erste Version: 11/2019
letzte Bearbeitung: 6/2020

VB221.

Vom Gen zum Merkmal der Zelle

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Übergeordneter Artikel:
Dieser Text:
VB221.1 Kersti: Sich selbst replizierende RNA
VB221.2 Kersti: Viren - der Überrest einer älteren Welle des Lebens?
VB221.3 Kersti: Prokaryoten - Bakterien und Archaeen haben einen vergleichsweise einfach aufgebauten genetischen Apparat
VB221.4 Kersti: Eukaryoten - Vom Gen zum Merkmal
VB221.4. Kersti: Text
VB221.4. Kersti: Text
VB221. Kersti: Text
VB221. Kersti: Quellen

 
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1. Sich selbst replizierende RNA

Bei der Frage "Was ist das einfachste System, was sich selbst vermehren und dabei nach den Prinzipien der Evolution weiterentwickeln kann?" sind Biologen inzwischen bei der Vermutung angelangt, daß das Leben mit sich selbst replizierender RNA begonnen haben könnte. Außerdem besteht das Ribosom, das die Messenger-RNA in Eiweiße übersetzt, bis heute gerade an seinen wichtigsten Stellen aus RNA.6. S.99-127

Die ursprünglichen Ribozyme - RNA-Moleküle die ähnliche Enzymen aus Proteinen chemische Reaktionen katalysieren können - die hierbei eine Rolle gespielt haben, existieren längst nicht mehr. Man hat aber experimentell ein Ribozym erschaffen, das aus einzelnen Nukleotiden eine Kopie eines vorhandenen RNA-Stranges erstellen konnte11.. Also ein Ribozym, das eine RNA-abhängige RNA-Polymerase ist. Dann wurde daran gearbeitet, dieses Ribozym nach und nach leistungsfähiger und zuverlässiger zu machen12.. 2020 war man schließlich so weit, ein solches Ribozym geschaffen zu haben, das sich auch selbst replizieren konnte13..

Natürlich besteht auch ein Nukleotid noch aus diversen Atomen, bei denen man sich fragt, wie und warum die ursprünglich zusammengebaut wurden. Es gibt da also noch einiges zu forschen.
V273.5 Kersti: Evolution in einer künstlichen RNA-Welt

 
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2. Viren - der Überrest einer älteren Welle des Lebens?

Viren, wie wir sie heute kennen, sind Parasiten, die nicht selbstständig überleben können. Sie sind aber auch wesentlich unterschiedlicher im grundlegendem Aufbau ihres Stoffwechsels als selbst Bakterien und Archaeen und erst recht als Eukaryoten. Einer der größten bekannten Viren besitzt Überreste einer eigenständigen Transkriptionsmaschinerie für Gene8., was ein Hinweis darauf sein könnte, daß sie Nachfahren von freilebenden Organismen sind, die auch außerhalb von Zellen selbstständig leben und sich vermehren konnten.7.

 
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3. Prokaryoten - Bakterien und Archaeen haben einen vergleichsweise einfach aufgebauten genetischen Apparat

Die Prokaryoten, Lebewesen aus Zellen ohne abgetrenntem Zellkern, zu denen Bakterien und Archaeen gehören, haben einen vergleichsweise einfach aufgebauten genetischen Apparat. Vergleichsweise heißt im Vergleich zu Eukaryoten, Lebewesen die aus Zellen aufgebaut sind, die einen abgetrennten Zellkern besitzen. Für sich genommen sind Bakterien schon kompliziert genug.
VB198. Kersti: Bakterien und andere Prokaryoten sind bereits hochkomplexe Wesen
Im Vergleich zu ihren moderneren Verwandten sind Prokaryoten trotzdem relativ einfach gestrickt. Sie haben die wesentlichen Elemente des Apparates zur Proteinproduktion mit Eukaryoten gemeinsam, ihnen fehlen aber viele Schnörkel und Kniffe, die die Eukaryoten anwenden, um aus wenigen Genen viele Proteine zu machen und Körperzellen, die alle dieselben Gene im Zellkern haben, sehr unterschiedlich aussehen zu lassen.

 
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4. Eukaryoten - Vom Gen zum Merkmal

4.1 Chromosomenterritorien und im Zellkern

Die Chromosomen sind aber nicht einfach wild im Zellkern vermischt, sondern jedes Chromosom hat einen eigenen Bereich, sein Chromosomenterritorium.
Bildquelle: 1.

Oben: Zellkern eines menschlichen Fibroblasten, in dem alle 24 verschiedenen Chromosomen (1 - 22, X und Y) per Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) mit einer unterschiedlichen Kombination von insgesamt 7 Fluorochromen angefärbt wurden. Gezeigt ist eine mittlere Ebene in einem deconvolvierten Bildstapel, der mit Weitfeld-Mikroskopie aufgenommen wurde.
Unten: Falschfarben-Darstellung aller Chromosomenterritorien, die in dieser Fokusebene sichtbar sind, nach Computer-Klassifikation.

In diesem Chromosomenterritorien sind einzelne Schleifen der DNA durch Cohesin und CTCF abgetrennt. Dies hat in manchen Fällen die Funktion, zu erreichen, daß diese Gene nicht abglesen werden, umgekehrt gibt es aber auch Anordnungen in denen CTCF und Cohesin so zusammenarbeiten, daß sie das Gen aktivieren. Außerdem spielt CTCF eine Rolle dabei, die räumliche Anordnung der DNA festzulegen und die Gene, die zusammenarbeiten sollen, näher zueinander zu bringen.2.

Bildquelle: 3.

Bildquelle: 4.

