Gen: Definition, Funktion und klinische Bedeutung

Ein Gen ist ein fundamentaler Baustein des Lebens, das in jeder Zelle des Körpers verborgen liegt. Gene tragen die Erbinformationen, die nicht nur bestimmen, wie man aussieht, sondern auch, wie unser Körper funktioniert. Von der Weitergabe genetischer Merkmale über Generationen hinweg bis hin zur Rolle in Gesundheit und Krankheit – Gene beeinflussen nahezu jeden Aspekt des alltäglichen Lebens. In diesem Artikel wird die Welt der Gene, ihre Struktur und Funktion sowie ihre Bedeutung für Wissenschaft, Medizin und die Zukunft der Menschheit betrachtet.

Gen – Definition

Ein Gen ist eine grundlegende Einheit der Vererbung und enthält die genetische Information, die für die Entwicklung, das Wachstum und die Funktion von Organismen verantwortlich ist. Gene bestehen aus DNA (Desoxyribonukleinsäure), einem Molekül, das aus langen Ketten von Nukleotiden aufgebaut ist.

Gen – Aufbau

Gene bestehen aus Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. DNA). Diese hat als kleinste Einheit das Nukleotid, welches aus einem Zucker-Phosphat-Rückgrat und einer von vier zugehörigen Basen besteht. Bei diesen Basen kann es sich im Falle der DNA um Adenin, Thymin, Cytosin oder Guanin handeln. Da die DNA aus zwei Strängen besteht, kann man sich den Aufbau wie eine Leiter vorstellen, wobei das Zucker-Phosphat-Rückgrat den Seitenstrang der Leiter darstellt und die Basen die Sprossen. Die Basen der komplentären Seitenstränge passen immer zusammen. Es paaren sich immer Adenin mit Thymin sowie Cytosin mit Guanin.

Wie das codierende Gen in der DNA aufgebaut ist entscheidet nur einer der Stränge, der dann auch codogener Strang genannt wird. An ihm wird das Gen abgelesen. Drei aufeinanderfolgende DNA-Basen codieren für eine Aminosäure im letztendlichen Protein.

Gen – Funktion

Gene werden als Abschnitte der DNA abgelesen und in Form von RNA exprimiert. Diese RNA wird schließlich in ein Protein umgesetzt, welches eine spezifische Aufgabe im menschlichen Körper erfüllt. Diese lebenswichtigen Prozesse sollen in folgenden Abschnitten genauer erläutert werden.

Ablauf der Transkription

Um ein Protein zu werden, muss das Gen abgelesen werden und in eine Kopie umgesetzt werden. Es können vieler dieser Kopien existieren, aus denen dann die Information für ein Protein abgelesen wird, welches dann letztendlich von den Ribosomen gebaut werden kann. Damit ist die Transkription Teil der Genexpression, also des Ausdrucks eines Gens.

Diese Kopie entsteht in Form einer RNA. Diese hat nur einen Strang und anstatt der Base Thymin befindet sich dort Uracil. Ein weiterer Unterschied ist der Zucker des Rückgrats, welcher Ribose ist, im Gegensatz zur DNA, wo es die Desoxyribose ist.

Diese Kopie kann erst entstehen, wenn die Transkription ordentlich in drei Schritten abläuft. Der erste Schritt ist die Initiation, bei der sich ein Initiationskomplex und eine Transkriptionsblase bilden, um die DNA-Stränge an der Stelle des abzulesenden Gens voneinander zu trennen. Dies übernimmt das Enzym Helicase, es entwindet die DNA. Da bei der Entwindung Torsionsspannungen auftreten versuchen die Topoisomerasen diese aufzuheben. Dann kann das ablesen und sie Synthese der RNA beginnen.

Der zweite Schritt ist die Elongation, also die Verlängerung und Synthese des RNA-Strangs, der letztendlich die benötigte Kopie darstellt. Die Synthese der RNA findet am codogenen Strang statt, wo durch eine RNA-Polymerase die Nukleotide mit den passenden Basen komplementär angefügt werden. Letztendlich wird im letzten Schritt, der Termination, die Transkription beendet. Das heißt die RNA ist nun vorerst fertig synthetisiert und die DNA-Stränge im Bereich des abgelesenen Gens fügen sich wieder zusammen.

