Um dieser Frage nachzugehen schauen wir uns zuerst einmal einige Definitionen an.
Was ist die Zelle?
Die Zelle ist die kleinste funktionierende Einheit im Körper, sie kann sich selbst vervielfältigen und reparieren, und schließt sich mit anderen Zellen zu Geweben und Organen zusammen. Haben Sie im Sinn, dass die Zellen winzig klein sind, im Durchschnitt zwischen 0.010 und 0.1 mm (10-100 micrometer) im Durchmesser, und deshalb sind auch die Stoffe, die sie in ihrem Inneren herstellt und bewegt, winzig klein. Ich möchte darauf hinaus, dass man deshalb nicht über Stoffe spricht, sondern über Teilchen oder Moleküle.
Es gehen also in die Zelle Moleküle hinein, aus denen sie das, was sie für ihren Erhalt oder für die Funktion des Organs an dem sie teilhat, selbst herstellt. In ihrem Inneren, dem wässrigen Zellplasma, beherbergt sie dafür verschiedene Fabriken, die als Organellen bezeichnet werden. Beispielsweise produziert sie in den Mitochondrien Energie, d. h. ein winziges Molekül (ATP), das in Herstellungs- und Umwandlungsprozessen gebraucht wird, und an den Ribosomen stellt sie Eiweiße her. Für Transportprozesse hat sie den Golgi-Apparat, das ist ein Membransystem, das Eiweiße und Fette in die Zelle hinein und hinaus und auch innerhalb der Zelle hin und her bewegt.
Dann hat jede Zelle einen Zellkern, der mit Poren ausgestattet ist, so dass auch hier ein Transport zwischen dem Inneren des Kerns und dem Plasma stattfindet. Im Inneren des Kerns sind die Gene. Abschriften der Gene bezeichnet man als mRNA (messenger RNA) - diese werden aus dem Zellkern heraus zu den Ribosomen transportiert. Hier dienen sie als Vorlage für die Eiweißsynthese.
Daher können wir an diesem Punkt schon festhalten:
Eine Genabschrift entspricht einem Eiweißmolekül - hierbei gibt es selbstverständlich Ausnahmen, aber um den Zusammenhang zu verstehen, ist es nicht erforderlich hier tiefer zu gehen.
Info:
Eiweißmoleküle und größere Eiweiße werden als Proteine bezeichnet.
Was ist ein Gen?
Ein Gen ist ein Abschnitt der DNS (Desoxyribonukleinsäure). Es hat sich allerding der englische Begriff ‚DNA‘ allgemein durchgesetzt, wobei das ‚A‘ für ‚acid‘ steht, was Säure bedeutet. Der Abschnitt, der ein Gen ausmacht, ist auch als Sinnabschnitt zu betrachten. Alle Gene werden von einem Enzym in RNA umgeschrieben. An der Stelle wo ein Gen abgeschrieben wird, da löst sich das Chromatin von der DNA, der Doppelstrang öffnet sich und ein Einzelstrang wird für die Enzyme, die die RNA herstellen, erreichbar.
Nur ein Teil, die Protein-codierenden Gene, geben Ursprung für mRNA (messenger RNA oder Boten-RNA), die im Zellplasma die Vorlage für die Proteinsynthese ist.
Ein anderer Teil, die RNA-Gene, geben den Ursprung für viele verschiedene RNAs, denn auch RNA-Moleküle können eine Funktion haben. Diese funktionellen RNA-Moleküle werden auch therapeutisch genutzt - ich nenne hier microRNAs (‘micro’ = sehr klein), die sich an mRNAs anlagern und die Proteinsynthese blockieren und lncRNAs ('lnc' für 'lang' und 'nicht-codierend'), die sich an DNA und Histone anlagern und Gene regulieren. In dem Blogartikel 'Wie kontrollieren Hormone Gene' habe ich eine Illustration eingefügt, die zeigt dass Gene an- und abgeschaltet werden können.
Nun betrachten wir die DNA.
Wie kommt die DNA in der Zelle vor?
Die DNA liegt als ein langer Faden im Zellkern vor. Sie ist um Histone herumgewickelt, die in ihrer Gesamtheit das Chromatin bilden und alles ist aufgewickelt zu Chromosomen, die man auch als ‚spiralisiert‘ bezeichnet. Eine menschliche Zelle hat 46 solcher Fäden, also 46 Chromosomen. 23 sind vom Vater (Spermium) und 23 von der Mutter (Eizelle) vererbt – dies bedeutet, dass alle Gene des Menschen auf 23 Chromosomen verteilt sind und auch, dass die Gene in Körperzellen doppelt vorliegen.
