Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte
  
Gene, Proteinsynthese, Mitose, Wachstumsfaktoren, Wundheilung
© H. Hinghofer-Szalkay
Chromosom: χρῶμα = Farbe, σῶμα = Körper ("Farbkörper")
 Gen: γενεά = Abstammung, γένεσις = Ursprung
Euchromatin: εὖ = gut
Granulationsgewebe: Körniges Aussehen (granum = Korn)
Heterochromatin: ἕτερος = ungleich
Kinetochor: κίνησις = Bewegung, χῶρος =Ort
 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
Zentromer: κέντρον = Mittelpunkt, μέρος = Teil

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 - Beispiele:

    -- 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

    -- TGF's (transforming growth factors) - 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 andere Faktoren angeregt und wirken vasodilatierend, blutdrucksenkend und permeabilitätssteigernd

   -- Nervenwachstumsfaktor (nerve growth factor, NGF) - wirkt neurotroph, 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

 Bei einer Aktivierung der Proteinsynthese wird zunächst mRNS von DNS-Sequenzen 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, wird der Vorgang an bestimmten Restriktions- bzw. Kontrollpunkten überprüft und gegebenenfalls angehalten. Dazu dienen Kontrollfaktoren, wie das RB-Protein oder das P53-Protein, sie überwachen die Intaktheit des Zellzyklus. In Tumorzellen kommen sie vermehrt vor ("Tumorsuppressoren").



Erbinformation   Zellzyklus, Zykline, Tumorsuppressoren, Protoonkogene Mitose Genom und Epigenom RNS und Ribosomen, Proteinsynthese Wachstumsfaktoren  Wundheilung Nachweis von Nukleinsäuren und Proteinen

Core messages
  
Zellen speichern Erbinformation als linearen chemischen Code
Erbinformation wird von Zelle zu Zelle in der gesamten Biosphäre nach ähnlichen Prinzipien übertragen. Baustein ist die DNS, und diese enthält aufeinanderfolgende Basensequenzen, von denen viele unklare Bedeutung haben, andere als Gene wirken. Die DNS bildet mit Begleitproteinen (Histonen und Nicht-Histonen) jeweils einen Chromatinfaden, dieser kann in ablesbarer Form (dekondensiert: aufgelockert, "entwirrt") vorliegen oder dicht verpackt (kondensiert, kaum oder nicht ablesbar), insbesondere in Chromosomen.

Die DNS besteht aus zwei Ketten (Doppelhelix). Jeweils auf ein abzulesendes Gen bezogen spricht man von einem codogenen Strang, der proteincodierend ist (die Matritze für die betreffende mRNS abgibt) und in 5'-3'-Richtung abgelesen wird; und einem komplementären DNS-Strang, dessen Information im Falle von DNS-Schäden zur Rekonstruierung der kompletten DNS herangezogen werden kann.

>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; diese verbinden sich längs zu Ketten, die Basen binden komplementäre Basen (A mit T, C mit G) eines Parallelstranges.
 
Nukleoside bestehen aus einer Base (Adenin A, Guanin G, Thymin T, Cytosin C) und einer Pentose (Ribose in RNS, Desoxyribose in DNS) und werden als Adenosin, Guanosin, Thymidin und Cytidin bezeichnet. Nukleotide enthalten zusätzlich Phosphat (z.B. für A: Monophosphat AMP, Diphosphat ADP, Triphosphat ATP etc).

Thymin und Adenin kommen (mit jeweils 31%) beim Menschen häufiger vor als Cytosin 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 beinahe zwei 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.
  Über Telomere s. dort
 

<Abbildung: Struktur eines Chromosoms
Nach einer Vorlage bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed., Saunders 2003
Jedes Chromosom hat die Form eines "X" - mit einem Zentromer in der Mitte und vier als Chromatiden bezeichneten Armen. Der Chromatinfaden liegt hier in kondensierter (mehrfach aufgewickelter) Form vor. Die DNS ist in Nukleosomen auf Histon-Oktamere aufgewickelt

   Histone sind Proteine im Chromatin, welche die Verpackung sowie die Ablesung der DNS regulieren - ihre "Arme" sind positiv, die DNA ist negativ geladen. Auf Histon-Oktamere ist der DNS-Strang 1,7-fach aufgewickelt (entsprechend einer Sequenz von 146 Nukleotiden) und mittels Wasserstoffbrücken fixiert; diese Struktur bildet jeweils ein Nukleosom.
 
Durch das mehrfache Aufspulen der Chromatinfäden im Gesamtchromosom ergibt sich eine Verkürzung um das ~7.000-fache (z.B. wäre das vollständig "entspulte" Chromatin des 2 µm langen Chromosoms 22 etwa 15 mm lang). Würde man alle 23 Chromosomen einer Zelle vollständig entwickeln ("entdröseln") und aneinanderreihen, ergäbe sich eine DNS-Doppelhelix von mehr als einem Meter Länge.

 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 DNS-Fäden lassen sich dadurch auf Mikrometerlänge "zusammenpacken". An der Organisation dieser Vorgänge sind Histone und Nicht-Histon-Proteine beteiligt, jeweils zu etwa gleicher Masse wie die entsprechende DNS.

     Chromatin ist der gesamte Komplex aus DNS, Histon- und Nicht-Histon-Proteinen, aus dem Chromosomen aufgebaut sind.

 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). Dieser Vorgang kann durch ATP-betriebene Proteinkomplexe - Chromatin-Umformungskomplexe - angetrieben werden; es gibt zahlreiche verschiedene, auf bestimmte Funktionen spezialisierte Umformungskomplexe. Durch die Umpositionierung der Nukleosomen werden DNS-Sequenzen neu freigelegt und damit für Ablesung (Transkription), Reparatur- und Replikationsvorgänge zugänglich. Die DNS wickelt sich mehrmals pro Sekunde aus einer gegebenen Histonstruktur aus und bleibt für 10-50 Millisekunden frei zugänglich.

