen, Sinneszellen und Hautzellen.

Weshalb gibt es eigentlich so viele unterschiedliche Zellen? Und warum sehen sie unterschiedlich aus und haben unterschiedliche Funktionen?

Diese und alle anderen Fragen zum Thema Genregulation bei Eukaryoten erklärt dir jetzt simpleclub.

Genregulation bei Eukaryoten einfach erklärt

Eukaryoten sind Zellen mit einem Zellkern. Die Genregulation sorgt dafür, dass Strukturen gebildet werden, die die richtige Funktion ausführen.

Jede Zelle eines Organismus besitzt immer alle Gene. Und die Gene bestimmen im Endeffekt, welche Funktion die Zelle ausübt und welche Form sie hat.

Es werden zum Beispiel Nervenzellen gebildet, und diese brauchen spezielle Nervenverbindungen um Signale weiterzuleiten, Muskelzellen brauchen einen bestimmten Aufbau, um Bewegungen durchzuführen und Sinneszellen brauchen besondere Härchen. Somit werden die Strukturen unterschiedlich gebildet, je nachdem welche Funktion sie ausführen. Dabei hilft die Genregulation.

Diese Genregulation findet vor und während der Transkription statt.

Sie sorgt also genau dafür, dass immer nur bestimmte Gene in Strukturproteine und Enzyme umgesetzt werden und legt fest, wie genau die Gene abgelesen werden. Alle anderen Gene, die nicht benötigt werden, sind dann nicht aktiv, also quasi ausgeschaltet und sparen so Energie.

Dadurch kann die Zelle genau das bilden, was sie für ihre Funktion braucht. Jede Zelle ist nämlich mit der gleichen Erbinformation ausgestattet und die Zellen müssen unterschieden werden können.

Genregulation bei Eukaryoten Definition

Genregulation bei Eukaryoten Ablauf

Im generellen codieren Gene für Proteine. Die Zelle benötigt jedoch nicht immer alle Proteine. Deshalb muss dies mithilfe der Genregulation geregelt werden.

Die Genregulation spielt sich bei Eukaryoten auf unterschiedlichen Ebenen ab. Deswegen kann sie zu verschiedenen Zeitpunkten ablaufen.

Die Genregulation läuft bereits vor der Transkription, während der Transkription und während der Translation ab.

Während der Transkription wird die DNA abgelesen. Im nächsten Schritt wird sie dann kopiert. Die Transkription kann durch sogenannte Transkriptionsfaktoren beeinflusst werden.

Die Prä-mRNA bildet sich, wenn sich ein Gen in der Transkription befindet. Die Prä-mRNA wird dann wiederum verändert und wandert vom Zellkern in das Cytoplasma.

Nach der Transkription kommt die Translation. Hier wird die mRNA zu einer Aminosäurensequenz modifiziert. Die entstandenen Proteine müssen unter bestimmten Umständen noch aktiviert werden. Manche von ihnen funktionieren aber schon von Anfang an.
Die Genexpression kann auf zwei Ebenen ablaufen: auf der Ebene der Transkription und der Ebene Translation.

Manchmal kann sie sich auch zwischen diesen beiden Ebenen abspielen.

Die Genregulation bei Eukaryoten findet meistens auf der Ebene der Transkription statt. Das verbraucht nämlich weniger Energie als eine Genregulation auf Ebene der Translation.

Genregulation bei Eukaryoten Arten

Es gibt verschiedene Mechanismen auf verschiedenen Ebenen, über die die Genregulation stattfinden kann.

Sie kann vor der Transkription, während der Transkription und nach der Transkription stattfinden.

Am wichtigsten ist dabei die Ebene der Transkription.

Prä-transkriptionale Regulation

Die ersten beiden Mechanismen finden prä-transkriptional, also vor der Transkription, statt. Hier unterscheidet man zwei konkrete Regulationsmechanismen.

Methylierung

Die erste ist die Methylierung von Basen.
Es binden sogenannte Methylgruppen an Cytosin-Basen. Die ganze Raumstruktur der DNA verändert sich und die Transkriptionsfaktoren können nicht mehr an die DNA binden.

Dafür brauchen wir eine kurze Erinnerung zur Verpackung der DNA. Die DNA wird um Proteine, die sogenannten Histone, gewickelt.
Genau hier setzt der zweite Mechanismus an.

Histonmodifikation

Das ist die Histonmodifikation.

Es werden bestimmte chemische Moleküle an die Histone gebunden, die das Ablesen der DNA dann entweder ermöglichen oder verhindern. Zur Histonmodifikation gehören die Methylierung, die Acetylierung und die Phosphorylierung.

