Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte
 
Wachstumsfaktoren, Gene, Wundheilung, Mitose, Proteinsynthese

 
© H. Hinghofer-Szalkay
Chromosom: χρῶμα = Farbe, σῶμα = Körper ("Farbkörper")
 Gen: γενεά = Abstammung, γένεσις = Ursprung
Granulationsgewebe: Körniges Aussehen (granum = Korn)
Mitose: μίτος = Faden
Nukl-: nucleus = Kern, von nux, nucis = Nuss
Proliferation: proles = Sprößling, Nachwuchs; ferre = tragen
tetraploid: τετραπλόος = vierfach
 Transkription: transcribere = umschreiben, überschreiben
Translation: translatio = Übertragung
Unterschiede in Genom (Erbgut), Umweltfaktoren, epigenetischen Modifikationen, alternative Umsetzung von Genkopien (Splicing) und graduelle Genexpression erklären die Variabilität der physiologischen Grundausstattung des Organismus.

Wachstumsfaktoren sind essentiell für die Anregung der Zellaktivität:

   -- Insulinähnliche (insulin-like growth factors, IGF), die ein komplexes interzelluläres Kommunikationssystem (IGF-Achse) bilden

   -- Epidermale (epidermal growth factor, EGF), sie wirken wachstumsfördernd und mitosetriggernd, u.a. bei der Wundheilung

   -- Transformierende (transforming growth factors, TGF) - TGF-α und TGF-β fördern Wachstum, Differenzierung und Regeneration, regulieren den Zellzyklus und induzieren Apoptose

   -- Gefäßwachstumsfaktoren (vascular endothelial growth factors, VEGF) werden durch Sauerstoffmangel und weitere andere Faktoren angeregt und wirken vasodilatierend, blutdrucksenkend und permeabilitätssteigernd

   -- Nervenwachstumsfaktor (nerve growth factor, NGF) - wirkt neurotroph und lässt Nervenzellen wachsen

   -- Blutplättchen-Wachstumsfaktoren (platelet derived growth factors, PDGF) wirken in Embryogenese, Zellproliferation, Migration und Wundheilung

   -- Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (fibroblast growth factors, FGF) bewirken Wachstum und Differenzierung, Angiogenese, Wundheilung und embryonale Entwicklung

   -- Hepatozyten-Wachstumsfaktor (hepatocyte growth factor, HGF) wirkt morphogen und motilitätssteigernd auf epitheliale, endotheliale und hämatopoetische Zellen

Kommt es zur Aktivierung einer Proteinsynthese, wird zunächst eine mRNS von der DNS abgelesen (Transkription) und anschließend im Zytoplasma von der Basen- in die Aminosäurensprache übersetzt (Translation), wobei Ribosomen eine Hauptrolle spielen.

Die Transkription ist vielfach geregelt (Transkriptionsfaktoren), die entstehende prä-mRNS wird von Introns befreit (splicing), alternatives splicing erlaubt unterschiedliche Umsetzungen des RNS-Codes, Translation bedeutet Proteinsynthese (aus Aminosäuren) anhand der mRNS-Basensequenz (erfordert Ribosomen).

Wird eine Zellteilung (Mitose) angestoßen, laufen die Vorgänge so ab, dass der Vorgang an bestimmten Restriktions- bzw. Kontrollpunkten überprüft und gegebenenfalls angehalten werden kann. Dazu dienen Kontrollfaktoren, wie das RB-Protein oder das P53-Protein, sie überwachen die Intaktheit des Zellzyklus. In Tumorzellen kommen sie vermehrt vor (daher "Tumorsuppressoren").



Gene vs. Umwelt Wachstumsfaktoren  Wundheilung Zellzyklus, Zykline, Tumorsuppressoren, Protoonkogene Mitose Genom, Epigenom, Individualität RNS und Ribosomen, Proteinsynthese Spezifischer Nachweis von Nukleinsäuren und Proteinen
 
Zellen speichern Erbinformation als linearen chemischen Code
Auch die Art, wie Erbinformation von Zelle zu Zelle übertragen wird, beruht im gesamten irdischen Leben auf ähnlichen Prinzipien. Baustein ist die DNS, und diese enthält aufeinanderfolgende Basensequenzen, von denen viele unklare Bedeutung haben, andere als Gene wirken.

Gene sind DNS-Abschnitte, die den Bauplan einer RNS - und im Fall der mRNS damit den eines Proteins - codieren. Gene, die "abgeschrieben" (transkribiert) werden, heißen Transkriptionseiheiten. Die Erbinformation (pro Zelle >3 Milliarden Basenpaare, <30.000 Gene) wird entsprechend jeweiligen Notwendigkeiten und Erfordernissen ausgelesen. Eine typische menschliche Zelle exprimiert mehr als zehntausend verschiedene Gene, um all ihre benötigten Moleküle zur Verfügung zu haben. Ob oder wie intensiv genetische Information realisiert wird, ist für die Zelle von entscheidender Bedeutung: Je nach der aktuellen Situation wird sie bestimmte Stoffwechselschritte anregen, andere eindämmen oder ganz stilllegen.

 Die Freigabe der Transkription erfolgt durch Aktivierung von Promotorsequenzen der DNS und ist ein streng kontrollierter Prozess. Die Promotorsequenz ist eine Nukleotid-Sequenz , welche die Expression eines Gens ermöglicht. Unter Genexpression versteht man die Realisierung einer genetischen Information, d.h. wie die Zelle genetische Information zur Synthese von Ribonukleinsäuren bzw. Proteinen heranzieht.
 

>Abbildung: Interaktion verschiedener Faktoren am Transkriptionskomplex
Nach einer Vorlage bei schoolbag.info
Blau: DNS; rot: kodierende Sequenz (Gen).

Transkription ist die Abschreibung einer DNS-Sequenz auf Boten- Ribonukleinsäuren; sie ist eine notwendige Vorstufe für die Proteinsynthese. Die Transkription wird von RNS-Polymerasen vorgenommen, deren Aktivität von Zusatzfaktoren geregelt wird.

Enhancer-DNS-Sequenzen liegen upstream von der codierenden Sequenz.

An der TATA-Box (Abkürzung für die Sequenz Thymin- Adenin- Thymin- Adenin) beginnt die Assemblierung von Transkriptionsfaktoren

Dabei sind verschiedene Faktoren im Spiel: Enhancersequenzen binden Aktivatoren; zusammen mit Koaktivatoren sind dies regulatorische Proteine, welche die RNS-Polymeraseaktivität beeinflussen (>Abbildung). Die Bindung solcher regulatorischer Faktoren verändert die Chromatinstruktur - was sich auf die Aktivität von RNS-Polymerase und die Bindung von Transkriptionsfaktoren fördernd oder hemmend auswirkt.

So kann die Genexpression auf verschiedene Weise beeinflusst bzw. gesteuert werden. Die Zelle nutzt genetische Information zur Synthese benötigter Bestandteile (Enzyme, Fasern, Membranproteine etc) und schränkt den Stoffwechsel auf diejenigen Teilbereiche ein, die für ihre Funktion notwendig sind. Nur ≈1,5% des gesamten Genoms sind proteincodierende Sequenzen.

Die Physiologie des Organismus ist beeinflusst

  von Erbanlagen im klassischen Sinne (Genausstattung: Genom),

  Umweltfaktoren (Wasser-, Elektrolyt-, Atemgas-, Nährstoff-, Vitamin-, Spurenelementangebot, Temperaturprofil, Strahlung, Toxine, ..) - diese können auch epigenetisch wirksam werden, indem sie z.B. das Methylierungsmuster bestimmter Gene beeinflussen -, sowie

  anderen Faktoren, wie mobilen genetischen Elementen (Retrotransposonen), die Kopien von sich an zufälligen Stellen ins Genom einfügen können.

Zelleigenschaften, die nicht im Genotyp (=der DNS-Sequenz) codiert sind, können auf Tochterzellen weitergegeben werden (Epigenetik: Veränderung der Erbinformation bei gleichbleibender DNS-Sequenz durch DNS-Methylierung oder Modifikation von Histon-Proteinen). Das Methylom beschreibt potentiell vorhandene DNS-Modifikationen, die in einem bestimmten Genom existieren, ohne die DNS-Sequenz an sich zu verändern.
 

<Abbildung: Struktur eines Chromosoms
Nach einer Vorlage bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed., Saunders 2003
Azetylierung von Histon-Oktameren lockert die DNA-Umwicklung und erleichtert den Zutritt regulatorischer Proteine an die DNA.