Exkurs: ‘doppelter Chromosomensatz = alle Gene zweifach’
Ich erkläre dies kurz und nehme die Augenfarbe als ein vereinfachtes Beispiel. Das Gen für blaue Augen kommt vom Vater, das für grüne Augen von der Mutter. In den Zellen der Iris wird das Gen für den grünen Farbstoff unterdrückt, stattdessen wird das Gen vom Vater abgeschrieben und der blaue Farbstoff hergestellt. Daraus lässt sich ableiten, dass die Gene von Vater und Mutter dieselben sind, also die Bauanleitung für ein Eiweiß in demselben Vorgang (‚Iris entwickeln‘) liefern, aber die Information für den Bau des Eiweißmoleküls etwas unterschiedlich sein kann.
Illustration: doppelsträngige DNA spiralisiert zu Chromosomen
Was genau ist die DNA?
Jeder der 23 DNA-Fäden ist unterschiedlich lang und enthält verschieden viele Gene, die durch einen Code, der auf der Abfolge von vier Nukleotidbasen basiert, definiert sind. Die DNA besteht aus einem Gerüst aneinandergereihter Desoxyribonukleinsäure-Nukleotide. Das Spezielle dieser Nukleotide ist, dass sie eine von vier möglichen Basen tragen, entweder die Nukleotidbase Adenin (kurz: A) oder Guanin (kurz: G), Cytosin (kurz: C) und Thymin (kurz: T), wodurch eine bestimmte Basenabfolge resultiert, die einen Code festlegt.
Eine verschiedene Aneinanderreihung dieser vier Nukleotide resultiert in einer unterschiedlichen Abfolge der Basen und einem unterschiedlichen Code. Um den Code zu beschreiben nennt man nur die Basen: A – G – T – C – T – T – A – C – C – C – G
Die DNA liegt im Zellkern immer als Doppelstrang vor. Dabei stellt das Prinzip der komplementären Basenpaarung (Adenin paart immer mit Thymin und Guanin immer mit Cytosin) sicher, dass beide Stränge denselben Code haben und bei Vervielfältigung auch behalten. Die Abbildung unten illustriert die Vorgänge.
Wie hängt die Länge der mRNA mit der Größe des Eiweißmoleküls zusammen?
Die mRNA von Protein-codierenden Genen wird aus dem Zellkern heraus zu den Ribosomen transportiert. Hierher werden auch Aminosäuren gebracht, welche die Bausteine der Eiweiße sind. Ab einem definierten Startpunkt der mRNA werden jeweils drei Nukleotidbasen mit einer von insgesamt 21 Aminosäuren gepaart. Die Aminosäuren, die sich nebeneinander befinden, werden miteinander verbunden, so dass eine Aminosäurekette entsteht, die man Peptidkette nennt wenn sie sehr kurz ist (unter 100 AS), und Polypeptidkette wenn sie länger ist.
Eine Kette enthält nur die 21 Aminosäuren, die durch den Code der DNA vorgegeben sind, und sie faltet sich zum Protein, dem fertigen Eiweißmolekül, auf. Eine Polypeptidkette hat also nur ein Drittel so viele Aminosäuren wie die mRNA Nukleotidbasen hat. Ist die mRNA kurz, ist auch die Polypeptidkette kurz und das Protein klein, ist die mRNA lang, ist das Protein entsprechend größer.
Illustration: Protein wird an der messenger RNA entlang hergestellt
Zusammenfassung:
Die DNA besteht aus einem Nukleotidgerüst mit einer bestimmten Abfolge von Basen, welche einen Code festlegt. In vielen Abschnitten der DNA definiert der Code die Bauanleitung für Eiweißmoleküle, dies sind die Protein-codierenden Gene. Von diesen werden RNA-Stränge abgeschrieben, die nachfolgend zur messenger RNA prozessiert werden. Die mRNA kann aus dem Zellkern heraus in das Zellplasma gelangen und ist hier Vorlage für die Synthese von Ketten aus Aminosäuren (Polypeptidketten), die sich zu Proteinen (‘Eiweißen’) auffalten.
Es gibt auch RNA-Gene, diese codieren für miRNAs und lncRNAs. Auch diese Gene werden von Enzymen in RNA-Stränge umgeschrieben, welche nachfolgend verändert werden, um die funktionellen RNA-Moleküle herzustellen. Die funktionsfertigen RNAs verbleiben im Zellkern und beeinflussen hier die Aktivität von Genen.