Methylierung

Eine Methylgruppe wird bei der Methylierung an die Histone gebunden.
Das erhöht die Anziehungskräfte, wodurch alles eng zusammenrückt. Dadurch bleibt der Polymerase nicht genug Platz zum Ablesen.

Acetylierung & Phosphorylierung

Bei der Acetylierung wird eine Acetylgruppe an die Histone gebunden.
Das lockert die Anziehungskraft. Daraufhin rücken DNA und Histone auseinander. Die DNA kann dann abgelesen werden.

Bei der Phosphorylierung bindet eine Phosphatgruppe. Hier wird die DNA gelockert und das Ablesen wird ebenso ermöglicht.

Transkriptionale Regulation

Der nächste Mechanismus greift während der Transkription.
Bei der Einleitung der Transkription müssen bestimmte Proteine an den Promotor binden. Das sind die sogenannten allgemeinen Transkriptionsfaktoren.

Wir erinnern uns, dass der Promotor der Startpunkt der Transkription ist. Erst wenn diese Transkriptionsfaktoren an den Promotor gebunden haben, kann die RNA-Polymerase daran binden und starten.

Daneben gibt es noch zusätzliche Kontrollregionen. Das sind die sogenannten Enhancer und Silencer. Es sind also DNA-Abschnitte, die viele Basenpaare neben dem Transkriptionsstart sitzen. Diese kontrollieren ob das Gen öfter oder weniger abgelesen werden muss.
Wenn das der Fall ist, werden sogenannte Aktivatoren (aktivierende Transkriptionsfaktoren) oder Repressoren (hemmende Transkriptionsfaktoren) gebildet. Sie werden auch spezielle Transkriptionsfaktoren genannt.

Die Aktivatoren sitzen nicht frei. Sie sitzen fest an dem Enhancer oder Silencer. Sie müssen allerdings auch die Polymerase binden, die sich noch am Promotor befindet. Wie kommen die Aktivatoren also an die Polymerase?

Das passiert, dadurch, dass die DNA gebogen wird. Das wird auch Schleifenbildung genannt. Durch diese Biegung können die speziellen Transkriptionsfaktoren direkt die Polymerase binden.

Die Regulation wird hier beeinflusst, da die Aktivierung von Enhancern die Transkriptionsrate beschleunigt. Das erhöht dann auch die Zahl der gebildeten Genprodukte.
Das Gegenteil bewirken die Silencer. Sie senken die Transkriptionsrate und es werden weniger Genprodukte gebildet.

Genregulation zwischen Transkription und Translation

Auch nach der Transkription gibt es Regulationsmechanismen, nämlich zwischen der Transkription und der Translation.

Nach der Transkription besitzen Eukaryoten eine Prä-mRNA. Sie ist eine Form der RNA, die grundsätzlich schon übersetzt werden kann, aber noch etwas verändert werden muss.
Das passiert während der RNA-Prozessierung. Hier entsteht dann eine fertige mRNA und das sogenannte alternative Spleißen kommt ins Spiel.

Alternatives Spleißen

Bereiche, die nicht notwendig sind, werden dann beim Spleißen aus der mRNA geschnitten. Diese Abschnitte nennt man Introns und sie codieren nicht.

Die fertige mRNA besteht dann also nur noch aus den codierenden Bereichen, den sogenannten Exons, in denen alle notwendigen Angeben zur Aminosäuresequenz liegen. Beim alternativen Spleißen werden die Exonen eines Gens neu sortiert.
So können sich daraus unterschiedliche mRNAs bilden und eine Breite an verschiedenen Proteinen entstehen.

Genregulation bei Eukaryoten Zusammenfassung

Die Genregulation ermöglicht die Differenzierung von Zellen und ist damit extrem wichtig. Denn nur so können verschiedene Zellen, verschiedene Funktionen ausführen.

Man unterscheidet Regulationsmechanismen, die vor, während und nach der Transkription stattfinden.

Vor der Transkription, also prä-transkriptional, können methylierte Cytosin-Basen die RNA-Polymerase blockieren.
Außerdem können Histone chemisch modifiziert werden, wodurch die DNA und Histone entweder lockerer oder enger verpackt werden. Bei der Methylierung wird die DNA enger verpackt. Somit kann sie nicht abgelesen werden. Bei der Acetylierung und Phosphorilierung wird die DNA-Verpackung gelockert. Somit kann die DNA abgelesen werden.

Während der Transkription regulieren Enhancer und Silencer die Transkriptionsrate und die Menge der Genprodukte. Enhancer sorgen für eine erhöhte Genregulation. Silencer für eine reduzierte Genregulation.