Wir verwenden essenzielle Cookies fuer den Betrieb der Seite. Optionale Analytik wird erst nach deiner Zustimmung aktiviert.
Das Genom der Eukaryoten umfasst die gesamte DNA im Zellkern und ist durch eine mosaikartige Struktur aus kodierenden Exons und nicht-kodierenden Introns sowie komplexe regulatorische Regionen wie Promotoren, Enhancer und Silencer gekennzeichnet. Die DNA enthält die Baupläne für Proteine; ihre Information wird über Transkription in RNA umgeschrieben und durch Translation in Aminosäuresequenzen übersetzt. Posttranslationale Modifikationen erweitern die Proteinfunktionen.
Das Genom bezeichnet die Gesamtheit aller Erbanlagen einer Zelle. Bei Eukaryoten besteht es aus doppelsträngiger DNA (Desoxyribonukleinsäure), die im Zellkern auf 46 Chromosomen (beim Menschen) verteilt ist. Einzelstränge treten nur kurzfristig auf, z. B. während der Replikation. Die DNA ist ein Polymer aus Nukleotiden, die aus einer Phosphatgruppe, dem Zucker Desoxyribose und einer von vier Basen bestehen: Adenin (A) und Guanin (G) (Purinbasen) sowie Thymin (T) und Cytosin (C) (Pyrimidinbasen). Die DNA bildet eine Doppelhelix, bei der sich komplementäre Basen über Wasserstoffbrücken paaren: A mit T (2 Wasserstoffbrücken) und G mit C (3 Wasserstoffbrücken). Nach der Chargaff-Regel ist das Verhältnis von A zu T und G zu C immer 1:1. Beispiel: Bei 22 % Thymin sind es 22 % Adenin, die restlichen 56 % verteilen sich zu gleichen Teilen auf Cytosin und Guanin (je 28 %). Das menschliche Genom umfasst ca. 6,4 * 10⁹ Basenpaare, wobei nur ein kleiner Teil für Proteine kodiert. Gene sind oft sehr lang und bestehen aus kurzen Exons, die von langen Introns unterbrochen werden.
Im Gegensatz zu Prokaryoten ist das Genom von Eukaryoten (Lebewesen mit Zellkern) deutlich komplexer organisiert. Ein Gen wird hier als eine Funktionseinheit der DNA definiert, die die Information für die Synthese einer RNA (und meist eines Proteins) enthält. Ein zentrales Merkmal ist, dass die genetische Information nicht kontinuierlich vorliegt, sondern unterbrochen ist.
Der Promotor ist die regulatorische Schaltzentrale am Anfang eines Gens. Er dient als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase und verschiedene Transkriptionsfaktoren, die den Start der Transkription (Umschreiben von DNA in RNA) steuern. Man kann ihn sich wie einen 'An-Schalter' vorstellen, der festlegt, wann und wie oft ein Gen abgelesen wird.
Innerhalb vieler eukaryotischer Promotoren findet sich die sogenannte TATA-Box. Dies ist eine spezifische DNA-Sequenz (meist TATAAA), die den exakten Startpunkt der Transkription markiert und hilft, die RNA-Polymerase richtig zu positionieren. Ohne einen funktionierenden Promotor kann die Information des Gens nicht abgerufen werden.
Zusätzlich zum Promotor gibt es weitere regulatorische Sequenzen: Enhancer (Verstärker) und Silencer (Dämpfer). Diese können weit entfernt vom eigentlichen Gen liegen, beeinflussen aber durch DNA-Schleifenbildung massiv, wie stark ein Gen exprimiert (ausgeprägt) wird.
Die kodierenden Abschnitte eines Gens werden als Exons (expressed regions) bezeichnet. Sie enthalten die Bauanleitung für das spätere Protein. In Eukaryoten sind diese Exons jedoch meist durch Introns (intragenic regions) voneinander getrennt. Introns sind Abschnitte, die zwar transkribiert, aber später aus der RNA entfernt werden und somit keine Information für das fertige Protein tragen.
Um das Prinzip von Exons und Introns zu verstehen, hilft die Analogie eines Spielfilms im Fernsehen: Die Exons sind die eigentlichen Filmszenen, während die Introns die Werbeunterbrechungen darstellen. Damit man den Film am Stück genießen kann, müssen die Werbeblöcke (Introns) herausgeschnitten und die Filmszenen (Exons) nahtlos aneinandergefügt werden.
Die Transcription ist der Prozess, bei dem die DNA mithilfe der RNA-Polymerase in eine einsträngige prä-mRNA (hnRNA) umgeschrieben wird. Nach der Transkription wird die prä-mRNA prozessiert: Am 5'-Ende erhält sie eine Cap-Struktur (modifiziertes Guanin) zum Schutz und zur Anheftung an Ribosomen. Am 3'-Ende wird ein Poly-A-Schwanz (Adeninreste) angehängt. Durch Splicing entfernt das Spliceosom die Introns und verknüpft die Exons zur reifen mRNA, die dann den Zellkern verlässt. Gelegentlich wird die mRNA noch durch RNA-Editing weiter modifiziert.
RNA (Ribonukleinsäure) unterscheidet sich von DNA durch den Zucker Ribose (statt Desoxyribose) und die Base Uracil (U) statt Thymin. Sie liegt meist einzelsträngig vor. Neben der mRNA gibt es weitere wichtige RNA-Formen: tRNA (Transfer-RNA) mit kleeblattartiger Struktur und Anticodon, die Aminosäuren zum Ribosom transportiert; ribosomale RNA (rRNA), die Bestandteil der Ribosomen ist und an der Proteinsynthese beteiligt ist (z. B. 18S-rRNA in der kleinen, 5S-, 5.8S- und 28S-rRNA in der großen Untereinheit). Weitere RNA-Arten wie snRNA (wichtig fürs Splicing), snoRNA (Modifikation von RNA) sowie miRNA und siRNA (Genregulation) erfüllen spezielle Aufgaben.
Die Translation ist die Übersetzung der mRNA-Sequenz in eine Aminosäurekette (Protein) an den Ribosomen. Jeweils drei Basen (ein Codon) codieren für eine Aminosäure. Der genetische Code ist degeneriert, d. h. mehrere Codons können für dieselbe Aminosäure stehen. Das Startcodon AUG codiert für Methionin und signalisiert den Beginn; die Stopcodons UAA, UAG, UGA beenden die Translation. tRNA-Moleküle mit passendem Anticodon bringen die Aminosäuren. Chaperone (Hitzeschockproteine) helfen bei der korrekten Proteinfaltung.
Nach der Translation können Proteine posttranslational modifiziert werden: Carboxylierung (wichtig für die Blutgerinnung), Hydroxylierung von Lysin und Prolin im Kollagen (Vitamin C als Cofaktor; Mangel führt zu Skorbut), Glykosylierung (z. B. O-glykosidisch an Serin/Threonin, N-glykosidisch an Asparagin, wichtig für Membranproteine), Phosphorylierung (Enzymregulation), Acetylierung (Schutz vor Abbau) und Acylierung (Membranproteine).
Ein Großteil des eukaryotischen Genoms besteht aus nicht-kodierender DNA. Während früher oft der Begriff 'Junk-DNA' verwendet wurde, weiß man heute, dass diese Bereiche essenziell für die Regulation, die Struktur der Chromosomen und den Schutz der genetischen Information sind.