Das Genom bezeichnet die Gesamtheit der DNA-Sequenz, die in 23 Chromosomen enthalten ist. Es enthält etwas über 20.000 tausend Protein-codierende Gene und über 21.000 tausend Gene, die für funktionelle RNAs codieren. Hinzu kommt sehr viel nicht-codierende DNA-Sequenz, die beispielsweise Bindungsmotive codiert, an die Transkriptionsfaktoren binden, um Gene an- oder abzuschalten. Der Blogartikel über Hormone enthält eine Illustration.
Was ist Genfunktion im Unterschied zum Gen?
Ein Gen bezeichnet einen Sinnabschnitt der DNA. In diesem Abschnitt ist ein Code festgelegt, der in RNA umgeschrieben wird. Erste Möglichkeit: die RNA ist eine ‘messenger RNA’, die aus dem Zellkern hinaus transportiert wird, um im Zellplasma als Vorlage für die Proteinsynthese zu dienen. Zweite Möglichkeit: diese RNA ist ein funktionsfähiges Molekül, das im Zellkern verbleibt und hier die Aktivität bestimmter Gene verändert, diese also reguliert.
Genfunktion bezeichnet das, was aus dem Umschreiben des Gens in RNA resultiert. Also, nicht nur generell, dass ein Gen für ein Protein codiert, sondern was dieses Protein in der Zelle und im Körper bewirkt - welche Funktion es hat und in welchen Prozess es eingebunden ist.
Die Genfunktion wird in nicht-wissenschaftlichen Texten mit der Funktion des Proteins gleichgesetzt. Ich gebe im folgenden Absatz ein paar Hinweise für den Umgang mit den Bezeichnungen.
Wie unterscheidet man Gen versus Protein in der Schreibweise?
Ob es sich um das Gen oder aber das Protein handelt, das beschrieben wird, sieht man an der Schreibweise des Namens - Gene sind immer kursiv. Dabei werden nur Kürzel von 2-4 Buchstaben aus dem vollständigen Namen verwendet.
Gibt es mehrere ähnliche Gene, die in einer Genfamilie sind, dann werden diese fortlaufend, wie sie entdeckt wurden, nummeriert.
Die Kürzel der menschlichen Proteine sind immer in Großbuchstaben geschrieben.
Die Kürzel der Proteine von Tieren enthalten nur den ersten Buchstaben als Großbuchstabe.
Gene werden immer kursiv geschrieben.
In der Praxis sieht das so aus:
Beispiel 1
Vollständiger Genname: Breast Cancer 1
BRCA1
Das Gen codiert für ein Enzym, das DNA repariert und liegt auf Chromosom 17.
Das Protein wird BRCA1 geschrieben.
In der Maus ist das Kürzel Brca1. Dies findet insofern Anwendung als viele Untersuchungen zur Funktion von Proteinen und Genen in Mäusen durchgeführt werden.
Es gibt ein verwandtes Gen, BRCA2, das ebenfalls für ein DNA-Reparatur-Enzym codiert und auf Chromosom 13 liegt. Das Protein wird BRCA2 geschrieben und in der Maus Brca2.
Beispiel 2
Iroquois Homeobox-Gene: kurz IRX. Diese Gene kodieren für Transkriptionsfaktoren, also DNA-bindende Proteine, die Gene regulieren, d. h. an- und abschalten.
Es gibt im Menschen sechs Gene dieser Familie: IRX1, IRX2, IRX3, IRX4, IRX5, IRX6.
Die Proteine werden geschrieben: IRX1, IRX2, IRX3, IRX4, IRX5, IRX6.
Die homologen, also dieselben, Gene in der Maus sind: Irx1, Irx2, Irx3, Irx4, Irx5, Irx6.
Ausblick
Die nächsten Blogartikel widme ich den Therapien. Wir schauen uns an was ein Gendefekt ist und wie sich Gendefekte auswirken. Dann erkläre ich Therapien, auf welcher Ebene, d. h. in welchen Prozessen die Funktion eines Gens wiederhergestellt werden kann.
Entsprechende Techniken werden vor allem für die Behandlung seltener Erkrankungen und für die Herstellung von Immuntherapeutika zur Behandlung von Krebspatienten eingesetzt.
Therapeutische Produkte im Rahmen einer Gen- oder RNA-Therapie werden von der Europäischen Aufsichtsbehörde für Arzneimittelentwicklung und -zulassung (EMA) als Advanced Therapy Medicinal Products (ATMP) klassifiziert.