Ablesung der DNS: DNS kann von Polymerasen abgelesen werden; dabei entsteht entweder eine DNS-Kopie (DNS-Polymerasen) oder RNS (RNS-Polymerasen). RNS-Polymerase I (Pol I) transkribiert ribosomale (r) RNS, RNS-Polymerase II (Pol II) Boten (m) RNS und die meisten kleinen nukleären (sn) RNS, RNS-Polymerase III (Pol III) transfer (t) RNS und einige snRNS (vgl. unten):
DNS-Polymerase
 DNS → DNS
RNS-Polymerase I DNS → rRNS
RNS-Polymerase II DNS → mRNS, snRNS
RNS-Polymerase III DNS → tRNS, snRNS

      Gene   sind DNS-Abschnitte, die den Bauplan einer mRNS (mRNA: messenger ribonucleic acid, Botenribonukleinsäure) und damit den eines Proteins codieren. Gene, die "abgeschrieben" (transkribiert) werden, heißen Transkriptionseinheiten (transcription units). Das Gen erstreckt sich von der Stelle, an der die Transkription beginnt (transcription initiation) bis zu derjenigen, an der sie endet (transcription termination) (>Abbildung).
 

>Abbildung: Gen und Genprodukte
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Oben: Das Gen ist flankiert von DNS-Sequenzen vor (5') und hinter ihm (3' - die Bezifferung bezieht sich auf den codogenen Strang). Erstere hat eine Promotorregion mit einer thymin- und adeninreichen Sequenz - 5'-TATAAA-3'
("TATA-Box") - knapp 30 Basenpaare vor dem Startpunkt der Transkription (vgl. nächste <Abbildung). Das Gen-Ende ist durch ein Polyadenylierungssignal gekennzeichnet (meist AATAAA).

Mitte: Das primäre Transkript der RNS enthält noch Introns (die beim "Spleißen" entfernt werden) und Extrons (sie ergeben aneinandergereiht die fertige mRNS).

Unten: Die reife mRNS trägt eine "Kappe" (cap site) mit 7-Methyl-Guanosin (m7G) und einer nichttranslatierten Sequenz (UTR, untranslated region). Dahinter befindet sich - zwischen einem Start- und einem Stop-Codon - der Leseraster (ORF, open reading frame), der die Aminosäuresequenz des zu translatierenden Proteins codiert. Am Ende der mRNS befindet sich ein Schwanz mit mehreren Adeninmolekülen (Poly(A) tail)

Die DNS des abgelesenen Gens wird zunächst 1:1 in eine entsprechende mRNS transkribiert (primäres Transkript). Dieses muss im Zellkern noch bearbeitet werden, bevor es in ein (entsprechendes) Protein übersetzt wird: Es entsteht eine "gereifte" mRNS (mature mRNA) durch Herausschneiden von RNS-Sequenzen (Introns). Spleißen (splicing) ist der Vorgang, bei dem Introns (zwischen Exons, also proteincodierenden, liegende DNS-Sequenzen) aus mRNS entfernt wird.
 
Promoter und regulatorische Sequenzen: Flankiert wird das Gen von einer Region vor (5' flanking region) und einer nach der zu transkribierenden Sequenz (3' flanking region). Diese Regionen codieren nicht für ein Protein, sondern enthalten oft regulatorische Sequenzen (regulatory elements) - diese können die Genexpression anregen oder hemmen. Die Freigabe der Transkription erfolgt durch Aktivierung von Promotorsequenzen der DNS und ist streng kontrolliert.

      Ein Promotor (promoter) ist eine - unmittelbar vor dem 5'-Ende der betreffenden Startstelle der Transkription gelegene - DNS-Sequenz, die notwendig ist, um ein Gen zu exprimieren und welche die Richtung der Transkription bestimmt. Viele Promotoren enthalten eine TATA-Box, eine thymin- und adeninreichen Sequenz, meist etwa 30 Basenpaare vor dem Ort des Transkriptionsbeginns gelegen.

Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die sich meist an spezifische DNS-Sequenzen anlagern und die Expression bestimmter Zielgene regulieren. Ihre Bindungsstellen nennt man regulatorische Sequenzen bzw. Elemente. Als Cis-Element bezeichnet man einen DNS-Abschnitt, der die Ablesung eines Gens  auf dem DNS-Faden verstärkt (Enhancer) oder abschwächt (Silencer) (<Abbildung). Promoter sind Cis-Elemente. An Enhancersequenzen der DNS binden als Aktivatoren bezeichnete Transkriptionsfaktoren. Andere Transkriptionsfaktoren wirken als Repressoren, sie binden an Silencersequenzen.

Zusammen mit Koaktivatoren beeinflussen diese die RNS-Polymeraseaktivität (vgl. oben: Die Polymerase II bildet mRNS). Um aktiv zu werden und mRNS zu bilden, muss RNS-Polymerase II einen Transkriptionskomplex (bekannt als Präinitiationskomplex, RNA-Polymerase II Holoenzym, basal transcription machinery) mit Transkriptionsfaktoren (TF) aufbauen - Transkriptionsfaktoren A bis H (<Abbildung). TFIID enthält ein TATA-bindendes Protein.
 

<Abbildung: Regulatorische Sequenzen und Promotor
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Der Transkriptionskomplex (rechts oben) konfiguriert sich am Promotor (plus der Startstelle für die Transkription), unter dem Einfluss von Enhancern (regen die Transkription an) / Silencern (hemmen die Transkription), an die Aktivatoren / Repressoren binden.
 
Pol II = RNS-Polymerase II; kombiniert mit den Transkriptionsfaktoren A bis H (TFIIA, TFIIB etc) bildet sie einen Transkriptionskomplex und ist so zur Anlagerung an DNS (TFIID erkennt die TATA-Box) und zur mRNS-Synthese (Transkription) befähigt.
 