#Histone sind Proteine im Chromatin, welche die "Verpackung" sowie die Ablesung der DNS regulieren - ihre "Arme" sind positiv, die DNA ist negativ geladen; ein Histon-Oktamer mit "seiner" DNS-Sequenz heißt Nukleosom.

Die Metaphase ist ein Zustand im Zug der Mitose, in dem die Chromosomen kondensiert (dicht verpackt) sind

Chromosomen sind unverzweigte, "lineare" (wenn auch vielfach verwickelte) DNS-Moleküle mit Proteinen, die den DNS-Faden begleiten (Histone und chromosomale Nicht-Histon-Proteine); ein DNS-Faden mit diesen seinen Proteinen wird als Chromatinfaden bezeichnet.

Alleine schon das Aufwickeln der DNS auf Histonmoleküle in den Nukleosomen (<Abbildung) reduziert die Länge des Chromatinfadens auf ein Drittel. Dazu kommen höhere Ordnungen der Kondensation; die entdröselt mehr als einen Zentimeter langen DNS-Fäden lassen sich dadurch auf Mikrometerlänge "stauchen".

Einzelne Gene sind auch ablesbar, wenn der Großteil der DNS multipel zusammengefaltet vorliegt, und die DNS-Histon-Aggregationen sind dynamisch, d.h. sie ändern ständig ihre Positionen (Nukleosomengleiten). Auf diese Weise werden DNS-Sequenzen immer wieder für allfällige Ablesevorgänge (Transkription) zugänglich. Und die Positionierung der Histonkomplexe unterliegt wiederum dem regulierenden Einfluss verschiedener Proteine.

Gene können

     unterschiedlich gelesen werden (alternatives Spleißen, alternative splicing: Eine definierte DNS-Sequemz bzw. prä-RNS kann zu verschiedenen "reifen" m-RNS und damit zu unterschiedlichen Proteinen translatiert werden. Der Großteil der Gene des Menschen unterliegt alternativem Splicing), und

     unterschiedlich zu entsprechenden Zellbestandteilen realisiert werden. Als Genexpression bezeichnet man das Ausmaß, in dem die genetische Information eines bestimmten DNS-Abschnitts realisiert wird und in Erscheinung tritt (Genotyp zu Phänotyp). So kann ungleiche Genexpression bei eineiigen Zwillingen Unterschiede im Phänotyp bedingen.

Man kann sagen, die biologische Ausstattung des Individuums wird sowohl durch kausale (im Sinne der gegebenen DNS-Information) als auch Zufallsfaktoren bestimmt.
 

>Abbildung: Pyrimidinbasen (oben), Purinbasen (unten)
Pyrimidinbasen leiten sich von Pyrimidin ab (aromatischer Sechserring), Purinbasen von - aus einer 6-5-Ringkombination bestehendem - Purin

    Datenträger ist das Chromatin, das Desoxyribonukleinsäure (DNS) und spezifische Proteine (im Verhältnis 1:4) enthält. Baustein der DNS sind Nukleotide, die aus Phosphat, Zucker (Desoxyribose) und Base (Adenin A, Guanin G, Thymin T, Zytosin C) bestehen. Nukleotide verbinden sich längs zu Ketten, die Basen binden komplementäre Basen (A mit T, C mit G) eines Parallelstranges.
 
Thymin und Adenin kommen (mit jeweils 31%) beim Menschen häufiger vor als Zytosin und Guanin (jeweils 19%). (In der RNS steht statt Thymin Urazil.)
 
Eine DNS-Doppelhelix hat 2 nm Durchmesser; würde man die DNS der Chromosomen einer diploiden menschlichen Zelle aneinanderreihen, ergäbe sich ein Faden von 2 Metern Länge (entspricht dem 2-4.105-fachen des Zellkern-Durchmessers).

Chromatiden bestehen aus einem DNS-Doppelstrang sowie zugehörigen Chromatin-Proteinen. Je nach Phase des Zellzyklus kann ein Chromosom aus einem oder mehreren Chromatiden bestehen.
 
Wachstumsfaktoren regen Zellen an
 


BDNF EGF FGF HGF/SF IGF NGF PDGF  TGF VEGF

Wachstumsfaktoren (Growth factors, GF). In einem vielzelligen Organismus sind Wachstum und Teilung der Zellen im Allgemeinen restringiert, d.h. ohne die Anwesenheit extrazellulärer Signale - Wachstumsfaktoren, growth factors - ist die Zelle in einem Gleichgewichtszustand "eingefroren". Man kennt über 50 solcher Faktoren; überwiegend Proteine, auch einige Steroide. Inkubiert man Zellen in vitro mit Wachstumsfaktoren, beginnen diese nach einigen Stunden mit der Synthese von DNS (Synthese- oder S-Phase).

In der Regel reagieren Zellen nicht auf die Anwesenheit nur eines Wachstumsfaktors, sondern auf bestimmte Kombinationen davon - es bedarf also eines Wachstumsfaktor-Musters, um Zellen zur Reduplikation zu veranlassen. Umgekehrt gehen somatische Zellen in die G0-Phase über, wenn ihnen Wachstumsfaktoren entzogen werden - und nach einiger Zeit ohne Wachstumsfaktoren kommt es sogar zur Apoptose.


Wachstumsfaktoren wirken über Rezeptoren, die meist Tyrosinkinaseaktivität haben (Typ-I-Rezeptoren). Auf diesem Wege bewirken sie die Inaktivierung (Phosphorylierung) von RB-Protein, was die Freisetzung des Transkriptionsfaktors E2-F zur Folge hat (Kontrollfaktoren, Einleitung der S-Phase, s. weiter unten).

 Einige Wachstumsfaktoren:
   
BDNF
 
Der Wachstumsfaktor BDNF (Brain-derived neurotrophic factor) schützt Nervenzellen und Synapsen und fördert deren Wachstum. Er ist ein mit Nervenwachstumsfaktoren eng verwandtes Neurotrophin (hierher gehören auch der Nerven-Wachstumsfaktor NGF). Großhirnrinde und Hippokampus sind besonders reich an BDNF-Rezeptoren. Chronischer Stresseinfluss reduziert die Bildung von BDNF und senkt dadurch seine neurotrophe und Reparaturaktivität.

BDNF spielt beim Aufbau von Gedächtnisspuren eine Rolle - der angeregte postsynaptische Apparat setzt es frei, es diffundiert zum präsynaptischen Teil, bindet an Rezeptoren und moduliert die Transmitterfreisetzung, z.B. durch Einfluss auf den Kalziumeinstrom: Nimmt dieser zu, werden Vesikel mobilisiert, die Transmitterfreisetzung vermehrt und die synaptische Effizienz gesteigert.

Mutationen des BDNF-Gens bewirken das Undine-Syndrom (kongenitales zentrales Hypoventilationssyndrom), das durch gestörte CO2-Chemorezeptorsensitivität gekennzeichnet ist.

BDNF wird nicht nur im Gehirn, sondern auch in der Peripherie gebildet (u.a. von  aktiven Muskelzellen, es regt den Muskelaufbau an und umgekehrt wird seine Bildung durch Muskelaktivität stimuliert - sein Blutspiegel steigt dabei rasch an und nimmt nach der Muskeltätigkeit ebenso zügig wieder zum Ruhewert ab).
 

<Abbildung: EGF-Rezeptor-Wirkungen an Zielorganen
Modifiziert nach Chen J, Zeng F, Forrester SJ, Eguchi S, Zhang MZ, Harris RC. Expression and Function of the Epidermal Growth Factor Receptor in Physiology and Disease. Physiol Rev 2016; 96: 1025-69
Der epidermale Wachstumsfaktor wirkt wachstumsfördernd, wundheilend und differenzierend an Nervensystem, Herz und Lunge, Nieren, Haut (inklusive Brustdrüse) und Knochen, sowie an der Leber
EGF
 
Der epidermale Wachstumsfaktor (Epidermal growth factor, EGF) wirkt - wie auch der Transforming Growth Factor TGF-α - auf Zellen, die EGF-Rezeptoren (<Abbildung) exprimieren (davon gibt es zahlreiche Spielarten), wachstumsfördernd und mitosetriggernd (EGF wird für Zellkulturen verwendet). EGF kommt in zahlreichen Gewebsflüssigkeiten vor, z.B. auch im Speichelsekret, und hat dort trophische Wirkungen. EGF spielt für die Wundheilung eine wichtige Rolle: so wird er in heilenden Hautwunden von Keratinozyten, Makrophagen und anderen eingewanderten Entzündungszellen produziert.