Jedoch ist diese hnRNA genannte Kopie noch nicht ganz bereit den weiteren Weg zum Protein zu gehen. Sie muss zuerst zur mRNA prozessiert werden, da sie instabil ist und immer noch Sequenzen besitzt (sog. Introns), die nicht zum codierenden Teil gehören. Diese müssen erst herausgeschnitten werden. Dieser Prozess wird Splicing/Spleißen genannt.

Zum Schutz der RNA vor Abbau wird ihr noch eine Guanylkappe ans 5′-Ende angehangen und eine Polyadenylierung an das 3′-Ende angefügt.

Ablauf der Translation

Die fertige mRNA muss nun abgelesen und in eine Abfolge von Aminosäuren übersetzt werden. Eine große Rolle spielt dabei die Interaktion von Ribosomen und der tRNA, die mit der passenden Aminosäure kombiniert vorliegt. Drei aufeinanderfolgende Basen sind ein Triplett und codieren für eine bestimmte Aminosäure. Die “Code-Sonne” ist eine spezielle Darstellungsmethode und kann dabei helfen herauszufinden, welche Tripletts für welche Aminosäure stehen (siehe Abbildung).

Der Ablauf beginnt mit der Initiation, bei der die kleine Untereinheit des Ribosoms die mRNA erkennt und sich mit einer spezifischen tRNA verbindet, die das Startcodon AUG (für Methionin) trägt. Anschließend lagert sich die große Ribosomenuntereinheit an. In der Elongation wandert das Ribosom entlang der mRNA und liest die Codons (jeweils drei Nukleotide). Zu jedem Codon wird die passende tRNA mit der entsprechenden Aminosäure angeliefert. Die Aminosäuren werden durch Peptidbindungen miteinander verbunden und bilden eine wachsende Polypeptidkette. Schließlich endet die Translation in der Termination, wenn ein Stoppcodon (z. B. UAA, UAG oder UGA) erreicht wird. Das Ribosom zerfällt, und das fertige Protein wird freigesetzt.

Gen – Klinik

Genetische Erkenntnisse ermöglichen es, erbliche Erkrankungen besser zu verstehen, personalisierte Therapien zu entwickeln und die Prävention sowie Prognose von Krankheiten gezielt zu verbessern. Viele Krankheiten entstehen auf der Ebene der Genetik und damit sind Gene eine vielversprechende Anlaufstation für die Therapie bislang schwer behandelbarer Krankheiten. In der Forschung im Bereich der Gene tut sich viel. Einen Überblick sollen folgende Abschnitte geben.

Genmutationen

Die Codes in den Genen sind relativ streng. Wenn auch nur ein kleiner Fehler in der Abfolge auftritt, kann das fatale Folgen für das fertige Protein haben, das dann sogar unter Umständen komplett seine Funktion verliert oder sogar Schäden anrichten kann. Solche Fehler können korrigiert werden. Doch hin und wieder können solche Mutationen von den Korrekturmechanismen aus unterschiedlichen Gründen übersehen werden und zur Ausbildung verschiedener Erkrankungen führen.

Ein solcher Fehler ist eine Mutation, welche eine dauerhafte Veränderung in der DNA-Sequenz eines Organismus darstellt. Sie kann spontan während der Zellteilung auftreten oder durch äußere Einflüsse wie Strahlung, Chemikalien oder Viren ausgelöst werden. Mutationen können einzelne Nukleotide betreffen oder auch ganze Gene verändern. Genmutationen können noch unterteilt werden:

• Punktmutation: Wenn eine einzelne Base in der DNA durch eine andere ersetzt wird.
• Deletion: Wenn eine Base in der DNA einfach gelöscht wird/verloren geht.
• Insertion: Wenn mindestens eine Base eingefügt wird.
• Trinukleotid-Repeat-Mutation: Wenn sich Basentripletts (die für eine Aminosäure codieren) im Gen ungewollt mehrfach wiederholen.

Je nachdem wo und in welcher Zahl diese Mutationen auftreten, können sie das Leseraster unterschiedlich stark oder auch gar nicht beeinflussen.

Wie entstehen Genmutationen?