TATA-Box s. Text und >Abbildung oben

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.
 
Die Erbinformation (beim Menschen pro Zelle ~3.109 Basenpaare, ~2-3.104 Gene) wird entsprechend jeweiligen Notwendigkeiten und Erfordernissen ausgelesen. Eine typische menschliche Zelle exprimiert davon etwa ein Drittel (~104 Gene), um alle für ihre Tätigkeit benötigten Moleküle zur Verfügung zu haben.

Welche Gene in bestimmten Zellarten exprimiert werden (oder nicht), ist genau reguliert (gewebespezifische Genexpression). Ob bzw. 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.
 

>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

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.

       Unter Genexpression (Exprimierung) versteht man die Realisierung einer genetischen Information, d.h. wie die Zelle genetische Information zur Synthese von Ribonukleinsäuren bzw. Proteinen heranzieht. (Ungleiche Genexpression bei eineiigen Zwillingen kann Unterschiede im Phänotyp bedingen.)

Die Genexpression kann auf verschiedene Weise beeinflusst bzw. gesteuert werden (<Abbildung):
 

<Abbildung: Phasen der Genexpression
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Beinahe alle Schritte (links) unterliegen regulatorischen Einflüssen (rechts).
 
Die Struktur und damit Ablesbarkeit des Chromatins (1) kann durch Acetylierung von Histonen oder Methylierung der DNS verändert werden. Die Transktiption muss durch Bereitstellung von DNS-Polymerase ermöglicht werden (2); dieser Schritt ist reguliert und limitierend für die Proteinsynthese. Löst sich die Polymerase vom DNS-Strang, hört die Transkription auf (4).
 
(5) Gene können unterschiedlich gelesen werden (alternatives Spleißen: Eine definierte DNS-Sequenz 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.
 
(6) Das Transkript wird in das Zytoplasma transportiert; dieser Vorgang unterliegt einer "Qualitätskontrolle". Dann erfolgt die Proteinsynthese (7) und schließlich der Abbau der mRNS, deren Stabilität ebenfalls reguliert werden kann

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.

DNS-Sequenzen können ablesbar oder "maskiert" sein. Das Muster solcher Aktivierung / Inaktivierung kann auf Tochterzellen weitergegeben werden (Epigenetik: Veränderung durch DNS-Methylierung oder Modifikation von Histon-Proteinen). Das Methylom beschreibt Methylierungsmuster. "Erhaltungs-Methyltransferasen" übertragen das Methylierungsmuster im Rahmen der Zellteilung auf Tochterstränge, d.h. es kann im Zuge der Replikation der DNS weitergegeben (vererbt) werden.

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

     Als Phänotyp bezeichnet man die (beobachtbaren) Eigenschaften und Charakteristika eines Organismus. Der Genotyp ist seine Ausstattung mit Genen (der Begriff wird meist gebraucht in Bezug auf bestimmte Allele, also Genvarianten).
 
Wie wird der Zellzyklus kontrolliert?
  
Wenn sich Keimzellen vervielfältigen, tun sie das im Rahmen der Meiose: Einem Vorgang der doppelten Zellteilung, deren Resultat die Entstehung von vier unterschiedlichen Tochterzellen ist, die einen jeweils einfachen Satz der 23 Chromosomen haben und einen Mix aus väterlichen und mütterlichen Genen darstellen. Das Ergebnis sind also jeweils unterschiedliche Keimzellen. Wenn sich somatische Zellen reproduzieren, teilen sie sich im Rahmen der Mitose: Das Ergebnis sind zwei identische Tochterzellen. Zur Vorbereitung auf die nächstfolgende Mitose werden die Chromatiden während der sogenannten Synthesephase redupliziert.

Die im Zellkern gespeicherte Erbinformation dient - je nach Abschnitt des Zellzyklus, der normalerweise aus vier Phasen besteht: G1, S, G2 und M -

    der “Arbeitsfunktion” (Interphase), in der Gene exprimiert (abgelesen und "übersetzt") werden (Synthese von RNS und Proteinen - die Chromatinfäden liegen im Zellkern als mehr oder weniger entfaltete, gut ablesbare Fäden vor) und (vor der nächsten Mitose) die Chromatiden repliziert werden (was zur Bildung von Schwesterchromatidenpaaren führt - Replikationsgeschwindigkeit: Bei Bakterien bis zu ~1000, in eukaryotischen Zellen ~50 Nukleotide pro Sekunde), oder

    der Bildung neuer Zellen (Kondensation der Chromatiden zu Chromosomen, Voraussetzung für die Mitose).
 

>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 mindestens ~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 - in der das Wachstum der Zelle andauert - wird unterteilt (>Abbildung) in die G1, S- und G2-Phase:
G1-Phase (Gap, Lücke): Dies ist der "Arbeitszustand", 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). Die Dauer hängt von den Bedingungen ab, in denen sich die Zelle wiederfindet (Signale durch Mitogene heben die Wirkung intrazellulär hemmender Kontrollfaktoren auf).

Manche Zellen treten postmitotisch in die G0-Phase ein (diese wird auch als Ruhephase bezeichnet), in der sie entweder reversibel (wenn auch u.U. sehr lange, z.B. Stammzellen) oder permanent verharren können. Das trifft auf die meisten Nervenzellen und Skelettmuskelfasern zu, die dauerhaft spezialisiert bleiben. Auch Leberzellen verharren zum Großteil in der G0-Phase, sie können aber (bei Gewebeschäden) wieder in die Mitosephase eintreten und Zellverlust wieder wettmachen (gegebenenfalls kann nach Entfernung eines Teils des Organs verbliebenes Lebergewebe die Lücke wieder füllen).