Zur Gruppe der EGF zähl auch der Heparin-binding EGF-like growth factor (HB-EGF); er moduliert mehrere Zellaktivitäten und findet sich besonders im ZNS (Neuronen und Gliazellen). Nach Ischämie / Sauerstoffmangel im Gehirn wird er stark exprimiert und regt die Neurogenese an
 
TGF
 
Zu den Transformierenden Wachstumsfaktoren (Transforming growth factors TGF) werden zwei Peptidklassen gezählt: TGF-α und TGF-β; diese sind unterschiedlich aufgebaut und wirken über verschiedene Rezeptoren. TGf-α wird von Makrophagen, Gehirn- und Hautzellen gebildet und fördert das Epithelwachstum; TGF-β (3 Subtypen: 1-3) regulieren den Zellzyklus und induzieren Apoptose, beeinflussen Zelldifferenzierung, Entwicklung, Wachstum und Regeneration, sowie das Immunsystem. TGF-β hemmt das Wachstum der meisten Epithelzellen, regt die Gewebsbildung (Kollagensynthese, Proteoglykanbildung u.a.) an und wirkt entzündungshemmend, gleichzeitig regt es bestimmte Immunfunktionen an, wie die IgA-Produktion in der Darmschleimhaut
 
VEGF
 
Die Gefäßwachstumsfaktoren (Vascular endothelial growth factor, VEGF - A bis F) entstehen in zahlreichen Geweben, in höherer Menge vor allem in Nierenglomerula (Podozyten) und Herzmuskelzellen. Sauerstoffmangel (dieser induziert den Transkriptionfaktor HIF - Hypoxie-induzierter Faktor -, welcher die Synthese von VEGF reguliert) sowie andere Faktoren (TGF, PDGF) regen die Produktion von VEGF an. Sie wirken an verschiedenen Orten, vor allem den Gefäßen, über VEGF-Rezeptoren (VEGFR 1 bis 3), die Tyrosinkinasen sind. VEFG führen zu Gefäßneubildung (Angiogenese) inklusive Lymphangiogenese, fördern die Bildung von Stickstoffmonoxid und damit Vasodilatation und Blutdrucksenkung, erhöhen die Gefäßpermeabilität, beteiligen sich an Wundheilungsprozessen
 
NGF
 
Der Nervenwachstumsfaktor (Nerve growth factor, NGF) wirkt neurotroph - insbesondere in der Embryonalzeit, wo er vorwachsenden Axonen den Weg zu "richtigen" Dendriten und synaptischen Verschaltungen weist. NGF lässt Nervenzellen wachsen, aber nicht teilen. NGF gehört in die Gruppe der Neurotrophine - basicher Proteine (≈13 kDa), welche Verbindungen zwischen Nervenzellen herstellen und ihren Fortbestand sichern. In diese Gruppe gehört auch der brain-derived neurotrophic factor BDNF: Dieser ist vor allem im limbischen System und Großhirn dort aktiv, wo Gedächtnis und abstraktes Denken entstehen (Langzeitgedächtnis!)
 
  Für die Entdeckung des NGF erhielten Rita Levi-Montalcini und Stanley Cohen 1986 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

 

>Abbildung: Wirkungen des PDGF
Nach Donovan J, David Abraham D, Jill Norman J. Platelet-derived growth factor signaling in mesenchymal cells. Front Biosci 2013; 18: 106-19
Die Wirkungen umfassen Migration, Proliferation, Differenzierung, Überleben und Bildung von extrazellulärem Matrixmaterial.

Zielzellen sind u.a. Fibroblasten, Gefäßmuskelzellen, Osteoblasten, Osteoklasten, Chondrozyten

PDGF
 
Blutplättchen-Wachstumsfaktoren (Platelet derived growth factors, PDGF) werden von Thrombozyten (Speicherung in, und Freisetzung aus Granula), aber auch von Makrophagen, Endothelzellen und glatten Muskelzellen gebildet (PDGF-A bis PDGF-D). Beispielsweise setzen Thrombozyten bei Verletzung PDGF-A frei, dieses regt das Zellwachstum in umliegendem Gewebe an. PDGFs wirken auf verschiedenste Zellen, auch im Rahmen der Embryogenese (ZNS, Blutgefäße, Nieren, Lungen), sowie auf Zellproliferation, Zellmigration (Monozyten, Fibroblasten u.a.), Wundheilung und Angiogenese (>Abbildung)
 
FGF
 
Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (Fibroblast growth factor, FGF) spielen wichtige Rollen für Wachstum (Proliferation) und Differenzierung an zahlreichen Geweben. Sie wirken auf Angiogenese (Gefäßaussprossung), Wundheilung (Epithelialisierung, Hämatopoese), embryonale Entwicklung (Entwicklung von Muskel-, Lungen-, Leberzellen) und diverse endokrine Signalwege. Beim Menschen sind mehr als 20 FGF's bekannt. FGFs interagieren mit Heparansulfat-Proteoglykanen der Zellmembran, was für ihre Wirkung auf die Zelle (Signaltransduktion) essentiell ist. Über Wirkungen auf die DNS-Ablesung stimuliert FGF die Zellproliferation, sichert das Überleben der Zelle und fördert ihre Motilität
 
HGF / SF
 
Der Hepatozyten-Wachstumsfaktor (Hepatocyte growth factor / Scatter factor, HGF/SF) ist ein Wachstums-, morphogener und Motilitätsfaktor, der über seinen Rezeptor c-MET - auch über größere Distanz (endokrin) - wirkt. Er wird von mesenchymalen Zellen (nicht-epitheliale Leberzellen, Endothel) und Fibroblasten gebildet und wirkt parakrin-multifunktional auf epitheliale (z.B. Hepatozyten, Gallengangsepithel, Lunge, Niere, Haut, Brustdrüse), endotheliale und hämatopoetische Zellen. Er ist an Zellregeneration, Wundheilung und Embryonalentwicklung beteiligt (Leber, Niere, Gehirn, Muskeln: c-MET-defiziente Knockout-Mäuse überleben nicht). Werden Teile der Leber entfernt, dann steigt der HGF-Spiegel im Blut bis mehr als 20-fach an - dies bewirkt kompensatorisches Wachstum von Lebergewebe
 
IGF
 
Insulinähnliche Wachstumsfaktoren (insulin-like growth factors, IGF) sind in ihrer Aminosäuresequenz dem Insulin ähnlich und werden u.a. in Leberzellen gebildet. Sie bilden ein komplexes interzelluläres Kommunikationssystem (IGF-Achse), das zwei Membranrezeptoren (IGF1R und IGF2R), zwei Liganden, sechs IGF-Bindungsproteinen (IGFBP 1-6) und einigen IGFBP-assoziierten Proteasen besteht. IGF-1 heißt auch Somatomedin C (SM-C), Hepatozyten bilden es auf Anregung durch hGH (Wachstumshormon). Es spielt vor allem während des Körperwachstums eine wichtige proliferierende Rolle.
    
Wundheilung
 

<Abbildung: Mechanismen, über welche die extrazelluläre Matrix und Wachstumsfaktoren zusammenwirken, um Signalkaskaden in der Zelle zu aktivieren
Nach einer Vorlage in Kumar / Abbas / Fausto / Aster, Robbin and Cotran's Pathological Basis of Disease, 8th ed. Saunders / Elsevier 2010
Integrine binden extrazelluläre Komponenten und interagieren mit dem Zytoskelett an fokalen Adhäsionskomplexen, Proteinaggregaten inklusive Aktin, Vinculin, Paxillin und Talin  (Proteinen, welche die  Zelle für den Aufbau von Zellkontakten benörigt). Folge sind nukleäre Signale (Mitte) oder die Produktion von second messengers.

Die Anlagerung von Wachstumsfaktoren an ihre Rezeptoren kann ebenfalls zytoplasmatische Mechanismen aktivieren, die mit diesen Signalwegen überlappen. Integrine und Wachstumsfaktor-Rezeptoren interagieren bei der Übertragung extrazellulärer Signale auf Zellantworten (crosstalk).

