Ein Gen, die grundlegende Einheit der Vererbung, ist ein Abschnitt der Desoxyribonukleinsäure (DNA), der die Informationen enthält, die für die Synthese eines Polypeptids (Proteins) oder eines funktionellen RNA-Moleküls erforderlich sind. Die Proteinsynthese, "folding" sowie tertiäre und quartäre Strukturen bestimmen schließlich einen großen Anteil der körpereigenen Struktur und Funktion.
Die DNA liefert den Code, der viele Aspekte der Entwicklung und des Wachstums eines Menschen sowie Faktoren, die sich auf die Gesundheit auswirken, bestimmt. Die Genfunktion variiert jedoch aufgrund von Schwankungen in der Genexpression, die durch genetische, epigenetische oder umweltbedingte Faktoren verursacht werden können. Das Wissen über die vielen biochemischen Mechanismen, die die Genexpression vermitteln, wächst rasant.
Im Folgenden finden Sie einige Begriffe, die die genetische Zusammensetzung und Expression beschreiben:
Genom bezeichnet den vollständigen Satz an genetischem Material eines Organismus, einschließlich aller Gene und nichtkodierenden Sequenzen.
Genotyp ist die spezifische Allelzusammensetzung für ein bestimmtes Gen oder eine Reihe von Genen in einer Zelle oder einem Organismus.
Phänotyp bezieht sich auf die beobachtbaren Merkmale einer Person, wie Größe, Augenfarbe oder Blutgruppe. Der Phänotyp wird durch eine komplexe Interaktion mehrerer Faktoren bestimmt, darunter Genotyp, Genexpression und Umweltfaktoren. Spezifische Genotypen können mit dem Phänotyp gut oder schlecht korrelieren.
Genexpression bezeichnet den Prozess, bei dem die in einem Gen codierte Information genutzt wird, um die Bildung eines nachgeschalteten Moleküls (Protein oder RNA) zu steuern. Die Genexpression hängt von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel davon, ob ein Merkmal dominant oder rezessiv ist, von der Penetranz und Expressivität des Gens (siehe Faktoren, die die Genexpression beeinflussen), davon, ob die Expression geschlechtsbegrenzt ist oder einer chromosomalen Inaktivierung oder genomischen Prägung unterliegt, von Umweltfaktoren sowie von anderen unbekannten Faktoren.
Struktur der DNA
Der Mensch hat etwa 20.000 bis 25.000 Gene, je nachdem, wie ein Gen definiert ist (1). Gene befinden sich auf Chromosomen, die im Zellkern und in den Mitochondrien enthalten sind. (Mitochondriale DNA und assoziierte Erkrankungen werden separat besprochen.)
Jedes Chromosom besteht aus mehreren wichtigen strukturellen Komponenten: Zentromer (Bereich, in dem ein Chromosomenpaar während der Zellteilung verbunden ist und sich dann trennt); Telomere (Bereiche an den Enden jedes Chromosoms, die dazu beitragen, die strukturelle Integrität während der DNA-Replikation aufrechtzuerhalten); und Chromatiden (Arme des Chromosoms: Jedes Chromosom hat einen kurzen Arm, der als „p” bezeichnet wird, und einen langen Arm, der als „q” bezeichnet wird). (Siehe Abbildung .)
Struktur eines Chromosoms
Das Zentromer ist eine Verengung, an der die beiden Chromatiden zusammengehalten werden. Chromatiden sind die Arme des Chromosoms; jedes Chromosom hat einen kurzen Arm, der als „p“ bezeichnet wird, und einen langen Arm, der als „q“ bezeichnet wird. Telomere sind Bereiche an den Enden jedes Arms eines Chromosoms. Das DNA-Molekül besteht aus DNA-Strängen, die durch Proteine, sogenannte Histone, zu kompakten Strukturen innerhalb des Chromosoms geformt werden. Credit: GWEN SHOCKEY / SCIENCE PHOTO LIBRARY |
Ein Karyotyp ist der vollständige Satz von Chromosomen in den Zellen einer einzelnen Person. In den Ergebnissen von Gentests wird der Karyotyp als Bild aller Chromosomenpaare in numerischer Reihenfolge dargestellt. Während dieses Prozesses (Karyotypisierung genannt) werden in der Regel Zellen aus einer Probe (z. B. Blut, Fruchtwasser oder Gewebe) entnommen, zur Förderung der Zellteilung kultiviert und anschließend behandelt, um die Zellteilung im Metaphase-Stadium zu stoppen, in dem die Chromosomen am besten sichtbar sind. Die Chromosomen werden anschließend gefärbt und fotografiert, um einen Karyotyp zu erstellen, der die Größe, Form und Anzahl der Chromosomen in dieser Zellprobe darstellt.