Das "Erwecken" der Zellen wird durch Mitogene verursacht. Diese bremsen - über Wirkung an Mitogenrezeptoren und z.B. über Ras (eine GTPase) und MAP-Kinasen - die Aktivität zyklinabhängiger Kinasen (Cdks, s. unten) und triggern damit auf komplexe Weise den Wiedereintritt der Zelle in den Teilungszyklus.

Am Ende der G1-Phase steht die Duplikation der Zentrosomen (in denen jeweils ein Zentriolenpaar eingeschlossen ist, an dem Mikrotubuli entspringen) 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).

In der S-Phase (DNS-Synthesephase: Reduplikation) kopiert (verdoppelt) die Zelle ihr Erbmaterial (DNS-Reduplikation). Diese Phase dauert 6-12 Stunden (etwa 3 Milliarden Basenpaare werden in dieser Zeit kopiert) und benötigt etwa die Hälfte der Zeit, die der gesamte Zellzyklus beansprucht. Die Verdoppelung der DNS beginnt jeweils an bestimmten Stellen, den Replikationsursprüngen (von diesen gibt es pro Chromosom zahlreiche - beim Menschen pro Zelle insgesamt etwa 3-5.104 -, was die Replikation - die sonst mehr als einen Monat dauern würde - entsprechend beschleunigt). Am Ende dieser Phase bestehen die Chromosomen aus zwei identischen Chromatiden, die Zelle ist tetraploid.   Die beiden Schwesterchromatiden bleiben dann eng aneinandergeheftet und werden zur Bildung von Mitosechromosomen weiter kondensiert.

In der S-Phase steigt auch die Transkription von Proteinen stark an, die zusammen mit der DNS Chromatiden aufbauen (z.B. Histonproteine zum Aufbau neuer Nukleosomen).
G2-Phase. In dieser  ~4 Stunden dauernden Zeit der "Kontemplation" kontrolliert die Zelle das Ergebnis der vorausgegangenen Reduplikationsvorgänge (DNS korrekt verdoppelt?). Am abschließenden G2/M-Checkpoint (G2/M-Übergang) werden eventuell notwendige Korrekturen an der replizierten DNS vorgenommen (gesamte DNS verdoppelt?). Fällt die Überprüfung zufriedenstellend aus, erfolgt der Eintritt in die Mitose; sind bei der Replikation zu viele Fehler passiert, wird
 
    der Vorgang verzögert, um die entsprechenden Reparaturen vorzunehmen,
 
    die Zelle mitotisch stillgestellt ("Seneszenz", vor allem durch Wirkung des P53-Proteins, s. unten), oder
 
    die Zelle 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): G1/S, G2/M, und ein Metaphase-zu-Anaphase- Kontrollpunkt.

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.

Insbesondere der G1/S-Übergang ist eng reguliert: Cycline (Proteine, deren Konzentration zellzyklusunabhängig ist) binden an Mitglieder einer Proteinkinase-Familie, die als zyklinabhängige Kinasen (Cyclin-dependent kinases Cdks) bezeichnet werden. Diese werden dadurch aktiviert und phosphorylieren kritische Enzyme, was den Zellzyklus weiterschreiten lässt. Man unterscheidet verschiedene Cycline, je nachdem, in welcher Phase sie aktiv sind (G1/S-, S-, M-Cycline). Andererseits gibt es Cdk-Inhibitoren (CKIs), diese wiederum werden von einigen Wachstumsfaktoren ausgeschaltet (und das Fortschreiten im Zellzyklus so freigegeben).

Die Aktivität der Kinasen schwankt mit dem Zellzyklus; beispielsweise ist am G2/M-Übergang die Cdk-Aktivität hoch, und Proteine werden vermehrt aktiviert, welche die Vorgänge der frühen Mitose steuern (Abbau der Kernhülle, Kondensation der Chromosomen, Aufbau der Spindeltubuli). Der G2/M-Kontrollpunkt ist weniger komplex reguliert als G1/S und stellt eine Art Notbremse dar, etwa für den Fall, dass die Replikation fehlerhaft verlaufen ist (s. oben).

Am Metaphase-zu-Anaphase- Kontrollpunkt wird die Trennung der Schwesterchromatiden überprüft; am Ende steht der Abschluss von Mitose und Zytokinese.

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).

Differenzierung bedeutet also eine Restriktion des Zugangs zu genetischer Information und damit zur Synthese betreffender Nukleinsäuren und Proteine. Wie "erinnert" sich die Zelle, welche Gene im Rahmen der Differenzierung ablesbar bleiben und welche der Transkription nicht mehr zugänglich sind? Die Differenzierung fixiert epigenetisch Modifikationen der Struktur des Chromatins:
 
     Demethylierung der DNS und Acetylierung von Histonen bewirken eine "offene" Konformation mit Ablesbarkeit betreffender Genorte,
 
     Methylierung der DNS und Deacetylierung von Histonen hingegen eine "geschlossene" Konformation mit behinderter Transkription (Gene "abgeschaltet").

So wirken die Methylierungsmuster an den Chromosomen wie "Lesezeichen", die darüber orientieren, wo eine Transkription erfolgen kann und wo nicht.
 
Steuerung der Mitose
 
Auf die G2-Phase kann eine Zellteilung folgen. Diese M-Phase besteht aus zwei Teilen: Mitose (Aufteilung des kopierten Chromosomensatzes auf zwei Tochterkerne) und Zytokinese (Aufteilung des Zytoplasmas auf zwei Tochterzellen). Dieser Vorgang dauert typischerweise weniger als eine Stunde.

Regulierung: Somatische 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 jeweils zwei Chromatidensätze voneinander trennt. Dabei greifen die Mikrotubuli des Spindelapparates über als Kinetochor bezeichnete Proteinkomplexe an Zentromeren an, das sind bis zu 106 Nukleotidpaare lange DNS-Sequenzen der Chromosomen, an denen diese Verankerung stattfinden kann.