Die Zelle integriert diese Einflüsse und münzt sie in Antworten wie Proliferation, Differenzierung, Migration oder auch Apoptose um. Diese Mechanismen ermöglichen die Aktivierung von Zellen, wie sie bei der Wundheilung benötigt wird

 Viele dieser Faktoren sind bei der Wundheilung essentiell: Sie regen Überleben, Bewegung und Kontraktilität sowie Differenzierung beteiligter Zellen an und fördern die Gefäßneubildung. Die Wachstumsfaktoren aktivieren dabei die Transkription von Genen, die in ruhenden Zellen nicht benötigt werden, u.a. solche, welche den Eintritt in den Teilungszyklus sowie dessen Fortschritt kontrollieren.

 Extrazelluläre Matrix - Basalmembranen und Interstitium, aufgebaut aus Kollagen, Elastin, Fibronektin, Laminin, Proteoglykanen und Hyaluronsäure u.a. mit eingelagerten Zelladhäsionsproteinen und anderen regulatorischen Substanzen - spielt für die Wundheilung eine eminente Rolle. Sie gibt Leitstrukturen und mechanische Stützung ab, speichert regulatorische Moleküle und Wachstumsfaktoren, und setzt diese bei Verletzungen frei. Dadurch werden zelluläres Wachstum, Proliferation, Bewegung und Differenzierung beeinflusst und beschleuningt.

Bei Heilungsvorgängen wirken extrazelluläre Matrixstrukturen ordnend auf das Gewebe ein, ohne diese Information sind die Zellen nicht in der Lage, komplexe Organmorphologie zu rekonstruieren. Stattdessen bildet sich Narbengewebe aus.

Die Heilung von Hautwunden kann in folgende drei, sich überlappende Phasen eingeteilt werden:

  Entzündung (inflammation) - ausgelöst durch Vorgänge der Thrombozytenaktivierung und Gerinnselbildung

  Proliferation - das Gerinnsel dient als Matritze für mobile Zellen, die durch freigesetzte Zytokine, Wachstumsfaktoren und Chemokine angelockt werden; Fibroblasten wandern ein, Granulationsgewebe formiert sich, das Fibringerinnsel wird durch Fibrinolyse weggeräumt; Neutrophile und Makrophagen bauen nutzlos gewordene Stoffe ab, entfernen sie, bekämpfen Bakterien und beteiligen sich an Aufbauprozessen; und es kommt zu Re-Epithelialisierung
 
  Reifung (maturation) mit Neubildung extrazellulärer Matrix sowie Wundkontraktion

Bei ausgedehnten Wunden ist die Entzündungsreaktion stärker ausgeprägt, das für 3-7 Tage zunehmende Granulationsgewebe (einwachsende Fibroblasten und Gefäße mit hoher Permeabilität) ausgebreiteter und ödematös, und es wird Kollagen abgelagert, das dann zu einer Narbe wird.

Belastbarkeit verheilter Wunden. Nach Entfernen der Nähte aus einer Operationsnarbe eine Woche nach dem Eingriff entspricht die mechanische Belastbarkeit der Wunde nur etwa 10% derjeniger unverletzter Haut. Anschließend nimmt sie kontinuierlich zu. Dieser Zeitverlauf spiegelt die Qualität molekularer Rekonstruktionsvorgänge im Gewebe wider. Nach 1-3 Monaten erreicht die Belastbarkeit ≈70-80% der Maximalwerte gesunder Haut - die Organisation der Matrixstrukturen (Kollagen etc) führt nicht immer zu vollständiger restitutio ad integrum.

Zu den Faktoren, die den Verlauf und das Ausmaß der Wiederherstellung der Gewebeintegrität beeinflussen, gehören

  systemische: Ernährung (z.B. Eiweiß- oder Vitaminmangel!), Stoffwechselzustand (z.B. Diabetes mellitus!), Kreislauf (z.B. Arteriosklerose!), Hormonstatus (z.B. Glukokortikoide!)

  lokale: Mechanische (Druck / Überdehnung an Wunde), Lage und Größe der Wunde, Fremdkörper, Infektionen
 
Wie wird der Zellzyklus kontrolliert?
  
Abfolge von Zellteilung und Synthesephase. Die im Zellkern gespeicherte Erbinformation dient - je nach Zellzyklus - der “Arbeitsfunktion” (Interphase) oder der Bildung neuer Zellen (Zellvermehrung / Mitose, >Abbildung).
 

>Abbildung: Phasen des Zellzyklus
Nach einer Vorlage in S.M. Liu @ www.ch.ic.ac.uk
G steht für gap (Abstand, Lücke). G1- und S-(Synthese-)Phasen nehmen jeweils ≈40% der Dauer eines Zellzyklus in Anspruch (Mensch: im Schnitt mondestens ≈10 und 6-7 Stunden), die G2-Phase ≈20% (Mensch: ≈4 Stunden); die M-(Mitose-)Phase nur wenige % (≈1 Stunde).

Die Länge der Ruhephase ist variabel

Die Interphase wird unterteilt in die
  G1-Phase (Growth) - Wachstum und Arbeit. Dies ist der "Alltagszustand", in dem die (diploide) Zelle ihre Dienste für den Organismus leistet. Ihre Mindestdauer beträgt ≈10 Stunden (die Zelle wächst hier auch und kann sich nicht sofort wieder teilen). Am Ende der G1-Phase steht die Duplikation der Zentrosomen und der G1-Restriktionspunkt, der die Teilungsrate kontrolliert, und danach der G1/S-Kontrollpunkt (Checkpoint), an dem die Integrität der DNS überprüft wird (s. unten)

  S-Phase - Reduplikation. In der Synthesephase kopiert (verdoppelt) die Zelle ihr Erbmaterial (DNS-Reduplikation). Diese Phase dauert 6-7 Stunden (etwa 3 Milliarden Basenpaare werden in dieser Zeit kopiert). Am Ende dieser Phase bestehen die Chromosomen aus zwei identischen Chromatiden, die Zelle ist tetraploid.

  G2-Phase. In dieser ≈4 Stunden dauernden "Kontemplationszeit" kontrolliert die Zelle das Ergebnis der vorausgegangenen Reduplikationsvorgänge (ist die DNS korrekt verdoppelt worden?). Am abschließenden G2/M-Checkpoint werden eventuell notwendige Korrekturen an der replizierten DNS vorgenommen. Sind bei der Replikation zu viele Fehler passiert, wird die Zelle entweder mitotisch stillgestellt ("Seneszenz", vor allem durch Wirkung des P53-Proteins, s. unten) oder der Apoptose zugeführt.
   

<Abbildung: Kontrollpunkte des Zellzyklus
Nach einer Abbildung bei: Neil A. Campbell, Jane B. Reece: Biology (6th ed.). Benjamin Cummings 2001
An "Kontrollpunkten" (durch rote Wände dargestellt) überprüft die Zelle das Resultat vorausgegangener Vorgänge im Rahmen des Zellzyklus.

M = Mitose
  Kontrollpunkte. An bestimmten Übergangspunkten zwischen Phasen des Zellzyklus überprüft die Zelle die Resultate der vorangenangenen Vorgänge (<Abbildung). So entscheidet die Zelle am G1-Restriktionspunkt, ob sie in der Lage ist, sich zu teilen. Dazu ist z.B. die Anwesenheit bestimmter extrazellulärer Signale erforderlich (Wachstums- und Adhäsionsfaktoren). Lautet die Antwort "ja", sind die weiteren Vorgänge von Außenfaktoren unabhängig, und es erfolgt die DNS-Reduplikation.

Der G1-Restriktionspunkt ist komplex reguliert, denn dies ist eine entscheidende Stelle (ist die Zelle zur Reproduktion befähigt? Liegen Signale vor, welche die Mitose begünstigen?). Es müssen Wachstumsfaktoren an (Tyrosinkinase-) Rezeptoren binden, Proteine in der Zelle phosphoryliert werden und Proliferationsvorgänge starten.

Regulation: Insbesondere der G1/S-Übergang ist eng reguliert: Zykline (Proteine, deren Konzentration zellzyklusunabhängig ist) binden an zyklinabhängige Kinasen (Cyclin-dependent kinases, CDKs), diese werden dadurch aktiviert und phosphorylieren kritische Enzyme, was den Zellzyklus weiterschreiten lässt. Andererseits gibt es CDK-Inhibitoren, diese wiederum werden von einigen Wachstumsfaktoren ausgeschaltet (und das Fortschreiten im Zellzyklus so freigegeben).

Die späteren Kontrollpunkte (G2, M) sind weniger komplex reguliert und stellen eher eine Art Notbremse dar, etwa für den Fall, dass die Replikation fehlerhaft verlaufen ist (s. oben).

