Gene bestimmen mehr als nur die Farbe unserer Augen oder ob wir groß oder klein sind. Die Gene stehen im Mittelpunkt all dessen, was uns zu Menschen macht.
Gene sind für die Produktion der Proteine verantwortlich, die alles in unserem Körper steuern. Einige Proteine sind sichtbar, z. B. die, aus denen unser Haar und unsere Haut bestehen. Andere arbeiten im Verborgenen und koordinieren unsere biologischen Grundfunktionen.
Im Großen und Ganzen enthält jede Zelle in unserem Körper genau die gleichen Gene, aber in den einzelnen Zellen sind einige Gene aktiv, andere nicht. Wenn Gene aktiv sind, sind sie in der Lage, Proteine zu produzieren. Dieser Vorgang wird als Genexpression bezeichnet. Wenn Gene inaktiv sind, sind sie still oder für die Proteinproduktion unzugänglich.
Mindestens ein Drittel der rund 20.000 verschiedenen Gene, aus denen das menschliche Genom besteht, sind vor allem im Gehirn aktiv (exprimiert). Dies ist der höchste Anteil an Genen, der in irgendeinem Teil des Körpers exprimiert wird. Diese Gene beeinflussen die Entwicklung und Funktion des Gehirns und steuern letztlich, wie wir uns bewegen, denken, fühlen und uns verhalten. Zusammen mit den Auswirkungen unserer Umwelt können Veränderungen in diesen Genen auch darüber entscheiden, ob wir ein Risiko für eine bestimmte Krankheit haben und wenn ja, welchen Verlauf sie nehmen könnte.
Diese Broschüre gibt eine Einführung in die Gene, ihre Funktionsweise im Gehirn und wie die Genomforschung zu neuen Therapien für neurologische Erkrankungen beiträgt.
Von der DNA
Um zu verstehen, wie Gene im Gehirn funktionieren, müssen wir verstehen, wie Gene Proteine bilden. Dies beginnt mit der DNA (Desoxyribonukleinsäure).
Die DNA ist ein langes Molekül, das in Strukturen verpackt ist, die Chromosomen genannt werden. Der Mensch hat 23 Chromosomenpaare, darunter ein einziges Geschlechtschromosomenpaar (XX bei Frauen und XY bei Männern). Innerhalb jedes Paares stammt ein Chromosom von der Mutter und das andere vom Vater. Mit anderen Worten: Wir erben die Hälfte unserer DNA von jedem unserer Elternteile.
Die DNA besteht aus zwei Strängen, die zu einer Doppelhelix zusammengerollt sind. In jedem Strang werden Chemikalien, so genannte Nukleotide, als Code für die Herstellung von Proteinen verwendet. Die DNA enthält nur vier Nukleotide – Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) – aber dieses einfache genetische Alphabet ist der Ausgangspunkt für die Herstellung aller Proteine im menschlichen Körper, von denen es schätzungsweise eine Million gibt.
Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der die Anweisungen für die Herstellung oder Regulierung eines bestimmten Proteins enthält.
Gene, die Proteine herstellen, werden als proteinkodierende Gene bezeichnet. Um ein Protein herzustellen, kopiert ein mit der DNA eng verwandtes Molekül, die Ribonukleinsäure (RNA), zunächst den Code der DNA. Dann scannt die Proteinherstellungsmaschinerie der Zelle die RNA und liest die Nukleotide in Dreiergruppen ab. Diese Dreiergruppen kodieren 20 verschiedene Aminosäuren, die die Bausteine für Proteine sind. Das größte bekannte menschliche Protein ist ein Muskelprotein namens Titin, das aus etwa 27.000 Aminosäuren besteht.
Einige Gene kodieren kleine RNA-Stücke, die nicht zur Herstellung von Proteinen verwendet werden, sondern den Proteinen sagen, was sie tun und wohin sie gehen sollen. Diese werden als nicht codierende oder RNA-Gene bezeichnet. Es gibt viel mehr RNA-Gene als proteinkodierende Gene.
Eiweiß
Proteine bilden die interne Maschinerie innerhalb der Gehirnzellen und das Bindegewebe zwischen den Gehirnzellen. Sie steuern auch die chemischen Reaktionen, die es den Gehirnzellen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren.