Die Mitose läuft konsekutiv komplexe Phasen durch (>Abbildung):
       Prophase: Die DNA wird entwirrt und kondensiert zu kompakten, stabförmigen Schwesterchromatiden, die zunächst verbunden bleiben (Kohäsion). Am Ende dieser Phase verliert der Zellkern seine Hülle. Diese Phase kann zwischen einer halben und (seltener) mehreren Stunden dauern

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

       Anaphase: In dieser 2 bis 20 Minuten dauernden Phase verschwindet die Schwesterchromatiden-Kohäsion, die Chromatiden trennen sich mit Hilfe der Spindelfasern und werden zu den Spindelpolen gezogen. In der Mitte der Zelle bildet sich ein gürtelförmiger kontraktiler Ring aus Aktinfilamenten, der die Trennung in zwei Zellen unterstützt

       Telophase: Die Spindel zerfällt, Kernhülle und neue Nukleoli werden wiederhergestellt, die Chromosomen in neu gebildete Zellkerne eingefügt und entspiralisiert, womit sie wieder in den "Arbeitszustand" treten können (Ablesung der Erbinformation).
 
Genom und Epigenom
 
Genetik beschäftigt sich mit der Biologie der Vererbung. Deren molekulare Grundlage sind die DNS und deren Begleitproteine. Variationen der Basensequenz in der DNS sind genetischer, andere Veränderungen (z.B. Methylierungsmuster) epigenetischer Natur, beide können vererbt werden. Als Genomik bezeichnet man den Teil der Genetik, der sich mit Genen und deren Wechselwirkungen beschäftigt. Als Gen gilt ein DNS-Abschnitt, der zu mRNS umgeschrieben werden kann.

     Das Genom ist die vollständige DNS-Sequenz eines Organismus. Das Genom des Menschen umfasst etwa ~2.104 Gene. (Zum Vergleich: E. coli ~4,5.103, Taufliege ~13,5.103, Wasserfloh ~31.103, Gemüsekohl ~100.103 Gene - Genomgröße und Komplexität des Organismus sind kaum korreliert.) Das Genom enthält Teile von Chromatinfäden / Chromosomen, die reich an Genen und gut ablesbar sind (Euchromatin) sowie kompakte, schwer ablesbare mit nur wenigen Genen (Heterochromatin).

Heterochromatin beinhaltet etwa 10% des Genoms und stellt unterschiedliche Formen der Chromatinverdichtung dar, die sich auch unterschiedlich auf die Expression von Genen auswirken - im allgemeinen inaktivierend. Werden Bereiche des Euchromatins in Heterochromatin umgewandelt, schalten sich die betreffenden Gene meistens ab (gene silencing). Besonders stark kondensiert ist das Chromatin während der Mitose - hier zeigt sich die dichtest mögliche Packung von Chromosomen: Das Metaphasenchromosom hat nur ein Zehntausendstel der Länge der vollständig gestreckten DNS.

Sollen Gene abgelesen werden, müssen sie dem Transkriptionsvorgang zugänglich gemacht werden (Dekondensierung und Volumenzunahme betreffender Chromatinschleifen). Der Zellkern besteht aus verschiedenen Zonen mit unterschiedlicher Intensität der Genablesung; diese Zonen formieren sich dynamisch je nach Bedarf. Sie sind nicht durch Lipidmembranen von ihrer Umgebung separiert, sondern bilden dynamische Kern-Subkompartimente. Zellkerne können gleichzeitig hunderte solcher Reaktionszonen beinhalten. Ein besonderes Beispiel ist der Nukleolus mit Netzwerken aus Proteinen und Ribonukleinsäuren.

Kaum mehr als 1% der DNS des Menschen codiert für Proteine. Ein menschliches Gen hat im Durchschnitt 27.000 Nukleotidpaare (größtes Gen: 2,4 Millionen) und enthält zwischen einem und mehr als 170 Exons (codierende DNS-Sequenzen; eingeschobene nichtcodierende Sequenzen heißen Introns). Ein durchschnittliches Gen enthält etwa 10 Exons. Gene sind ablesbar, wenn ihre DNS dekondensiert ("entwirrt") ist.

Nur ein geringer Anteil aller Gene sind in einer durchschnittlichen Zelle zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiv. "Pseudogene" sind durch Mutationen verändert, nicht proteincodierende DNS-Abschnitte können die Genregulation beeinflussen (Regulator-DNS-Sequenzen).

Individualität und genetische Muster: Mehr als 99,5% des Genoms sind bei allen Menschen identisch; der individuelle Unterschied liegt bei den verbleibenden <0,5% (entsprechend ~15 Millionen Basenpaaren). Zahlreiche Unterschiede bestehen auf der epigenetischen Ebene (Methylierungsmuster an Cytosinen der DNS, Modifikationen an Histonen - Methylierung, Acetylierung, Phosphorylierung u.a.) - diese sind beeinflusst von Umweltfaktoren, Ernährung, Training, persönlichen Erfahrungen.

Während der Ontogenese können Gene 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 von den Nachbarzellen abweichende 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 Acetylierung) 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).

Kurz nach der Befruchtung der Eizelle erfolgt eine weitgehende Demethylierungswelle, und neue (individualspezifische) Methylierungsmuster entstehen, die sich auf Tochterzellen des Organismus übertragen. Diese Demethylierungswelle ist nicht komplett, einige der individuellen Erfahrungen sind auf Nachfolgegenerationen übertragbar (ohne dass dabei Gene mutiert sind).

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) - 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". Die Dynamik der Methylierungen ist vermutlich der wichtigste epigenetische Mechanismus

     Histon-Endstücke (<Abbildung) durch Anfügen (Writer - z.B. Acetylierung, 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. Genexpression nennt man die Transkription eines Gens zu mRNS, seine Translation zu Protein, oder beides.

