Genregulation und Epigenetik

Zellen besitzen die gleichen Gene, verhalten sich jedoch unterschiedlich, da sie steuern, welche Gene wann und wie stark exprimiert werden, und einige dieser Regulationszustände sind ohne Änderung der DNA-Sequenz vererbbar.

Definition

Genregulation ist die Gesamtheit der Mechanismen, die steuern, welche Gene in welchem Maße exprimiert werden, und Epigenetik ist die Untersuchung vererbbarer Veränderungen der Genexpression, die keine Änderungen in der zugrunde liegenden DNA-Sequenz beinhalten.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Regulation der Transkription durch Promotoren, Enhancer und Transkriptionsfaktoren, die regulatorischen Rollen von RNA, einschließlich kleiner RNAs und RNA-Interferenz, die Kontrolle der Genexpression durch Chromatinmodifikation und deren vererbbare Übertragung sowie Eltern-Ursprungs-Effekte wie genomisches Imprinting. Es wird behandelt, wie die Expression eines fixen Genoms epigenetisch kontrolliert und vererbt wird; die Struktur der Gene selbst und ihre Sequenz-Ebene-Mutation werden in der Molekulargenetik behandelt.

Sub-topics

• Chromatin und epigenetische Vererbung
• Genomische Prägung und Parent-of-Origin-Effekte
• RNA-basierte Regulation
• Transkriptionsregulation

Core questions

• Wie bestimmen Transkriptionsfaktoren, Promotoren und Enhancer, wann ein Gen transkribiert wird?
• Wie regulieren RNA-Moleküle die Genexpression nach der Transkription?
• Wie schalten Chromatinmodifikationen Gene an oder aus und geben diesen Zustand an Tochterzellen weiter?
• Wie entstehen und bestehen Eltern-Ursprungs-Effekte wie das Imprinting?

Key theories

Das Operon-Modell der Genregulation

Jacob und Monod zeigten, dass bakterielle Gene durch regulatorische Proteine, die als Reaktion auf Signale an die DNA binden, an- und abgeschaltet werden können, wodurch das Prinzip der kontrollierten Genexpression etabliert wurde.

Epigenetische Vererbung

Muster der DNA-Methylierung und Histonmodifikation können durch Zellteilung und in einigen Fällen über Generationen hinweg weitergegeben werden, wodurch Genexpressionszustände ohne Änderung der DNA-Sequenz übertragen werden.

Clinical relevance

Fehlregulation der Genexpression ist eine Ursache für Krebs und viele Entwicklungsstörungen, epigenetische Veränderungen wie aberrante Methylierung sind diagnostische und therapeutische Ziele, Imprinting-Störungen illustrieren Eltern-Ursprungs-Krankheiten, und RNA-basierte Regulation liegt einer wachsenden Klasse von Therapeutika zugrunde.

History

Jacobs und Monods Operon-Modell von 1961 zeigte, dass Gene reguliert und nicht konstitutiv exprimiert werden; Waddington prägte zuvor den Begriff Epigenetik dafür, wie der Genotyp den Phänotyp hervorbringt, und die Entdeckung der RNA-Interferenz im Jahr 1998 sowie die molekulare Kartierung von Chromatin-Markierungen etablierten das moderne Bild der geschichteten, vererbbaren Regulation.

Key figures

• François Jacob
• Jacques Monod
• Conrad Waddington
• Andrew Fire

Seminal works

• jacobMonod1961
• allis2007

Frequently asked questions

Was bedeutet epigenetisch?

Es bezieht sich auf vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die die DNA-Sequenz selbst nicht verändern, wie z. B. chemische Markierungen an der DNA oder ihren assoziierten Proteinen, die Gene an- oder abschalten und an Tochterzellen weitergegeben werden können.

Wenn jede Zelle die gleichen Gene hat, warum sind Zellen dann so unterschiedlich?

Zellen unterscheiden sich, weil sie unterschiedliche Untergruppen ihrer gemeinsamen Gene exprimieren; Regulationsmechanismen entscheiden, welche Gene in jedem Zelltyp aktiv sind, und epigenetische Markierungen helfen, diese Entscheidungen bei der Spezialisierung der Zellen zu festigen.