Die Dauer des gesamten Zellzyklus hängt von Spezies und Zelltyp ab; der vollständige Durchlauf benötigt bei menschlichen Zellen in vivo mindestens einen Tag. In vitro (Zellkultur) beobachtet man Zykluszeiten zwischen 12 und 24 Stunden (bei humanen Zelllinien im Schnitt knapp 20 Stunden).

  Kontrollfaktoren. Ein zentraler Faktor für die Kontrolle des G1-Restriktionspunkts (Übergang von der G1- zur S-Phase) ist das RB-Protein (in Retinoblastomen wurde es entdeckt). In ruhenden Zellen inaktiviert es - in nichtphosphoryliertem Zustand (!) - einen Transkriptionsfaktor (E2-Faktor, E2 F). Wird das RB-Protein phosphoryliert, lässt es E2 F frei, dieses triggert die Aktivierung von S-Phase-Genen und die DNS-Replikation beginnt. Das RB-Protein liegt in der Zelle in ziemlich konstanter Konzentration vor; seine Aktivität wird über seine Phosphorylierung gesteuert.

Ein anderer Kontrollfaktor ist das P53-Protein. Dieses kurzlebige Protein (Halbwertszeit <20 Minuten) ist in der Zelle meist nur in sehr geringer Menge vorhanden, aber bei Vorliegen von DNS-Schäden steigt seine Konzentration in der Zelle stark an. P53 verhindert dann die weitere Teilung der Zelle (Seneszenz, s. oben) und kann auch ihre Apoptose einleiten.

Diese Proteine sind bedeutsame Wächter über die Intaktheit des Zellzyklus. Da sie bei Tumoren verändert gefunden werden (bei allen Tumorarten ist RB irgendwie beeinflusst), werden sie als Tumorsuppressoren bezeichnet. Sie alle sind darauf abgestellt, das Wachstum von Zellen im Zaum zu halten. Andererseits gibt es auch fördernde Faktoren; Gene mit dem Bauplan solcher Proteine bezeichnet man als Protoonkogene, ihre Mutation kann zu Tumorentstehung führen.

  Differenzierung: Manche (ausdifferenzierte) Zellen, wie Nerven- oder Muskelzellen, teilen sich im Körper gar nicht mehr; sie verlängern ihre G1-Phase - die dann als G0-Phase bezeichnet wird - auf unbestimmte Zeit. Eine Rückkehr in die G1-Phase ist bei Bedarf möglich (z.B. Lymphozyten, Hepatozyten); wenn sich die Zelle endgültig differenziert, gibt es aber kein Zurück zum Teilungszyklus mehr. Wie sich die Zelle entscheidet, hängt von ihrer Umgebung ab (Anwesenheit von Adhäsionsmolekülen / Wachstumsfaktoren).
 
Steuerung der Mitose
 
Regulierung der Zellaktivität: Zellteilungen (Mitosen) werden durch chemische Signale (Mitogene) ausgelöst. Ein Mitogen ist eine Substanz - meist ein Protein -, die Zellen zur Teilung anregt. Dabei werden Wege zur Signaltransduktion stimuliert, in welche mitogenaktivierte Proteinkinasen (MAPK, MAP-Kinasen) involviert sind.
  MAP-Kinasen regulieren neben der Mitosetätigkeit auch Proliferation, Genexpression, Differenzierung, Überleben und Apoptose der Zelle.
 

>Abbildung: Mitosezyklus
Nach einer Vorlage bei maph49.galeon.com
Nach Ablauf der Telophase entstehen zwei Interphasenkerne. Treten diese in eine nächste Mitose ein, durchläuft die Zelle wieder einen Zyklus, der als Prophase bis Telophase organisiert ist

  Bei der Zellteilung entfernen sich Zentriolen voneinander (bedingt durch Mikrotubuli, die zwischen ihnen entstehen) und beteiligen sich am Aufbau eines Spindelapparates, der zwei Chromatidensätze voneinander trennt. Die Mitose läuft konsekutiv komplexe Phasen durch (>Abbildung):
  Prophase: Die DNA wird zu Chromosomen gebündelt und verdichtet. Am Ende dieser Phase verliert der Zellkern seine Hülle. Diese Phase kann zwischen einer halben und 5 Stunden dauern

  Metaphase: Der an den Zentriolen entspringende Spindelapparat entwickelt sich, und die Chromosomen werden in der Äquatorialebene angeordnet. Die Metaphase dauert etwa 10 Minuten

  Anaphase: In dieser 2 bis 20 Minuten dauernden Phase trennen sich die Chromatiden mithilfe der Spindelfasern

  Telophase: Kernhülle und neue Nukleoli werden wiederhergestellt und die Chromosomen entspiralisiert, womit sie wieder in den "Arbeitszustand" treten können (Ablesung der Erbinformation).
 
Genom, Epigenom, Individualität
 
Die Gesamtheit der Erbinformation - das Genom (Erbgut) - des Menschen umfasst etwa 23.000 Gene (E. coli ≈4.500, Taufliege ≈13.500, Wasserfloh ≈31.000, Gemüsekohl ≈100.000 - Genomgröße und Komplexität des Organismus sind kaum korrelierbar) und ist auf 46 DNS-Fäden kodiert (Gesamtlänge der DNS einer menschlichen Zelle: ≈1,8 m). Als Genomik bezeichnet man den Teil der Genetik, der sich mit Genomen und Wechselwirkungen zwischen Genen beschäftigt.

Nur etwa 3% der Gene einer durchschnittlichen Zelle sind zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiv. Kodierende DNS-Abschnitte geben den Aufbau von Proteinen aus Aminosäuren an, nichtkodierende beeinflussen u.a. die Genregulation. "Pseudogene" sind durch Mutationen nicht mehr ablesbare und daher funktionslos gewordene Gene.

Individualität und genetische Muster: Mehr als 99,5% des Genoms sind bei allen Menschen ident; der individuelle Unterschied liegt bei den verbleibenden <0,5% (immerhin entsprechend ≈15 Millionen Basenpaaren).

Während der Ontogenese treten Abweichungen vom ursprünglichen Genmuster auf; Gene können verändert, vervielfacht, neu positioniert werden. So können z.B. nach der ersten Teilung der befruchteten Eizelle zwei genetisch unterschiedliche Zellen entstehen, und die unterschiedlichen Genome gehen jeweils auf eine Hälfte des Organismus über (unterschiedlich auf den Körper verteilt). Spätere Abweichungen beziehen sich dann z.B. nur noch auf bestimmte Organe usw; die größte genetische Vielfalt scheint im Gehirn zu bestehen, wo praktisch jede Nervenzelle eine eigene genetische Ausstattung aufweist.
 

<Abbildung: Epigenetische Veränderung - Beispiel Histonmodifikation
Nach einer Vorlage von Ballermann RE 2012, bei dreamerbiologist.wordpress.com
Gene können durch Modifikation der Histon-Endstücke (z.B. durch Azetylierung) ein- oder ausgeschaltet werden

 Das Epigenom bezieht sich auf Veränderungen an DNS und Histonproteinen, die nicht die Basensequenz betreffen und u.a. durch DNS-Methylierung, modifizierte Ablesbarkeit oder Einfluss auf die Genexpression erklärbar sind. Umgebungsbedingungen können das Epigenom verändern, und veränderte Epigenome können an Nachfahren weitergegeben werden (epigenetische Vererbung).