      Film: X-inactivation and epigenetics


>Abbildung: Zellzyklus (vereinfacht)
Nach einer Vorlage in histology.leeds.ac.uk
Zur besseren Übersichtlichkeit nur ein Chromosom gezeigt. Interphase mit Bildung von Schwesterchromatidenpaaren (oben), Mitose (Mitte), Zellteilung und neue Interphase (unten)

Wenn sich die Zelle teilt, verdichten sich die Chromatiden zu Chromosomen. Es gibt 22 Paare Autosomen - jeweils ein Chromatid vom Vater und eines von der Mutter (>Abbildung), man spricht von homologen Chromosomen (Homologen). Weiters hat die Frau zwei X-Chromosomen, der Mann ein X- und ein Y-Chromosom (Heterosomen, “Geschlechtschromosomen”). Beim Mann stammt das X-Chromosom von der Mutter und das Y-Chromosom vom Vater (nichthomologes Chromosomenpaar).

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

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 (aus prä-mRNS entsteht reife mRNS) 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
   
Transkriptionsfaktoren und Regulation   Aufbau und Arten der RNS  Translation  Transfer in rauhes EPR
 
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. Im “Arbeitszustand” ist die DNS die Matrize zur Bildung von Ribonukleinsäuren (RNS); diese werden im Nukleolus des Zellkerns gebildet.
 
Transkription
  
     Als Transkription bezeichnet man das Kopieren von Genen durch Bildung entsprechender RNS. Nicht jede Transkription führt auch zu Translation, also der Synthese entsprechender Proteine. Transkription bedeutet, dass entsprechende Gene exprimiert werden (Genexpression).
 
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.
 

<Abbildung: Transkription (Bildung von mRNS) und Translation (Proteinsynthese)
Nach einer Vorlage bei web.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome
Nach Ablesung des Bauplans im Zellkern (Transkription) durch Übersetzung in die mRNA (Translation) erfolgt die Proteinsynthese im Zellplasma (Übersetzung von der Nucleinsäure- in die Aminosäuresprache)

Bei der Ablesung (Transkription) der DNS, die nicht der Replikation dient, entstehen Ribonukleinsäuren (RNS). Diese sind ähnlich wie DNS-Ketten aufgebaut, sind aber Einzelstränge, enthalten Ribose als Zuckeranteil, und Urazil (U) anstelle von Thymin.

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.

Die Genexpression kann über Transkriptionsfaktoren (Menge, Aktivität) sowie über regulatorische Sequenzen (Chromatinstruktur, DNS-Methylierung, Histon-Acetylierung) gesteuert werden (s. Abbildung "Phasen der Genexpression" >oben).

Bei den Transkriptionsfaktoren kennt man
     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 (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.

Beispiele für Transkriptionsfaktoren sind
 
     NF-κB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells), ein in fast allen Zellen aktiver Proteinkomplex, besonders in proliferierenden Zellen, z.B. Immunzellen (Entwicklung, Entzündung). NF-κB bindet an eine Sequenz von ~10 Basenpaaren (κB-Motiv) und verstärkt meist die Transkription
 
     SP-1 (Specificity Protein 1), ein Zinkfinger-Transkriptionsfaktor, der in zahlreiche Vorgänge (Differenzierung, Wachstum, Immunantworten etc) involviert ist
 
     Hitzeschockfaktoren, diese regulieren die Expression von Hitzeschockproteinen
 
     ATF / CREB-Familie, eine Gruppe von Transkriptionsfaktoren, bestehend aus ATF (Activating transcription factors) und CREB, verfügen über eine DNS-Bindungsdomäne vom Leuzin-Zipper-Typ, die Proteine dimerisiert
 
     AP-1 (Activator Protein 1), steuert mit Differenzierung, Teilung und Apoptose der Zelle befasste Gene.
 

>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 eukaryotischen 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" (auch Präinitiationskomplex, RNA polymerase II holoenzyme oder basal transcription machinery genannt, s. oben) - 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 beträchtlichem 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.
  
Ribonukleinsäuren
 
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.

     Die mRNS besteht aus folgenden Teilen: Dem 5'-Ende mit einer - vor dem Abbau durch Nukleasen schützenden - "Kappe" (Cap) (hier beginnt der Lesevorgang), einer dem 5'-Ende folgenden nicht proteincodierenden Sequenz (5'-UTR: untranslated region) - diese beeinflusst u.a. Stabilität, Export und Effizienz der mRNS -, dem peptid- bzw. proteincodierenden offenen Leseraster (ORF: Open reading frame), einer 3'-UTR, sowie einem durch Polyadenylierung entstandenen Poly-A-Schwanz (Poly (A) tail) am 5'-Ende der mRNS (Abbildung).
 

Struktur einer Boten- (m) RNS
Nach einer Vorlage bei Mahrholdt A: In vitro comparison and optimization of mRNA- and pDNA-encoded far-red reporter genes mKate2 and DsRed. Bachelorarbeit an der Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen, 2016

Der proteincodierende offene Leseraster (ORF) beginnt mit einem Start-Codon (AUG) und endet mit einem Stop-Codon (UAA, UAG oder UGA). Die Translation (Proteinsynthese) beginnt mit dem Start-Codon und endet nach dem Stop-Codon.

Die nicht-proteincodierenden 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 (zu Polymerasen s. oben):

     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.

Die Position eines Ribosoms in der Zelle hängt von der Natur des Proteins ab, das von ihm gerade übersetzt wird: Wird ein zytosolisches Protein translatiert, befindet sich das Ribosom im Zytosol; wird ein Membran- oder sekretorisches Protein synthetisiert, lagert es sich an die Membran des rauhen endoplasmatischen Retikulums, sodass das Proteinmolekül in die Zellmembran integriert bzw. nach extrazellulär befördert werden kann (→ Signalsequenz, s. weiter unten).
 