Wie CTCF und Cohesin zusammenarbeiten, um Genaktivität zu regulieren, ist hier dargestellt. In beiden Fällen wird das CFTR-Gen transkribiert, während in der Lunge (Abb. A) zwei Transkriptionsverstärker oder Enhancer (blaue Quadrate) mit dem Promoter in verbindung gebracht werden die 44 und 35 Kilobasenpaare vor dem Gen liegen, werden im zweiten Fall (Abb. B) zwei Transkriptionsverstärker oder Enhancer (graue Quadrate) mit dem Promoter in Verbindung gebracht, die an unterschiedlichen Positionen (intron 1 und intron 11) innerhalb des Gens liegen. Die Enhancer in Abbildung A sind schwächer als die in Abbildung B so daß das gen in der Linge nur mit etwa einen zehntel der Intensität exprimiert wird wie im Verdauungssystem.

Kersti

 
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Quellen

  1. Bild VB21805.JPG: Welt: File:PLoSBiol3.5.Fig1bNucleus46Chromosomes.jpg, Teil von Figure 1 aus Autor: Andreas Bolzer, Autor: Gregor Kreth, Autor: Irina Solovei, Autor: Daniela Koehler, Autor: Kaan Saracoglu, Autor: Christine Fauth, Autor: Stefan Müller, Autor: Roland Eils, Autor: Christoph Cremer, Autor: Michael R. Speicher, Autor: Thomas Cremer: Three-Dimensional Maps of All Chromosomes in Human Male Fibroblast Nuclei and Prometaphase Rosettes. In: Zeitschrift: PLOS Biology, April 26, 2005, 3(5): e157. (Welt: Volltext)
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  2. Autor: Somi Kim, Autor: Nam-Kyung Yu, Autor: Bong-Kiun Kaang: CTCF as a multifunctional protein in genome regulation and gene expression. In: Zeitschrift: Experimental & Molecular Medicine, volume 47, page e166(2015) (Welt: Volltext)
  3. Bild VB21806.JPG: Welt: File:Nuclear Architecture.pdf von Welt: Evin Wieser (User:Ewieser94) von Wikimedia Commons
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  4. Bild VB221.JPG: Welt: Figure 1 aus Autor: Hannah Swahn, Autor: Ann Harris: Cell-Selective Regulation of CFTR Gene Expression: Relevance to Gene Editing Therapeutics. In: Zeitschrift: Genes (Basel), 2019 Mar; 10(3): 235. (Welt: Volltext)
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  5. Autor: Michael P. Robertson, Autor: Gerald F. Joyce: Highly Efficient Self-Replicating RNA Enzymes. In: Zeitschrift: Chemistry & biology, 2014 Feb 20; 21(2): 238–245. (Welt: Volltext)
  6. Autor: Christian de Duve: Buch: B87. Aus Staub geboren - Leben als kosmische Zwangsläufigkeit (1997) Reinbek bei Hamburg: Rowohlt. ISBN 3-499-60160-5
  7. Autor: Karin Mölling: Buch: B31.3 Supermacht des Lebens: Reisen in die erstaunliche Welt der Viren. (2014) München: C. H. Beck, ISBN: 978-3406669699
  8. Autor: Rodrigo Araújo Lima Rodrigues, Autor: Lorena Christine Ferreira da Silva, Autor: Jônatas Santos Abrahão: Translating the Language of Giants: Translation-Related Genes as a Major Contribution of Giant Viruses to the Virosphere. In: Zeitschrift: Archives of virology, 2020 Jun;165(6):1267-1278. Welt: PMID: 32333117
  9. Autor: Jônatas Santos Abrahão, Autor: Lorena Christine Ferreira da Silva, Autor: Ludmila Santos Silva, Autor: Jacques Yaacoub Bou Khalil, Autor: Rodrigo Araújo Lima Rodrigues, Autor: Thalita Arantes, Autor: Felipe Assis, Autor: Paulo Boratto, Autor: Miguel Andrade, Autor: Erna Geessien Kroon, Autor: Bergmann Ribeiro, Autor: Ivan Bergier, Autor: Herve Seligmann, Autor: Eric Ghigo, Autor: Philippe Colson, Autor: Anthony Levasseur, Autor: Guido Kroemer, Autor: Didier Raoult, Autor: Bernard La Scola: Tailed giant Tupanvirus possesses the most complete translational apparatus of the known virosphere. In: Zeitschrift: Nature Communications, 2018; 9: 749. Welt: PMID: 29487281, Welt: doi: 10.1038/s41467-018-03168-1 (Welt: Volltext)

     

  10. Autor: Wendy K. Johnston, Autor: Peter J. Unrau, Autor: Michael S. Lawrence, Autor: Margaret E. Glasner, Autor: David P. Bartel: RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension. In: Zeitschrift: Science, 18 May 2001: Vol. 292, Issue 5520, pp. 1319-1325, Welt: DOI: 10.1126/science.1060786, Welt: PMID: 11358999
  11. Autor: Aniela Wochner, Autor: James Attwater, Autor: Alan Coulson, Autor: Philipp Holliger: Ribozyme-catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. In: Zeitschrift: Science, 2011 Apr 8;332(6026):209-12. Welt: DOI: 10.1126/science.1200752 , Welt: PMID: 21474753
  12. Autor: Katrina F. Tjhung, Autor: Maxim N. Shokhirev, Autor: David P. Horning, Autor: Gerald F. Joyce: An RNA Polymerase Ribozyme That Synthesizes Its Own Ancestor. In: Zeitschrift: PNAS, 2020 Feb 11;117(6):2906-2913. Welt: PMID: 31988127, Welt: doi: 10.1073/pnas.1914282117