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Einführung in die Genexpression

Die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese

In den 1940er Jahren entwickelten George Beadle und Edward Tatum die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese, die besagt, dass jeweils genau ein Gen für ein Enzym codiert.

Diese Hypothese hat heute nur noch sehr eingeschränkt Gültigkeit. Es gibt durchaus Gene im pro- und auch eukaryontischen Genom, die für genau ein Protein codieren, aber es gibt mindestens ebenso viele Ausnahmen von dieser Hypothese.

Zahlreiche Proteine bestehen aus mehr als einer Untereinheit, ein sehr bekanntes Beispiel ist das Hämoglobin, das aus vier Polypeptidketten besteht. Einer der größten bakteriellen Enzymkomplexe, die Pyruvat-Dehydrogenase, umfasst sogar 60 Proteine! Zudem sind längst nicht alle Proteine auch Enzyme - viele Proteine sind Strukturproteine ohne katalytische Aktivität, z.B. das Keratin der Haare oder das Collagen des Bindegewebes, und auch diese Proteine werden natürlich von Genen codiert.

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Abb.1
Collagen-Strang aus drei Ketten

gelb: Prolin, magenta: Glycin; PDB-Code: 1CLG

Abb.2
Hämoglobin

Die vier Untereinheiten des Proteins sind unterschiedlich eingefärbt, die Sauerstoff tragenden Protoporphyrin-Ringe sind ausgeblendet; PDB-Code: 1HGC.

Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese zur Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese verändert. Aber selbst diese Hypothese ist heute nicht mehr haltbar. Beispiele für Ausnahmen sind:

  • Auch katalytische RNA-Moleküle wie Ribozyme, tRNAs und rRNAs werden von Genen codiert. Gene codieren also nicht immer für Polypeptide!
  • Durch einen komplizierten Vorgang, der "alternatives Spleißen" genannt wird, können aus einer eukaryontischen mRNA verschiedene reife mRNAs gebildet werden, indem unterschiedliche Introns herausgeschnitten werden. So entstehen im Endeffekt aus einem mRNA-Molekül auch mehrere Proteine. Ein sehr bekanntes Beispiel hierfür ist die Synthese der Antikörper, deren enorme Vielfalt zu einem großen Teil auf alternativen Spleißvorgängen beruht.
  • Eine weitere Modifikation führt ebenfalls dazu, dass aus einer mRNA verschiedene Proteine gebildet werden: das RNA-Editing ist ein in Eukaryonten vorkommendender Mechanismus, bei dem die Basensequenz der mRNA selbst noch vor dem Spleißen verändert wird. Auch so können aus einem Gen mehrere mRNAs und letztendlich auch Proteine entstehen, wenn durch die Veränderung der mRNA Spleiß-Stellen entstehen bzw. wegfallen oder Stop-Codons eingefügt werden.
  • In manchen Fällen wird von einer DNA nicht nur der codogene, sondern auch der komplementäre DNA-Strang in eine RNA übersetzt. Diese RNA kann als so genannte antisense-RNA an die komplementäre mRNA binden; die nun doppelsträngige RNA wird dann von Enzymen erkannt und abgebaut. Diese Art der Genregulation kommt z.B. vor, wenn RNA aus Viren in die Zelle eindringt. Die Zelle kann die Virus-RNA mit antisense-RNA unschädlich manchen und sich so vor einer Infektion schützen.
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