     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. tRNS werden nach der Entkoppelung an das Zellplasma zurückgegeben, wo sie neue Aminosäuren “tanken”.
 
  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.
   
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.
 

>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)

Die Proteinsynthese beginnt bei Eukaryonten immer mit Methionin (Starter-Aminosäure). Mitochondrien (und Bakterien) benutzen hingegen Formylmethionin als Starter der Translation (dabei entstehen formylierte Proteine).
Steuerung der Produktion: 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. Man schätzt, dass pro Sekunde 6-8 Aminosäuren an die entstehende Aminosäurenkette angefügt werden. Dieser rasche Vorgang ist nicht frei von Defekten, und etwa jedes fünfte Proteinmolekül wird fehlerhaft gefaltet. Solche "verkrüppelten" Eiweißmoleküle werden vorzugsweise von Proteasomen wieder abgebaut.
 


<Animation: Ablauf der Synthese (vgl. nachfolgende Abbildung) eines für den Export bestimmten Proteins
Quelle: Wikipedia / Bensaccount
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.
  
Transfer in raues EPR
 
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 (translation 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 notwendige Verknüpfung der Expression einer Signalsequenz einerseits mit der Verfügbarkeit eines SRP-Rezeptors andererseits - ist kein SRP frei, stoppt die Proteinsynthese (translation arrest, >Abbildung - stellt sicher, dass die Synthese von Membran- und sekretorische Proteine nur dann fortgesetzt wird, wenn für sie ein Translokationskanal (ein Translocon) frei ist (cotranslational translocation).

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. Dabei spielen spezielle Aminosäuresequenzen ("Start-Transfer", "Stop-Transfer") eine steuernde Rolle. Das Protein wird u.U. mehrfach durch die Membran gesteckt (abhängig davon, wie viele transmembranale Sequenzen aufgebaut werden), ohne dass es dabei die Membran verlässt.

Eiweißmoleküle, die in die Membran von Mitochondrien oder Peroxisomen eingebaut werden, entstehen durch peroxisomale bzw. mitochondriale Synthesemechanismen.

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

Die Steuerung von Transkriptionsvorgängen im Zellkern durch von außen auf die Zelle einwirkende Einflüsse erfolgt im Rahmen von Signalübermittlungen, wie sie z.B. nach Bindung von Hormonen an ihre Rezeptoren auftreten - etwa durch second messenger, den JAK-STAT- oder einen Ras-abhängigen Weg.
 
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.
 
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 Calciumeinstrom: 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 zählt 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
 
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 und Kaskaden von Proteinkinasen aktivieren; diese aktivieren wiederum Transkriptionsfaktoren, die bei der Angiogenese benötigte Gene ablesen.

VEFG führen zu Gefäßneubildung (Angiogenese) inklusive Lymphangiogenese, fördern die Bildung von Stickstoffmonoxid und damit Vasodilatation und Blutdrucksenkung, erhöhen die Gefäßpermeabilität, beteiligen sich an Wundheilungsprozessen. VEGF-A bewirkt das Aussprossen neuer Blutkapillaren, VEGF-C lymphatischer Gefäße.
 
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.
 
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.
 

>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

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. FGF23 wird von Osteoblasten gebildet und beteiligt sich an der Steuerung des Calcium- und Phosphat-Stoffwechsels. Über Wirkungen auf die DNS-Ablesung stimulieren FGFs die Zellproliferation, sichern das Überleben der Zelle und fördern 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.

HGF/SF 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, IGFs) 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.

  Näheres zu IGFs s. dort
    
Wundheilung
 
Eine Verletzung (Trauma) aktiviert das System der Blutstillung sowie das Kininsystem (Schmerz). Im Wundbereich wirken das angeborene sowie adaptive Immunsystem, bis eingedrungene Pathogene abgewehrt sind. Parallel dazu erfolgen Wundverschluss (hier spielen Makrophagen eine tragende Rolle), Gewebereparatur und Wundheilung. Zahlreiche Faktoren sind beteiligt, z.B. regt IL-13 Fibroblasten und Kollagensynthese an.
 

<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 beschleunigt.

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 und Wachstumsfaktoren 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 weist man spezifisch Gene, Proteine, RNS nach?
 
  Western blots identifizieren Proteine: Diese Methode ermöglicht die Auftrennung von Zielproteinen nach ihrem Molekulargewicht. Antikörper (monoklonal oder polyklonal) dienen als Sonden zur spezifischen Bindung der Zielproteine.
 

>Abbildung: Darstellung von Proteinen mittels Western-Blot
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Ein Proteingemisch (Zellhomogenat) wird mittels SDS (Sodium dodecyl sulfate) in einem Gel mittels Polyacrylamidgel- Elektrophorese (PAGE) aufgetrennt (SDS-PAGE, oben), die getrennten Fraktionen mittels nochmaliger Elektrophorese auf eine Mikrozellulose-Membran übertragen (Mitte; die SDS wird dabei vom Protein entfernt) und mit einem Antikörpercocktail behandelt (unten links). Mit einem Fluorophor oder Enzym markierte Sekundärantikörper ermöglichen die Darstellung der markierten Fraktionen auf einer Fotoplatte (unten rechts)


 Zellhomogenate werden durch Gelelektrophorese mit einem anionischen Tensid - Natriumlaurylsulfat (SDS) - denaturiert, linearisiert und negativ aufladen. Die Wanderungsgeschwindigkeit der solchermaßen veränderten Proteine ist nun umgekehrt proportional zu ihrem Molekulargewicht. Die entstandenen "Blots" werden auf Mikrozellulose übertragen, dabei von SDS befreit und auf dem Papier fixiert. Spezifische Primärantikörper werden aufgebracht, die an Epitope binden und anschließend mittels fluorophor- (genauer) oder enzymdotierter (Chemoluminiszenz) Sekundärantikörper detektiert werden. Die Intensität des optischen Signals wird auf Photofilm festgehalten. Sowohl die Konzentration als auch die Molekülgröße der Antigene wird durch diese Methode ermittelt (>Abbildung).

