Gene

Gene (Erbanlagen) sind funktionelle Einheiten der Erbinformation und bestehen aus definierten Abschnitten der Desoxyribonukleinsäure (DNA) (Erbsubstanz) innerhalb der Chromosomen (Träger der Erbinformation). Sie enthalten die Information zur Synthese funktioneller Produkte, meist Proteine (Eiweiße) oder funktionelle Ribonukleinsäuren (RNA) (Boten- oder Funktionsmoleküle), und sind in nahezu allen kernhaltigen Zellen (Zellen mit Zellkern) vorhanden. Die physische Position eines Gens auf dem Chromosom wird als Genlokus (Genort) bezeichnet.

Die Gesamtheit aller Gene und genetischen Informationen eines Organismus wird als Genom (gesamte Erbinformation) bezeichnet und entspricht dem gesamten Erbgut (genetische Gesamtheit). Beim Menschen umfasst das Genom etwa 20.000 proteinkodierende Gene sowie eine große Anzahl nicht-kodierender funktioneller Sequenzen (DNA-Abschnitte ohne Proteinbildung).

Gene lassen sich funktionell in kodierende und nicht-kodierende Bereiche einteilen:

• Kodierende Gene
  • Kodieren für Proteine über das zentrale Intermediat messenger RNA (mRNA)
  • Die Gesamtheit aller proteinkodierenden Sequenzen wird als Exom (alle proteinkodierenden Abschnitte) bezeichnet (~1-2 % des Genoms)
• Nicht-kodierende Gene und Sequenzen
  • Kodieren nicht für Proteine, erfüllen jedoch regulatorische und strukturelle Funktionen
  • Umfassen u. a. Gene für tRNA (Transfer-RNA), rRNA (ribosomale RNA) sowie regulatorische RNAs (z. B. miRNA, lncRNA)
  • Spielen eine zentrale Rolle in der Genregulation (Steuerung der Genaktivität), Chromatinstruktur (Verpackung der DNA) und Zellfunktion
  • Der Begriff „Junk-DNA“ (früher als „unnütze DNA“ bezeichnet) gilt heute als überholt

Die Genexpression (Umsetzung der Erbinformation) beschreibt den Prozess, durch den genetische Information in ein funktionelles Produkt umgesetzt wird. Sie umfasst die Transkription (DNA → RNA) und – bei proteinkodierenden Genen – die Translation (RNA → Protein) und bestimmt maßgeblich, wie sich der Genotyp (genetische Ausstattung) in den Phänotyp (äußere Erscheinung) übersetzt.

Weitere relevante Genkategorien:

• Pseudogene (genähnliche, meist funktionslose Abschnitte)
  • Strukturell genähnliche DNA-Sequenzen ohne klassische Proteinfunktion
  • Entstehen häufig durch Genverdopplung oder Retrotransposition (Einbau von Genkopien) mit nachfolgender Inaktivierung
  • Können regulatorische Funktionen besitzen (z. B. als competing endogenous RNA)
• Springende Gene (Transposons) (bewegliche Gene)
  • Mobile genetische Elemente, die ihre Position im Genom verändern können
  • Machen beim Menschen etwa 45 % des Genoms aus
  • Spielen eine wichtige Rolle in Evolution, Genregulation und genomischer Diversität (genetische Vielfalt)
  • Sind nicht ausschließlich beim Menschen vorhanden, sondern in nahezu allen Organismen nachweisbar

Mutationen (Veränderungen des Erbguts) sind dauerhafte Veränderungen der DNA-Sequenz und können entstehen durch:

• Spontane Fehler bei DNA-Replikation (Verdopplung der DNA)
• Exogene Faktoren (z. B. ionisierende Strahlung, chemische Noxen, UV-Strahlung)

Sie können neutral, schädlich oder vorteilhaft sein und sind Grundlage genetischer Variation (Unterschiede im Erbgut) sowie zahlreicher Erkrankungen.

Literatur

1. ENCODE Project Consortium. Expanded encyclopaedias of DNA elements in the human genome. Nature. 2020;583:699-710. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2493-4
2. Lappalainen T, MacArthur DG. From variant to function in human disease genetics. Science. 2021;373:1464-1468. https://doi.org/10.1126/science.abi8207
3. Nurk S, et al. The complete sequence of a human genome. Science. 2022;376:44-53. https://doi.org/10.1126/science.abj6987
4. Chuong EB, Elde NC, Feschotte C. Regulatory activities of transposable elements: from conflicts to benefits. Nat Rev Genet. 2017;18:71-86. https://doi.org/10.1038/nrg.2016.139