Epigenetische Mechanismen beeinflussen Genaktivitäten unabhängig von der DNS-Basensequenz, indem sie Gene ein- oder ausschalten können. Beeinflusst werden können z.B.

     die DNS durch Basen-Methylierung (DNS-Methyltransferasen), Phosphorylierung oder Azetylierung - die Base bleibt erhalten, es handelt sich also um keine Mutation. Die Modifikationen sind reversibel (Demethylierung durch DNS-Demethylasen etc), können aber über längere Zeit erhalten bleiben und bilden so die Basis für ein "Zellgedächtnis". Dies ist der wichtigste epigenetische Mechanismus

     Histon-Endstücke (<Abbildung) durch Anfügen ("Writer" - z.B. Azetylierung, Methylierung oder Phosphorylierung), Entfernen ("Eraser", z.B. Demethylierung durch Histon-Demethylasen) oder "Verwalten" von Modifikationen. Modifikationen des Histonmoleküls können Genaktivitäten verändern und Proteinkomplexe ("Reader", Leser-Proteine) attrahieren. Haben solche Leserkomplexe an den modifizierten Histonkomplex angedockt,  ziehen sie weitere Proteinkomplexe an, die enzymatisch aktiv sind oder zusätzliche Bindungsstellen bereitstellen und so die Aktivität abhängiger Gene verändern

    die Zugänglichkeit an die DNS durch strukturelle Veränderungen des Chromatins

    die Genexpression, beeinflusst durch Interaktion von Histonen und Proteinen

      Film: X-inactivation and epigenetics


>Abbildung: Mitose (vereinfacht)
Nach einer Vorlage in histology.leeds.ac.uk
Schematische Darstellung der Mitose, zur besseren Übersichtlichkeit gezeigt für nur ein Chromosom

Wenn sich die Zelle teilt, verdichten sich die Chromatiden zu Chromosomen. Es gibt 22 Paare (homologer) Autosomen - jeweils eines vom Vater und eines von der Mutter (>Abbildung) - sowie 2 X-Chromosomen bei der Frau, oder ein X- und ein Y-Chromosom beim Mann (Heterosomen, “Geschlechtschromosomen”). Bei der Teilung des Zellkerns (Mitose) wird die DNS auf zwei gleiche Tochterkerne übertragen (identische Reduplikation). Vorher haben sich zwei Doppelstränge gebildet, die dann auf die Tochterkerne aufgeteilt werden.
 
    Über Meiose s. dort

DNS-Abschnitte mit einer bestimmten Bedeutung (z.B. Bauplan eines Proteinmoleküls) werden als Gene bezeichnet. Die Reihenfolge der Basen am DNS-Strang gibt die Reihenfolge komplementärer Basen am Parallelstrang an, die Erbinformation ist doppelt (diploid) angelegt. Zur Reduplikation wird der Doppelstrang aufgetrennt und die freien Basen geben die Matrize zur Bildung des neuen DNS-Fadens vor (link zu Animation s. unten).

Im “Arbeitszustand” ist die DNS die Matrize zur Bildung von Ribonukleinsäuren (RNS); diese werden im Nukleolus des Zellkerns gebildet (Transkription ). Die RNS-Synthese schließt viele Enzyme ein. Es entstehen Bindungskomplexe, die verschiedene Stellen der DNS umfassen können. Das Wechselspiel von DNS und Ablesefaktoren entscheidet, welche Eiweiße von der Zelle gebildet (exprimiert) werden. Dies kann von innerhalb und außerhalb der Zelle beeinflusst werden, mit zahlreichen Möglichkeiten der Rückkopplung und Steuerung.

Proteinsynthese des Organismus: Insgesamt stellt eine erwachsene Person pro Tag ≈400 Gramm Eiweiß neu her. Der Mensch verfügt über etwa 21.000 proteinkodierende Gene. Mehr als 50% des menschlichen Genoms sind repetitive Sequenzen unbekannter Funktion; nur etwa 1,5% des Genoms (≈2 x 104 Gene) kodieren für Proteine. Alternatives splicing (der Vorgang, bei dem aus prä-mRNS reife mRNS entsteht) ermöglicht daraus die Synthese von ≈105 verschiedenen Proteinarten.

Ein weiterer Teil des Genoms kodiert kurze RNS-Sequenzen (Mikro-RNA, miRNAs). Diese bedeuten keine Proteine, sondern inhibieren (nach entsprechender Modifikation im Zytoplasma) die Genexpression (gene silencing). miRNAs werden - z.B. infolge erhöhter endothelialer Belastung (shear stress) bei körperlicher Arbeit - in den Kreislauf abgegeben (ci-miRNAs, circulation), sind hier sehr stabil und können als interzelluläre Signalstoffe physiologische Vorgänge beeinflussen (das erklärt möglicherweise einen Teil der gesundheitsfördernden Effekte von Muskelaktivität).

Proteinsortierung: Das (an den Ribosomen) neugebildete Protein kann im Zytosol verbleiben (zytosolischer Weg, vor allem zur Bildung von Enzymen) oder - unter Beteiligung des Golgi-Apparates - zum Export aus der Zelle gebracht werden (sekretorischer Weg).

Die Frage, wie Proteine in der Zelle für zytosolische oder sekretorische Verwendung "sortiert" werden, wurde u.a. von Günter Blobel aufgeklärt, der dafür 1999 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielt. Die Sortierung hängt davon ab, ob die mRNS mit einer Signalsequenz (für das endoplasmatische Retikulum) ausgestattet ist oder nicht. Das "Protein Targeting" erfolgt dann über Translokationssequenzen - diese bestimmen, wohin (in welches zelluläre Kompartiment) das gebildete Protein genau gelangt (z.B. in den Zellkern, die Mitochondrien, etc).
 
Ribonukleinsäuren kodieren und managen die Proteinsynthese
  

<Abbildung: Transkription (Bildung von mRNS) und Translation (Proteinsynthese)
Nach einer Vorlagebei web.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome
Der Proteinsynthese geht die Ablesung des Bauplans im Zellkern (Transkription) und Übersetzung von der Nukleid- in die Aminosäuresprache (Translation) im Zellplasma voraus

Ribonukleinsäureketten (RNS) sind ähnlich wie DNS-Ketten aufgebaut, sind aber Einzelstränge, enthalten Ribose als Zuckeranteil, und Urazil (U) anstelle von Thymin.

Bei der Ablesung von DNS, die nicht ihrer Reduplikation dient, entstehen Boten-Ribonukleinsäuren (mRNS: messenger RNAs). Dieser Vorgang heißt Transkription ("Abschreibung").

Gene werden durch RNS-Polymerasen abgelesen. Dazu müssen sie sich an eine direkt vor dem Gen gelegene Promotorsequenz anlagern. Das können sie aber nicht selbständig - sie brauchen dazu Transkriptionsfaktoren.

Transkriptionsfaktoren sind DNS-bindende Proteine, die für die RNS-Bildung benötigt werden, und zwar

     andauernd hergestellte für die permanente Grundversorgung der Zelle mit RNS, die an den unmittelbar vor der kodierenden DNS-Region liegenden Kernpromotor binden (basale Transkriptionsfaktoren),

     auf regulierende weiter proximal gelegene DNS-Steuerelemente zugreifende stromaufwärts bindende Transkriptionsfaktoren (s. Abbildung),

     von außen oder durch den Zellzyklus gesteuerte induzierbare Transkriptionsfaktoren, z.B. durch Hormone - wie z,B. Steroide, Katecholamine (<Abbildung unten: Adrenalin) - und deren Signalstoffe (second messenger) induzierte, oder das P53-Protein - diese Faktoren werden bedarfsmäßig aktiviert, müssen also je nach Erfordernissen "eingeschaltet" werden.
 

>Abbildung: Modulation der Transkription
Nach einer Vorlage bei nature.com/scitable
Ein Aktivatorprotein bindet an eine Enhancersequenz und kann so Proteine an eine Promotersequenz heranbringen, welche die RNS-Polymerase und damit die Transkription aktivieren.

Die DNS bildet eine Schleife und ermöglicht den direkten Kontakt der Moleküle

Klassischerweise beginnt die Transkription mit der Anlagerung einer RNS-Polymerase an die Promotersequenz der DNS. Diese "verwaltet" das Gen; sie liegt - fast immer direkt - stromaufwärts (upstream) vom Transkriptions-Startpunkt.

An diesem greift die RNS-Polymerase an, und zwar an basalen Promotorelementen, z.B. der - aus Adenin- und Thyminmolekülen aufgebauten - TATA-Box bei regulierbaren Genen (fast alle) oder dem INR-Element (Initiationselement) bei konstitutiven (ständig exprimierbaren) Genen.

Am Transkriptionsstartpunkt müssen sich bei eukaryotische  Zellen zahlreiche (>100) Proteine zusammenfinden, um die Transkription zu starten. Dazu muss u.a. der DNS-Strang "auseinandergezogen" werden, damit eine Sequenz ablesbar wird. Es bildet sich ein "Transkriptionsauge" - auf einer Seite ein loser DNS-Strang, auf der anderen ein DNS-RNS-Hybrid für die Transkription, und als "Vorreiter" eine Helikase, welche die beiden DNS-Stränge voneinander trennt. Bei diesem Vorgang würde sich die DNS verzwirbeln; Topoisomerasen lösen vorübergehend die DNS-Stränge auf und verbinden sie nachher wieder.