Beim Menschen sind die meisten Zellen somatische (Nicht-Keim-)Zellen mit Zellkernen, die 23 Chromosomenpaare enthalten, was eine Gesamtzahl von 46 Chromosomen ergibt (diploid). In somatischen Zellen besteht jedes Paar aus einem Chromosom, das von der Mutter vererbt wird, und einem Chromosom, das vom Vater vererbt wird. Von den 23 Chromosomenpaaren werden die Nummern 1 bis 22 als Autosomen bezeichnet. Diese Paare sind normalerweise homolog (Größe, Form, Position und Anzahl der Gene sind identisch mit dem anderen Chromosom im Paar). Das dreiundzwanzigste Paar sind die Geschlechtschromosomen X und Y, die das Geschlecht einer Person bestimmen. Frauen haben zwei X-Chromosomen in somatischen Zellkernen; Männer haben ein X- und ein Y-Chromosom.
Das X-Chromosom trägt Gene, die für viele Erbanlagen verantwortlich sind. Bei Frauen sind die beiden X-Chromosomen homolog, sodass jedes Gen ein Gegenstück auf dem anderen X-Chromosom hat. Bei Männern sind das X-Chromosom und das kleinere Y-Chromosom heterolog. Das Y-Chromosom trägt Gene, die die Differenzierung des männlichen Geschlechts initiieren, sowie eine kleine Anzahl anderer Gene. Da das X-Chromosom viel mehr Gene hat als das Y-Chromosom, sind viele X-Chromosom-Gene bei Männern nicht gepaart. Allerdings wird eines der X-Chromosomen in jeder Zelle von Frauen früh im Fetalstadium inaktiviert (Lyonisierung), sodass ein Gleichgewicht des genetischen Materials zwischen Männern und Frauen aufrechterhalten wird. In einigen Zellen ist das mütterliche X-Chromosom inaktiviert und in anderen ist es das väterliche X-Chromosom. Sobald die Inaktivierung in einer einzelnen Zelle erfolgt ist, haben alle Nachkommen dieser Zelle dieselbe X-Inaktivierung.
Keimzellen (Eizellen und Spermien) enthalten in bestimmten Stadien 46 Chromosomen; während der Meiose trennen sich die Chromosomenpaare jedoch, sodass jede Keimzelle (Spermatozyte oder Oozyte) nur noch eine Kopie jedes Chromosoms enthält, was zu einer Gesamtzahl von 23 Chromosomen (haploid) führt. Die ungepaarten Chromosomen können eine Rekombination durchlaufen, einen Prozess, bei dem mütterliche und väterliche Chromosomen sich kreuzen können (Austausch zwischen homologen Chromosomen). Wenn eine Oozyte bei der Empfängnis von einem Spermatozoon befruchtet wird, wird die Zahl von 46 Chromosomen in der befruchteten Eizelle wiederhergestellt.
Chromosomen enthalten sowohl Gene (transkriptionell aktive Segmente des Chromosoms, sogenanntes Euchromatin) als auch zusätzliches Material, das nicht für Proteine kodiert (transkriptionell inaktive Segmente, sogenanntes Heterochromatin). Gene sind innerhalb der DNA der Chromosomen linear angeordnet. Jedes Gen hat eine spezifische Stelle (Locus), die in der Regel für jedes der 2 homologen Chromosomen gleich ist. Gene, die auf beiden (d. h. von Mutter und Vater stammenden) Teilen eines Chromosomenpaars denselben Locus besetzen, werden Allele genannt. Jedes Gen besteht aus einer spezifischen DNA-Sequenz, und 2 Allele können einen leichten Unterschied oder dieselbe DNA-Sequenz haben. Ein Paar identischer Allele für ein bestimmtes Gen wird als homozygot bezeichnet; ein Paar nicht identischer Allele wird als heterozygot bezeichnet. Einige Gene liegen in mehreren Kopien vor, die entweder direkt nebeneinander oder über verschiedene Stellen auf demselben oder auf unterschiedlichen Chromosomen verteilt sein können.