  Mittels (DNS-) Polymerase-Kettenreaktion (PCR: polymerase chain reaction) lassen sich DNS-Abschnitte in vitro vervielfältigen und dadurch molekulare Sonden herstellen. Mit deren Hilfe lassen sich DNS-Sequenzen präzise orten (DNA sequencing).

     Die PCR ermöglicht eine rasche Kopie und Multiplikation spezifischer DNS-Sequenzen bis zu einer Länge von 1 kb (103 Basen) zu analytischen und präparativen Zwecken. Die Methode nutzt kurze, Endstücken komplementäre Oligonukleotid-Primer.
 
  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).
 
  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.
 

 
      Chromosomen bestehen aus einem vielfach verwickelten, aber unverzweigten Chromatinfaden - einem DNS-Molekül mit Begleitproteinen (Histone, Nicht-Histone). Histone regulieren die Verpackung und Ablesung der DNS. Multiples Aufspulen der Chromatinfäden ermöglicht platzsparende Verpackung (z.B. Metaphase der Mitose), in der Chromosomen kondensiert sind, allerdings kaum abgelesen werden können
 
      Demethylierung der DNS und Acetylierung von Histonen bewirkt eine offene Konformation mit ablesbaren Genen, Methylierung der DNS und Deacetylierung von Histonen geschlossene Konformation mit "abgeschalteten" Genen. Das Epigenom bezieht sich auf Veränderungen am Chromatin, die nicht die Basensequenz der DNS, sondern die Realisierung (Expression) genetischer Information betreffen

      Von einer typischen Zelle werden jeweils mehrere tausend Gene - RNS-codierende DNS-Abschnitte - ausgelesen (transkribiert). Aktivierung von Promotorsequenzen gibt die Transkription - das Kopieren als RNS - frei, damit beginnt die Expression (Realisierung eines Genproduktes). Die Ablesung (Transkription) von Genen erfolgt durch RNS-Polymerasen, die sich dazu an eine vor dem Gen gelegene Promotorsequenz anlagern müssen. Dazu brauchen sie DNS-bindende Proteine (Transkriptionsfaktoren). Gene können verschieden aktiviert werden, abhängig vom Muster der anregenden Faktoren. Am Transkriptionsstartpunkt müssen sich zahlreiche Proteine zusammenfinden, um die Transkription zu starten. Die Bindung regulatorischer Faktoren verändert die Chromatinstruktur und fördert oder hemmt die Aktivität von RNS-Polymerase sowie die Bindung von Transkriptionsfaktoren
 
     Es gibt Boten- (m-), ribosomale (r-), Transfer- (t-) und weitere kleine Ribonukleinsäuren (s-RNA). Nur ~1,5% des gesamten Genoms sind proteincodierende Sequenzen; im Zellkern zunächst gebildete heteronukleäre RNS (hn-RNA) wird posttranslational bearbeitet: Entfernen von (nicht-proteinkodierenden) Introns und Spleißen von (proteinkodierenden) Exons; m-RNA ethält die Bauanleitung für Proteine. t-RNA ermöglichen die Translation (Übersetzung in die Aminosäuresprache): Sie binden einerseits ein komplementäres Basentriplet der m-RNS, andererseits bringen sie die entsprechende Aminosäure. Proteine können posttranslational modifiziert werden
 
      Über 50 verschiedene Wachstumsfaktoren können die DNS-Synthese ihrer Zielzellen aktivieren; diese benötigen dazu meist bestimmte Muster an Wachstumsfaktoren. Mangel an Wachstumsfaktorern bringt somatische Zellen in die G0-Phase oder zur Apoptose. Die wichtigsten Wachstumsfaktoren sind BDNF (brain-derived neurotrophic factor), EGF (epidermal growth factor), TGF (transforming growth factors), VEGF (vascular endothelial growth factors), NGF (nerve growth factor), PDGF (platelet derived growth factors), FGF (fibroblast growth factor), HGF / SF (hepatocyte growth factor / scatter factor), IGF (insulin-like growth factors)
 
      Verletzungen aktivieren Blutstillung, Kinin- und Immunsystem (Entzündung), Wundverschluss, Gewebereparatur und Wundheilung. Integrine binden extrazelluläre Komponenten und interagieren mit dem Zytoskelett an fokalen Adhäsionskomplexen, Wachstumsfaktoren aktivieren die Transkription von Genen, die in ruhenden Zellen nicht abgelesen werden. Es folgen Proliferation, Zellteilung, Differenzierung, Migration, Apoptose; Angiogenese wird angeregt. Heilung erfolgt entlang Leitstrukturen der extrazellulären Matrix (Organmorphologie), die dabei gespeicherte Wachstumsfaktoren freigibt
 
      Die Interphase besteht aus G1-Phase (mindestens 10 Stunden: Wachstum und Aktivität der Zelle), die in eine G0-Phase münden kann, ansonsten bis zum G1-Restriktionspunkt reicht, gefolgt vom G1/S-Kontrollpunkt zur Prüfung der DNS-Integrität; S-Phase (6-8 Stunden: DNS-Reduplikation); und der ~4 Stunden dauernden G2-Phase. Am abschließenden G2/M-Checkpoint können Korrekturen an der replizierten DNS erfolgen. Die Mitose wird durch Mitogene ausgelöst und involviert Proteinkinasen (MAP-Kinasen), welche Mitose, Proliferation, Genexpression, Differenzierung, Überleben und Apoptose steuern. Die Mitose besteht aus Pro-, Meta-, Ana- und Telophase  
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


   Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.