Enhancersequenzen spielen oft mit eine Rolle: Sie binden regulatorische Proteine, welche (mittels Mediatormolekül) die RNS-Polymeraseaktivität beeinflussen (>Abbildung). Dadurch verändern sich Chromatinstruktur, Aktivität der RNS-Polymerase und Bindung von Transkriptionsfaktoren. Resultat ist die Verstärkung (oder Abschwächung) der Proteinsynthese.
 

<Abbildung: Multiple Genregulation
Nach einer Vorlage bei nature.com/scitable
Transkriptionsregulatoren können verschiedene, spezifische Bedeutung haben, und Kombinationen davon (hier A, B und C) können wiederum spezifische Mediatorproteine (orange) attrahieren.

Gene können so auf verschiedene Weise aktiviert werden, abhängig von dem Muster der anregenden Faktoren

 Es gibt regulatorische Proteine, welche die Transkription mehrerer Gene beeinflussen. Das ist einer der Mechanismen, wie die Zelle die Steuerung zahlreicher Gene gleichzeitig koordiniert. Dabei können unterschiedliche regulatorische Proteine beteiligt sein, und die Bindungsstellen an der DNS können in beträchlichem Abstand zueinander liegen (<Abbildung).

Darüber hinaus ist die Genexpression meist von einer Kombination kooperierender Regulationsproteine reguliert - dies erhöht die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Kontrolle der Genexpression.
 
  Ribonukleinsäure-Arten: Nach Aufgabe und Beschaffenheit unterscheidet man Boten- (m-), ribosomale (r-), Transfer- (t-) und einige weitere Ribonukleinsäuren, die man als small RNA (sRNA) zusammenfassen kann:
 
  Boten-RNS (messenger, m-RNA) sind das Produkt der Transkription (Ablesung der DNS). Diese wird durch Transkriptionsfaktoren reguliert: Das sind Proteine, welche an die DNS binden, die RNS-Polymerase "starten", Elongation und Termination beeinflussen sowie Promotoren aktivieren oder reprimieren können. (Promotoren sind Bestandteile der betreffenden Gene: Nukleotid-Sequenzen, welche die Gen-Expression ermöglichen.)

Das Produkt der Transkription ist nicht direkt mRNS: Zunächst entsteht im Zellkern heteronukleäre RNS (hn-RNA), die deswegen so genannt wird, weil Proteine jeweils durch mehrere verschiedene Vorläufer-mRNS kodiert werden können, die erst bearbeitet werden müssen (posttranslationale Prozessierung).
 

>Abbildung: Schema der Eiweißsynthese
Am Start-Codon fügen sich Ribosomen aus ihren Untereinheiten zusammen und beginnen die Proteinsynthese, indem sie Aminosäure für Aminosäure zu Peptidketten synthetisieren. Stop-Codons unterbrechen diesen Vorgang, und die Ribosomen dissoziieren wieder

Redigieren (Reifung) von RNS (RNA editing): An der hn-RNA werden mehrere Veränderungen vorgenommen, bevor die fertige mRNA den Zellkern verlassen kann:
 
    Anbringen eines methylierten Guanosinmoleküls (5'-Kappe) am 5'-Ende (hilft wahrscheinlich beim Spleißen, beim Transport aus dem Zellkern und beim "Einfädeln" der Translation im Zytoplasma),
 
     Anbringen eines Poly-A-Schwanzes am 3'-Ende (Funktion: RNS-Stabilisierung, Hilfe beim Transport durch den Zellkern),
 
    Entfernen von Introns und "Spleißen" (Splicing) von Exons. Exons sind proteinkodierende, Introns nicht-proteinkodierende Basensequenzen. Durch Spleißen werden nicht benötigte Basensequenzen noch im Zellkern aus der hn-mRNA entfernt.

Intons können regulatorische Aufgaben haben oder eine Rolle beim alternativen Spleißen spielen (dabei können auch Exons aus der RNS entfernt werden, nicht nur Introns). Auf diese Weise kann ein mRNS-Abschnitt als Vorlage für unterschiedliche Proteinmoleküle verwendet werden, und das Proteom (Gesamtheit aller Proteinarten) eines Individuums ist vielfältiger als sein Genom.

Das Entfernen nicht benötigter Basen (meist Introns) aus der mRNS erfolgt üblicherweise in Protein-RNS-Komplexen (Spliceosomen). Dieser Vorgang und das anschließende Spleißen wiederholen sich mehrfach, bis alle Exons direkt miteinander verknüpft worden sind. Übrig bleibt die "reife" mRNS - eine Abfolge von Exons als Bauanleitung für ein bestimmtes Protein, fertig für den Export durch Kernporen in das Zytosol.

  

<Abbildung: Beispiel einer Signaltransduktionskaskade mit cAMP
Nach einer Vorlage bei nature.com/scitable
Ein Adrenalinmolekül bindet an seinen Rezeptor und löst eine Reaktionskaskade in der Zelle aus: Die membrangebundene Adenylatzyklase wird durch G-Proteine aktiviert, welche mit dem Adrenalinrezeptor assoziiert sind.

Dies läßt zahlreiche cAMP-Moleküle entstehen (Signalverstärkung), diese diffundieren in die Zelle und aktivieren Proteinkinasen (hier: Proteinkinase A, PKA).

Proteinkinasen gelangen anschließend in den Zellkern und beeinflussen die Transkription

Die aus bis zu ≈100 Proteinen bestehenden Kernporen haben einen Durchmesser von 9 nm und lassen die Diffusion kleinerer Moleküle (bis 30 kD) zu. Der Molekülaustausch ist allerdings auch durch verschiedene Transportmechanismen reguliert (das gilt sowohl für den Import - s. z.B. <Abbildung - als auch den Export von Molekülen, wie mRNA).

Hat die mRNA den Zellkern verlassen, stellt sich die Frage, wie sie zum Ort der nun folgenden Transkription gelangt. Dieser kann bis zu einem Meter entfernt sein (Nervenzellen), und die mRNA wird zum Translationsort transportiert (s. dort). Das geht einfacher als der Transport zahlreicher Proteinmoleküle in die Peripherie und bietet die Möglichkeit, einen "Vorrat" an mRNA anzulegen und erst bei Bedarf zu nutzen.

Nun kommen tRNA und rRNA ins Spiel:

     Ribosomale RNS (r-RNA) - als Baustein von Ribosomen (Leberzellen enthalten je ≈4 Millionen davon).

Ribosomen sind kurzlebige Zellorganellen; sie werden innerhalb von ≈6 Stunden ersetzt (pro Leberzelle etwa 180 pro Sekunde). Sie fügen t-RNS an die m-RNS, verknüpfen die Aminosäuren nebeneinander stehender t-RNS und lösen sie dann von der jeweils vorangegangenen t-RNS ab.

tRNS werden ans Zellplasma zurückgegeben, wo sie neue Aminosäuren “tanken”.
 
     Transfer-RNS (t-RNA) als “Dolmetsch”, der einerseits mit seinem Basentriplet an ein komplementäres Triplet der m-RNS bindet, andererseits die dem Triplet entsprechende (von diesem kodierte), an das t-RNS Molekül gebundene Aminosäure mitbringt.
    
       Über den Zugriff extrazellulärer Signalfaktoren auf die Transkription s. dort.
 
     Etwa 1% der RNA-Menge der Zelle sind sRNA (small RNAs) - kurze, nichtkodierende RNS. Man unterscheidet nukleäre und zytoplasmatische sRNA. Einige sRNA können verschiedene m-RNA beeinflussen, Fehlregulierungen in diesem Bereich schwerwiegende pathologische Konsequenzen haben.

Man unterscheidet kleine Kern- (small nuclear-) RNS (snRNS) - einige sind am Spleißen von prä-mRNS zu mRNS beteiligt -, kleine nukleoläre RNS (snoRNA), kleine Interferenz-RNS (siRNS), piwi-wechselwirkende DNS (piRNA), lange nicht-codierende RNS (lncRNA) u.a.

Alle nicht-messenger-RNAs - also tRNAs, rRNA und sRNAs - unterliegen keinen weiteren Modifikationen, sondern sind fertige Endprodukte der Genexpression und können unmittelbar nach ihrer Synthese ihre zytophysiologischen Aufgaben wahrnehmen.
 

>Abbildung: Genetischer Code
Nach einer Vorlage bei Biochemistry for Medics (slideshare.net)
Das Start-Codon lautet "AUG" (Methionin als Aminosäure zu Synthesebeginn). Es existieren drei Stop-Codons (UAA, UAG, UGA)

Translation: Die m-RNS wird wie ein Datenstreifen durch die Ribosomen gezogen und die Information so umgesetzt. Translation ist die "Übersetzung" von der Nukleinsäure- in die Aminosäure-Sprache.