DNS-Aufbau
Die DNS (Desoxyribonukleinsäure) ist das genetische Material einer Zelle, das in Chromosomen innerhalb des Zellkerns und der Mitochondrien enthalten ist. Mit Ausnahme bestimmter Zellen (z. B. Samenzellen und Eizellen) enthält der Zellkern 23 Chromosomenpaare. Ein Chromosom enthält viele Gene. Ein Gen ist ein Abschnitt der Desoxyribonukleinsäure (DNS oder DNA), der den Code zur Herstellung eines Proteins oder eines RNA-Moleküls liefert. Das DNS-Molekül ist eine lange, gewundene Doppelhelix, die einer spiralförmigen Strickleiter ähnelt. Darin befinden sich 2 Stränge, die aus Zucker (Desoxyribose) und Phosphatmolekülen zusammengesetzt und in Paaren von 4 Molekülen miteinander verbunden sind (genannt Basen), welche die Stufen der Strickleiter bilden. In den Stufen ist Adenin mit Thymin oder Guanin mit Cytosin gepaart. Jedes Basenpaar wird durch Wasserstoffverbindungen zusammengehalten. Ein Gen besteht aus einer Basensequenz. Sequenzen aus 3 Basen verschlüsseln eine Aminosäure (Aminosäuren sind Moleküle, die die Bausteine von Proteinen darstellen) oder andere Informationen. |
Literatur zur Struktur
1. National Human Genome Research Institute. What Is a Genome? Accessed March 5, 2025.
Bedeutung der Gene
Gene bestehen aus DNA. Die Struktur der DNA ist eine Doppelhelix, in der Nukleotide (Basen) paarweise angeordnet sind:
Adenin (A) ist mit Thymin (T) gepaart
Guanin (G) ist gepaart mit Cytosin (C)
Die Länge des Gens bestimmt die Länge des Proteins oder der RNA, die aus dem Gencode synthetisiert wird. Für die Proteinsynthese findet die DNA-Transkription statt, bei der 1 DNA-Strang als Vorlage verwendet wird, aus der Boten-RNA (mRNA) synthetisiert wird. RNA hat die gleichen Basenpaare wie DNA, außer dass Uracil (U) Thymin (T) ersetzt. Die mRNA-Moleküle wandern vom Zellkern zum Zytoplasma und dann zu einem Ribosom, einer Zellstruktur. Im Ribosom findet die Translation statt, d. h. die Übersetzung der mRNA-Sequenz in die Aminosäuresequenz, die für die Synthese des jeweiligen Proteins erforderlich ist. Die Transfer-RNA (tRNA) bringt jede Aminosäure zurück an das Ribosom, wo sie der wachsenden Polypeptidkette in einer durch die mRNA bestimmten Sequenz hinzugefügt wird. Während eine Kette von Aminosäuren zusammengesetzt wird, faltet sie sich zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur, unterstützt durch die Anwesenheit benachbarter Chaperon-Moleküle.
Die Sequenz und die 4 Nukleotidbasen in der DNA liefern den Code für die Proteinsynthese. Bestimmte Aminosäuren werden durch spezifische Kombinationen von drei Basen (Tripletts), sogenannte Codons, kodiert. Da es 4 Nukleotide gibt, beträgt die Anzahl der möglichen Tripletts 43 (was 64 möglichen Codons entspricht). Es gibt jedoch nur 20 Standardaminosäuren, was zu einer Redundanz im genetischen Code führt, d. h., dass mehrere Codons für dieselbe Aminosäure kodieren können. Zusätzlich zu diesen Codierungstripletts erfüllen einige Codons spezielle Funktionen. Beispielsweise werden bestimmte Tripletts als Startcodons (typischerweise AUG, das auch für Methionin kodiert) bezeichnet, die den Beginn der Proteinsynthese signalisieren, während andere als Stoppcodons (z. B. UAA, UAG und UGA) fungieren, die das Ende der Proteinsynthese anzeigen. Diese Organisation ermöglicht sowohl die Kodierung von Proteinen als auch die Regulierung ihrer Synthese (1, 2).
Gene bestehen aus Exons und Introns. Bei proteinkodierenden Genen kodieren die Exons für die Aminosäurekomponenten des endgültigen Proteins. Introns sind Sequenzen von Nukleotidbasen, die nicht für Aminosäuren kodieren, sondern andere Informationen enthalten, die die Geschwindigkeit der Proteinproduktion und die Art des produzierten Proteins regulieren. Zusammen werden Exons und Introns in die prä-mRNA transkribiert, aber die aus Introns transkribierten Abschnitte werden später herausgespleißt, sodass reife mRNA entsteht. Darüber hinaus kodieren einige Segmente der DNA für Antisense-RNA, die an mRNA-Sequenzen bindet und die Translation in Proteine hemmen kann. Der DNA-Strang, der nicht transkribiert wird, um mRNA zu bilden, kann auch als Matrize für die Synthese von RNA, die die Transkription des Gegenstrangs steuert, verwendet werden.