Man muss unterscheiden, ob die Schädigung des Genoms endogen oder exogen entstanden ist. Endogen meint von innen, also sozusagen vom Körper selbst verursacht. Dazu kommen Fehler beim Replizieren, also verdoppeln der DNA im Laufe des Zellzyklus in Frage. Eine andere Möglichkeit ist die Instabilität der Basen, die ihnen zum Verhängnis werden kann. So können durch radikale Sauerstoffspezies, die sich in gewissen Maßen im Körper aufhalten, die Basen der DNA spontan oxidieren. Aus einem Guanin kann 8-Oxo-Guanosin entstehen, ein methyliertes Cytosin kann zu Thymin werden und Cytosin kann zu Uracil desaminieren.

Exogene Ursachen, die von außerhalb einen Einfluss ausüben, sind normalerweise chemischer oder physikalischer Natur. Alkylierende Substanzen wie beispielsweise Senfgas, das im ersten und zweiten Weltkrieg zum Einsatz kam, können die DNA-Basen chemisch so verändern, dass sie sich mit anderen Basen paaren, als gewöhnlich. Interkalierende Substanzen legen sich so zwischen die einzelnen DNA-Stränge, dass keine Replikation mehr möglich ist. Einige Zytostatika wirken auf diese Weise. Physikalische Noxen sind typischerweise Strahlungen. Zu diesen DNA-verändernden Strahlungen zählt auch die UV-Strahlung des Sonnenlichts. Sie führt dazu, dass sich vor allem Thymine zu Dimeren ausbilden und ab dieser Stelle ebenfalls die Replikation der DNA nicht mehr möglich ist. Ionisierende Strahlung belasten den Körper im Zuge radioaktiver Prozesse oder beim einfachen Röntgen. Sie können für Brüche der einzelnen DNA-Stränge sorgen. Zusätzlich fördert die ionisierende Strahlung die Bildung freier Radikaler, die wiederum wie schon besprochen DNA-verändernde Eigenschaften besitzen.

Dennoch existieren körpereigene Reparaturmechanismen, die diese Mutationen wieder in Ordnung bringen können. Allerdings können Mutation aus verschiedensten Gründen übersehen werden. Sind Gene betroffen, die mit Regulationsmechanismen des Zellwachstums und deren Vermehrung zu tun haben, können theoretisch Tumore entstehen.

Gentechnik

Immer und immer mehr rückt das Beeinflussen der Gene in den Vordergrund der medizinischen Forschung und sogar Therapie. Wenn ein Protein nicht funktioniert, weil das Gen nicht richtig abgelesen werden kann, macht es ja Sinn das defekte Gen auszutauschen. Mit solchen und vielen anderen spannenden Überlegungen beschäftigt sich die Gentechnik.

CRISPR-Cas9 ist eine bahnbrechende Methode zur gezielten Bearbeitung des Erbguts, die auf einem natürlichen Abwehrmechanismus von Bakterien basiert. Die Technologie nutzt eine spezialisierte RNA, die eine bestimmte DNA-Sequenz im Genom erkennt und mit dem Cas9-Enzym kombiniert, welches die DNA präzise schneidet. Dieser gezielte Schnitt ermöglicht es, Gene zu deaktivieren, zu modifizieren oder neue DNA-Sequenzen einzufügen. CRISPR hat zahlreiche Anwendungen in der Medizin, wie die potenzielle Heilung von genetischen Erkrankungen, die Entwicklung von Krebstherapien oder die Bekämpfung von Infektionskrankheiten. Trotz des enormen Potenzials wirft CRISPR ethische und regulatorische Fragen auf, insbesondere in Bezug auf die Möglichkeit, das menschliche Erbgut dauerhaft zu verändern.

Der genetische Fingerabdruck ist eine Methode der Molekulargenetik, die zur Identifizierung von Individuen anhand ihrer DNA verwendet wird. Diese Technik nutzt die Tatsache, dass bestimmte Abschnitte des menschlichen Erbguts – sogenannte Mikrosatelliten oder short tandem repeats (STRs) – von Person zu Person unterschiedlich sind. Durch den Vergleich dieser DNA-Muster können Personen eindeutig identifiziert werden. Der genetische Fingerabdruck findet Anwendung in der Kriminalistik (z. B. zur Überführung von Tätern), in Vaterschaftstests sowie in der Identifizierung von Opfern. Die Methode ist hochpräzise und basiert auf der Analyse kleiner DNA-Proben, die aus Blut, Speichel, Haaren oder anderen biologischen Materialien gewonnen werden können.