Beeinflussung: Wieviel Protein produziert wird, kann einer Regulation unterliegen - durch (In-) Aktivierung von Translations-Initiationsfaktoren.

Nach Fertigstellung der Proteinmoleküle können diese weiter (posttranslational) modifiziert werden.

Bei der Eiweißsynthese - also der korrekten Aneinanderreihung von Aminosäuren entsprechend dem genetischen Bauplan - gilt der "genetische Code" (>Abbildung): Bestimmte Basen-Dreiergruppen (Tripletts) veranlassen das Arrangement entsprechender Aminosäuren.

Die Translation erfolgt im Zellplasma (für zytoplasmatische Proteine) bzw. in der Wand des endoplasmatischen Retikulums (für Membran- und Sekretproteine) - s. <Animation.
 


<Animation: Ablauf der Proteinsynthese (vgl. nachfolgende Abbildung)
Quelle: Wikipedia
U.a. ist dargestellt, wie Proteine in Membranen integriert werden. So verfügen z.B. für das endoplasmatische Retikulum bestimmte Proteine über eine spezifische Sequenz, die von einem Protein-RNA-Komplex (SRP: Signal Recognition Particle) erkannt wird.

Der resultierende SRP-Peptid-Ribosom-Komplex wird dann am endoplasmatischen Retikulum erkannt und gebunden, die Proteinbildung setzt sich durch die Membran fort

Gentechnik nützt Mechanismen der Vorgänge bei Entstehung und Wirkung von Nukleinsäuren ("Genbanken"). Da alle Lebewesen gleichen genetischen Prinzipien folgen, kann man z.B. Bakterien- oder Hefezellen menschliche Gene in ihr Erbgut einschleusen und sie zur Bildung großer Mengen identischen Proteins (Hormone, Gerinnungsfaktoren, Immunstoffe, Wachstumsfaktoren etc.) veranlassen.
         Film: Anordnung und Reproduktion der DNS
 
Damit die anschließende räumliche Faltung zu funktionsfähigen Proteinmolekülen richtig erfolgt, treten weiters Chaperone auf den Plan. Chaperone stellen sicher, dass neu synthetisierte Proteine ihre funktionelle Struktur erhalten. Weiters kümmern sie sich darum, dass Proteinmoleküle, die - unvernetzt, aber funktionslos - durch Tunnelmoleküle in Membranen (z.B. von Mitochondrien) treten, nachher wieder zurückgefaltet werden und ihre Funktion wiedererlangen.

Zur Sekretion bestimmte Proteine und integrale Membranproteine. Da Eiweißmoleküle stark hydrophile (elektrisch geladene) Sequenzen aufweisen, sind sie durch Lipidmembranen nur schwer zu transportieren. Das ist aber notwendig, will die Zelle Proteine in die Membran integrieren (solche Moleküle haben lipophile α-helikale Domänen, mit denen sie sich in die Membran "verzapfen") oder (via Sekretionsvesikeln) in den Extrazellulärraum exportieren.
 

>Abbildung: Herstellung eines sekretorischen Proteins (vgl. <Animation)
Nach einer Vorlage bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed., Saunders 2003
Ein Ribonukleoprotein namens signal-recognition particle (SRP) bindet an die Startsequenz des entstehenden Proteins (Signalsequenz). Das stoppt die Proteinsynthese (Translocation arrest, Schritt 2), bis der SRP-Signalsequenz-Komplex an einen freien SRP-Rezeptor (docking protein) in der Membran des endoplasmatischen Retikulums bindet.

Dann gelangt die entstehende Aminosäurekette durch dessen Membran (Translokation, einen betreffenden Kanal nennt man Translocon), und die Syntheseaktivität des Ribosoms wird fortgesetzt (Schritt 3).

Eine Signalpeptidase spaltet die Signalsequenz ab (Schritt 4), diese verbleibt in der Membran des endoplasmatischen Retikulums.

Die Eiweißsynthese schreitet fort, das Protein wird mit Kohlenhydrat-Seitenketten komplettiert (Schritt 5); ist es fertiggestellt, löst es sich vom Translokationsapparat und steht für Sekretionsvorgänge zur Verfügung, das Ribosom zerfällt in seine zwei Bestandteile (Schritt 6)
Dieses "durch die Membran stecken" ist ein energetisches Problem, das aufwendig gelöst wird. So befördert das endoplasmatische Retikulum für die Sekretion bestimmte Aminosäureketten über einen in der >Abbildung dargestellten Mechanismus schrittweise in und durch die Membran hindurch. Die Kanäle (Translocons), durch welche die aus den Ribosomen wachsenden - hydrophilen - Aminosäureketten "gesteckt" (transloziert) werden, ersparen diesen einen direkten Kontakt mit hydrophobem Membranmaterial.

Die Konstruktion eines integralen Membranproteins läuft etwas komplizierter ab - das Molekül löst sich nicht von der Membran (wie sekretorische Proteine), sondern wird mit einem hydrophoben Mittelteil in diese integriert.

Eiweißmoleküle, die in die Membran von Mitochondrien oder Peroxisomen eingebaut werden, durchlaufen einen separaten Mechanismus.

  Wie können sich Zellen auf Veränderungen in ihrer Umwelt anpassen? Ein wichtiger Mechanismus besteht darin, die Transkription und Translation zu steuern und/oder deren molekulare Ergebnisse (Ribonukleinsäure, Protein) zu modifizieren. Nur ein kleiner Teil der vorhandenen Gene wird auch exprimiert. Die Exprimierungsmuster können wechseln (s. oben).

Ontogenese und Zellspezifität: Die einzelnen Zelltypen des Organismus regulieren die Transkriptionsvorgänge unterschiedlich - sie exprimieren bestimmte Sets von Transkriptions-Regulatoren. Während der Entwicklung schalten solche Sets spezifische Regulator-Kombinationen ein und aus. Diese Muster bewirken die Unterschiedlichkeit der Zelltypen im reifen Organismus.


 
Wie weist man spezifisch Gene, Proteine, RNS nach?
Mittels (DNS-) Polymerase-Kettenreaktion (PCR: polymerase chain reaction) lassen sich DNS-Abschnitte in vitro vervielfältigen und dadurch molekulare Sonden herstellen (s. Biochemie). Mit deren Hilfe lassen sich Sequenzen präzise orten (DNA sequencing).

Southern blots identifizieren Gene: Es werden Nukleinsäuresequenzen (Gensonden, hybridization probes) hergestellt (PCR), die komplementär zu der gesuchten DNS-Sequenz sind. Mit ihrer Hilfe können Gensequenzen z.B. in Zellhomogenaten aufgefunden werden (Einzelheiten wie Gelelektrophorese, Blotting von Gel auf Nitrozellulose, Hybridisierung und Sichtbarmachung s. Biochemie).

Northern blots identifizieren mRNS-Transkripte: Diese Methode erlaubt es festzustellen, welche Gewebe ein bestimmtes RNS-Transkript herstellen. Das Verfahren ist ähnlich wie beim Southern-Blot (Homogenisierung fraglicher Zellen etc), nur werden RNS- und nicht DNS-Abschnitte nachgewiesen.

Will man wissen, wie die Expression der Ziel-RNS in Gewebeschnitten lokalisiert ist (welche Zellen erzeugen die RNS?), wendet man in-situ-Hybridisierung an, bei der die Bindung der Gensonde in Gewebeschnitten erfolgt (und sichtbar gemacht wird).

Western blots identifizieren Proteine: Hier werden Antikörper (monoklonal oder polyklonal) als molekulare Sonden eingesetzt - nur dass sie nicht der Abwehr von Pathogenen, sondern zur spezifischen Bindung eines Zielproteins dienen. Wieder werden Zellhomogenate durch Gelelektrophorese aufgetrennt, die "Blots" auf Mikrozellulose übertragen und mit dem Antikörper nachgewiesen.

 Immunozytochemie: Wie beim Nachweis von RNS, kann auch der Proteinnachweis - statt in Zellhomogenaten - in Gewebeschnitten erfolgen und so die Lokalisierung der gesuchten Proteine im untersuchten Gewebe (auch innerhalb von Zellen) sichtbar gemacht werden - nur eben nicht mittels Hybridisierung, sondern mit Hilfe von Antigen-Antikörper-Reaktionen.
Eine Reise durch die Physiologie


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