Intron-Spleißen (auch alternatives Spleißen genannt) ist ein Mechanismus der Variabilität der Genexpression. Während des alternativen Spleißens werden Introns herausgespleißt, und die verbleibenden Exons können in vielen Kombinationen zusammengesetzt werden, was zur Bildung zahlreicher unterschiedlicher mRNAs führt, die in viele verschiedene Proteinisoformen transkribiert werden können. Somit liegt die Anzahl der Proteine, die von Menschen synthetisiert werden kann, bei > 100.000, obwohl das menschliche Genom nur etwa 20.000+ Gene hat.
Literatur zur Genfunktion
1. Liu CC, Simonsen CC, Levinson AD. Initiation of translation at internal AUG codons in mammalian cells. Nature. 1984 May 3-9;309(5963):82-5. doi: 10.1038/309082a0
2. Brown A, Shao S, Murray J, Hegde RS, Ramakrishnan V. Structural basis for stop codon recognition in eukaryotes. Nature. 2015 Aug 27;524(7566):493-496. doi: 10.1038/nature14896
Epigenetische Faktoren
Vererbbare Veränderungen, die keine Veränderungen der DNA-Sequenz beinhalten, werden als Epigenetik bezeichnet. Zu den Schlüsselmechanismen, die die Genexpression beeinflussen, ohne die genetische Sequenz zu modifizieren, gehören DNA-Methylierung und Histonmodifikationen wie Methylierung und Acetylierung.
Die DNA-Methylierung ist in der Regel mit der Stilllegung der Genexpression assoziiert. Histonproteine, die Spulen ähneln, um die sich die DNA wickelt, beeinflussen die Faltung und Entfaltung der DNA. Histonmodifikationen wie Acetylierung oder Methylierung können die Expression eines bestimmten Gens erhöhen oder verringern.
Eine weiterer wichtiger Mechanismus beinhaltet microRNAs (miRNAs). MiRNAs sind kurze, von Haarnadeln abgeleitete RNAs, die die Expression von Zielgenen nach der Transkription unterdrücken (Haarnadel bezieht sich auf die Form, die die RNA-Sequenzen annehmen, wenn sie sich miteinander verbinden). MiRNA können an der Regulation von bis zu 60% der transkribierten Proteine beteiligt sein.
Merkmale und Vererbungsmuster
Ein Merkmal kann so einfach wie die Augenfarbe oder so komplex wie die Anfälligkeit für Diabetes sein. Die Expression eines Merkmals kann ein Gen oder mehrere Gene einschließen. Einige Einzel-Gendefekte verursachen Anomalien in mehreren Geweben, dieser Effekt wird Pleiotropie genannt. So kann z. B. eine Osteogenesis imperfecta (oft durch Anomalien eines einzelnen Kollagengens bedingte Bindegewebskrankheit) Knochenbrüchigkeit, Taubheit, blaue Skleren, dysplastische Zähne, Hypermobilität der Gelenke und Herzklappenfehler verursachen. Einige Merkmale, wie beispielsweise die Anfälligkeit für die Entwicklung einer Schizophrenie, scheinen durch mehrere Gene verursacht zu werden und werden daher als polygene Merkmale bezeichnet.
Erstellen eines Familienstammbaums
Der Familienstammbaum (Ahnentafel) wird verwendet, um Vererbungsmuster darzustellen. Stammbäume werden häufig in der genetischen Beratung verwendet. Die verwendeten konventionellen Symbole stehen für die einzelnen Familienmitglieder und enthalten relevante gesundheitliche Informationen über sie (siehe Abbildung ). Einige familiäre Erkrankungen mit identischen Phänotypen haben viele unterschiedliche Vererbungsmuster.
Symbole für den Aufbau eines Familienstammbaums
Im Stammbaum werden Symbole für jede Generation in der Familie in einer Reihe angeordnet und mit römischen Ziffern nummeriert, beginnend mit der älteren Generation an der Spitze und endend mit der jüngsten Generation am unteren Ende. Innerhalb jeder Generation sind die Menschen von links nach rechts mit arabischen Ziffern nummeriert. Geschwister werden nach Alter aufgelistet, mit dem ältesten auf der linken Seite. So kann jedes Mitglied des Stammbaums durch 2 Zahlen (z. B. II, 4) identifiziert werden. Einem Ehegatten wird ebenfalls eine Kennnummer zugewiesen. |
Wichtige Punkte
Der Phänotyp wird durch eine komplexe Interaktion mehrerer Faktoren bestimmt, darunter Genotyp, Genexpression und Umweltfaktoren.
Zu den Mechanismen, die die Genexpression regulieren, gehören Intron-Spleißen, DNA-Methylierung, Histon-Modifikationen, microRNAs und die 3D-Genomorganisation.
