Genexpression steuern

Alle Körperzellen eines Menschen gehen durch Mitose aus der Zygote hervor und tragen dieselben Gene. Welche Proteine eine Zelle bildet, hängt davon ab, welche Gene sie abliest — und das lässt sich von außen steuern.

• Genexpression:Umsetzung der Information eines Gens in ein Genprodukt (RNA, Protein) über Transkription und Translation.
• Promotor:DNA-Abschnitt vor einem Gen, an den die RNA-Polymerase bindet; dort beginnt die Transkription.
• Transkriptionsfaktoren:Proteine, die an bestimmte DNA-Sequenzen binden und die Transkription eines Gens fördern (Aktivatoren) oder hemmen (Repressoren).
• Steroidhormone:z. B. Cortisol, Östrogen, Testosteron; lipophil, diffundieren deshalb durch die Zellmembran und binden an einen Rezeptor im Cytoplasma oder Zellkern.
• Hormon-Rezeptor-Komplex:gelangt in den Zellkern und bindet an ein Hormon-Response-Element (HRE), eine kurze DNA-Sequenz vor dem Promotor der Zielgene — er wirkt selbst als Transkriptionsfaktor.
• Wirkung:Der Komplex erleichtert die Bindung der RNA-Polymerase am Promotor; das Zielgen wird verstärkt transkribiert, die Zelle bildet mehr des codierten Proteins.
• Zielzellen:Nur Zellen mit passendem Rezeptor reagieren — ein Hormon im Blut wirkt so gezielt auf bestimmte Gewebe.
• Zelldifferenzierung:Zellen spezialisieren sich, indem sie unterschiedliche Gene exprimieren — bei identischem Genom.

Neben kurzfristigen Signalen gibt es chemische Markierungen, die festlegen, welche Gene über viele Zellteilungen abgeschaltet bleiben — ohne dass sich die Basenfolge ändert.

• DNA-Methylierung:Enzyme (DNA-Methyltransferasen) hängen Methylgruppen (–CH₃) an Cytosin, vor allem an CpG-Stellen: ein C, auf das im selben Strang ein G folgt.
• Methylierter Promotor:Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase binden schlechter; das Gen wird nicht transkribiert — es ist stumm.
• Weitergabe:Nach der Replikation übertragen Methyltransferasen das Muster auf den neuen Strang; Tochterzellen erben es.
• Umwelteinfluss:Ernährung, Stress oder Schadstoffe verändern Methylierungsmuster, teils dauerhaft; die Basensequenz bleibt dabei gleich.
• Epigenetik:Forschung zu vererbbaren Veränderungen der Genaktivität, die nicht auf einer Änderung der Basensequenz beruhen.
• Honigbiene:Königin und Arbeiterinnen haben dasselbe Genom. Larven, die mit Gelée royale gefüttert werden, werden Königinnen; wird eine Methyltransferase in Larven experimentell ausgeschaltet, entstehen ebenfalls vermehrt Königinnen (KUCHARSKI et al. 2008).
• Eineiige Zwillinge:gleiche Basensequenz, aber mit zunehmendem Alter immer verschiedenere Methylierungsmuster, besonders bei unterschiedlicher Lebensweise (FRAGA et al. 2005).

Ziehe Cortisol durch die Membran zum Rezeptor und den Hormon-Rezeptor-Komplex an das HRE — schaltet das Gen an? Setze dann Methylgruppen auf die CpG-Stellen im Promotor. Mit der Tastatur: Tab zu einem Objekt, Pfeiltasten bewegen es.

Halte fest: Das Hormon schaltet ein Gen nur in Zielzellen mit Rezeptor an. Ist der Promotor methyliert, bleibt das Gen trotz Hormon stumm — die Methylierung überstimmt das kurzfristige Signal.