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Die Genexpression beschreibt den Weg vom Gen zum Protein, beginnend mit der Transkription der DNA in RNA und der anschließenden RNA-Prozessierung bei Eukaryoten.
Der Informationsfluss in der Zelle folgt dem Zentralen Dogma der Molekularbiologie: Die Information fließt von der DNA über die RNA zum Protein. Dieser Prozess beginnt mit der Transkription, bei der ein spezifischer DNA-Abschnitt als Vorlage für die Synthese eines komplementären RNA-Strangs dient. Man kann sich die DNA als das Original-Rezeptbuch im Archiv (Zellkern) vorstellen, während die RNA eine Arbeitskopie für die Küche (Ribosomen) darstellt.
Die Transkription wird durch das Enzym RNA-Polymerase durchgeführt. Dieser Prozess gliedert sich in drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination. Bei der Initiation bindet die RNA-Polymerase an eine spezifische Startsequenz auf der DNA, den sogenannten Promoter. Dieser signalisiert dem Enzym, wo das Gen beginnt und welcher der beiden DNA-Stränge als Matrize (Codogener Strang) dienen soll.
Während der Elongation entwindet die RNA-Polymerase die DNA-Doppelhelix und liest den codogenen Strang in 3'->5' Richtung ab. Die Synthese des neuen RNA-Strangs erfolgt dabei immer in 5'->3' Richtung. Hierbei werden Ribonukleotide (mit der Base Uracil statt Thymin) komplementär angelagert. In der Termination erkennt das Enzym eine Stopp-Sequenz, löst sich von der DNA und entlässt die fertige (Prä-)mRNA.
Bei Eukaryoten ist die frisch synthetisierte Prä-mRNA noch nicht einsatzbereit und muss im Zellkern modifiziert werden – diesen Vorgang nennt man RNA-Prozessierung. Ein wesentlicher Schritt ist das Capping, bei dem am 5'-Ende eine modifizierte Guanin-Struktur (5'-Cap) angebracht wird. Dies schützt die RNA vor Abbau und dient als Erkennungssignal für das Ribosom.
Am 3'-Ende erfolgt die Polyadenylierung, bei der ein Poly-A-Schwanz aus vielen Adenin-Nukleotiden angehängt wird. Dieser stabilisiert die mRNA zusätzlich und erleichtert den Export aus dem Zellkern in das Zytoplasma. Ohne diese Schutzkappen an beiden Enden würde die mRNA im Zytosol sehr schnell durch Enzyme abgebaut werden.
Ein entscheidender Schritt der Prozessierung ist das Spleißen (Splicing). Eukaryotische Gene enthalten Introns (nicht-codierende Abschnitte) und Exons (codierende Abschnitte). Durch das Spleißosom, einen großen Enzymkomplex, werden die Introns herausgeschnitten und die Exons miteinander verknüpft. Durch alternatives Spleißen können aus derselben Prä-mRNA verschiedene reife mRNAs entstehen, was die Proteinvielfalt enorm erhöht.
Der Genetische Code übersetzt die Nukleotidsequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins. Jeweils drei Basen bilden ein Codon (Basentriplett), das für eine spezifische Aminosäure codiert. Der Code ist degeniert (oder redundant), was bedeutet, dass mehrere verschiedene Codons für dieselbe Aminosäure codieren können (z.B. gibt es 64 mögliche Codons für nur 20 Aminosäuren).
Zudem ist der genetische Code universell, da fast alle Lebewesen denselben Code verwenden, und kommafrei sowie nicht-überlappend, was bedeutet, dass die Basen nacheinander ohne Lücken oder Überschneidungen abgelesen werden. Das Start-Codon (meist AUG) legt dabei das Leseraster fest, welches für die korrekte Übersetzung entscheidend ist.