Einige Gene bilden Proteine, die für die frühe Entwicklung und das Wachstum des kindlichen Gehirns wichtig sind. Das ASPM-Gen zum Beispiel produziert ein Protein, das für die Bildung neuer Nervenzellen (oder Neuronen) im sich entwickelnden Gehirn benötigt wird. Veränderungen in diesem Gen können zu Mikrozephalie führen, einer Erkrankung, bei der das Gehirn nicht auf seine normale Größe heranwächst.
Bestimmte Gene bilden Proteine, die wiederum Neurotransmitter herstellen, also chemische Stoffe, die Informationen von einem Neuron zum nächsten übertragen. Andere Proteine sind wichtig für die Herstellung physischer Verbindungen, die verschiedene Neuronen in Netzwerken miteinander verbinden.
Wieder andere Gene bilden Proteine, die als Hausmeister im Gehirn fungieren und die Neuronen und ihre Netzwerke in gutem Zustand halten.
Das SOD1-Gen beispielsweise produziert ein Protein, das DNA-Schäden in Neuronen bekämpft. Veränderungen in diesem Gen sind eine Ursache für die Krankheit Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), bei der ein fortschreitender Verlust von Neuronen, die die Muskeln steuern, zu Lähmungen und schließlich zum Tod führt. Man geht davon aus, dass das SOD1-Gen wichtige Hinweise darauf liefert, warum bei der häufigen „sporadischen“ Form der ALS, für die keine Ursache bekannt ist, Neuronen absterben.
Wie die Genexpression reguliert wird
Wir wissen, welches Protein ein Gen bilden wird, indem wir uns seinen Code, auch DNA-Sequenz genannt, ansehen. Was wir nicht vorhersagen können, ist die Menge des Proteins, die gebildet wird, wann es gebildet wird oder welche Zelle es bilden wird.
Jede Zelle schaltet nur einen Teil ihrer Gene ein, während sie den Rest zum Schweigen bringt. So können zum Beispiel Gene, die in Gehirnzellen exprimiert werden, in Leber- oder Herzzellen zum Schweigen gebracht werden. Einige Gene werden nur in den ersten Monaten der menschlichen Entwicklung aktiviert und später zum Schweigen gebracht.
Was bestimmt diese einzigartigen Muster der Genexpression? Wie Menschen haben auch Zellen eine einzigartige Abstammung, und sie neigen dazu, Merkmale von ihren Eltern zu erben. Die Herkunft einer Zelle beeinflusst also die Gene, die sie zur Herstellung von Proteinen aktiviert. Auch die Umgebung der Zelle – der Kontakt mit den sie umgebenden Zellen, mit Hormonen und anderen Signalen – trägt dazu bei, welche Proteine die Zelle bildet. Diese Hinweise aus der Vergangenheit einer Zelle und aus ihrer Umgebung wirken über viele Regulierungsfaktoren innerhalb der Zelle, von denen einige in den folgenden Abschnitten beschrieben werden.
DNA-bindende Proteine
Ungefähr 10 Prozent der Gene im menschlichen Genom kodieren für DNA-bindende Proteine. Einige dieser Proteine erkennen und binden an bestimmte DNA-Abschnitte, um die Genexpression zu aktivieren. Eine andere Art von DNA-Bindungsprotein, ein so genanntes Histon, fungiert als Spule, die die DNA in engen Windungen halten und so die Genexpression unterdrücken kann.
sRN
Über das gesamte Genom verstreut sind viele Arten von kleinen RNA (sRNA), die die Genexpression
aktiv regulieren. Aufgrund ihrer geringen Länge sind sie in der Lage, kleine Teile des genetischen Codes anzusprechen, anzupassen und zu deaktivieren.
Epigenetische Faktoren
Das Wort Epigenetik stammt aus dem Griechischen und bedeutet „über“ oder „neben“. Im weitesten Sinne bezieht sich die Epigenetik auf lang anhaltende Veränderungen der Genexpression ohne Veränderung des genetischen Codes. Zu den epigenetischen Faktoren gehören chemische Markierungen oder Markierungen auf der DNA oder auf Histonen, die die Genexpression beeinflussen können.
Der Beitrag basiert auf Informationen von MedlinePlus.