Genexpression und Proteinsortierung

Wirkstoffe, die über Rezeptoren wirken, verlieren Wirkung, wenn die Zelle ihre Rezeptordichte reduziert; das ist ein Vorgang der Endozytose und der Genregulation, nicht der Pharmakokinetik. Glucocorticoide wirken erst nach Stunden, weil ihr Effekt über Transkription läuft. Die Toleranzentwicklung unter Katecholaminen, die Wirkungsverzögerung von Hormonen, die verzögerte Bildung von Akutphaseproteinen und die Hochregulation von Acetylcholinrezeptoren nach längerer Immobilisation mit der daraus folgenden Gefahr durch Succinylcholin: Alle diese Phänomene sind Genexpression und Membranverkehr in klinischer Form.

Im Zellkern liegt die Erbinformation als Chromatin vor, also als Desoxyribonukleinsäure, gebunden an basische Strukturproteine, die Histone. Acht Histonproteine bilden den Kern eines Nukleosoms, auf dem jeweils 146 Basenpaare des DNA-Strangs aufgerollt sind. Über weitere Verpackungsschritte entstehen die Chromosomen; der Mensch besitzt 46, nämlich 22 Autosomenpaare sowie zwei X-Chromosomen bei der Frau beziehungsweise ein X- und ein Y-Chromosom beim Mann. Die DNA selbst besteht aus Nukleotiden, die jeweils aus der Pentose Desoxyribose, einem Phosphat und einer von vier Basen aufgebaut sind. Die Abfolge dieser Basen ist der genetische Code für die mehr als 30 000 unterschiedlichen Proteine, die eine Zelle im Lauf ihres Lebens herstellen kann.

Zwei DNA-Stränge sind in der Doppelhelix über gegenüberliegende Basen verbunden, Adenin stets mit Thymin und Guanin stets mit Cytosin. Die Basenfolge des einen Strangs ist damit das Spiegelbild des anderen, weshalb ein Strang als Matrize für die Neusynthese eines komplementären Strangs dienen kann. Genau das nutzt die Replikation vor jeder Zellteilung.

Die Weitergabe des Codes von der DNA an die Proteinsynthese im Zytosol übernehmen Ribonukleinsäuren, allen voran die Boten-RNA. Sie entsteht im Zellkern, besteht nur aus einem Strang und enthält statt Desoxyribose die Ribose und statt Thymin das Uracil. Jeweils drei aufeinanderfolgende Basen der DNA codieren eine Aminosäure; beim Ablesen wird in die Boten-RNA ein dazu komplementäres Basentriplett eingebaut, das Codon.

Die RNA-Synthese steht unter der Kontrolle von RNA-Polymerasen, deren Einwirkung auf die DNA normalerweise durch ein Repressorprotein blockiert ist. Wird der Repressor beseitigt und binden generelle Transkriptionsfaktoren an die Promotorsequenz, so wird die Polymerase phosphoryliert und damit aktiviert. Sie trennt an bestimmter Stelle die beiden DNA-Ketten, sodass an einer davon der Code abgelesen und in eine Kette der Boten-RNA umcodiert werden kann. Die zunächst entstehende heterogene nukleäre RNA erhält am 5-Ende eine Kappe und am 3-Ende einen Polyadenin-Schwanz und wird sofort in eine Proteinhülle verpackt.

Diese primäre RNA enthält nicht nur codierende Abschnitte, die Exons, sondern auch nicht codierende Abschnitte, die Introns. Introns können 100 bis 10 000 Nukleotide umfassen und werden beim Spleißen herausgetrennt und abgebaut; die Information über die genaue Trennstelle liegt in den Introns selbst. Das Spleißen verbraucht Adenosintriphosphat und wird von einem Ribonukleoproteinkomplex bewerkstelligt, dem Spleißosom. Introns machen gewöhnlich den größten Teil der primären RNA aus: Beim Gerinnungsfaktor VIII mit seinen 25 Introns sind es etwa 95 Prozent der Nukleotidkette. Anschließend kann die Boten-RNA weiter modifiziert werden, etwa durch Methylierung.

Der Weg aus dem Kern führt durch die Kernporen, hochmolekulare Proteinkomplexe der Kernhülle, die den selektiven Transport großer Moleküle in beide Richtungen ermöglichen. Für den Durchtritt braucht jedes Molekül ein spezifisches Signal: Für den Austritt der Boten-RNA ist es die Kappenstruktur am 5-Ende, für den Eintritt von Proteinen eine Sequenz meist basischer Aminosäuren, das nukleäre Lokalisationssignal. Beim zytoplasmatischen Rezeptor für Glucocorticoide ist dieses Signal in Abwesenheit des Hormons durch ein Chaperonprotein verdeckt. Erst wenn das Hormon bindet und das Chaperon abfällt, gelangt der aktivierte Rezeptor in den Kern und reguliert dort die Transkription bestimmter Gene. Das erklärt unmittelbar, warum Glucocorticoide keine Sofortwirkung entfalten.

Die exportierte Boten-RNA erreicht die Ribosomen, die entweder frei im Zytosol liegen oder an der zytosolischen Seite des endoplasmatischen Retikulums gebunden sind. Jedes Ribosom besteht aus Dutzenden von Proteinen, die mit mehreren Struktur-RNA-Molekülen verbunden sind. Seine beiden Untereinheiten entstehen im Nucleolus und verlassen den Kern getrennt. Zusammengefügt bildet das Ribosom die biochemische Maschine der Proteinsynthese.

Zur Bildung der Peptidkette ist für jede der 21 proteinogenen Aminosäuren eine spezifische Transfer-RNA nötig. An ihrem einen Ende trägt sie die einzubauende Aminosäure, am anderen das Anticodon, das das Codon auf der Boten-RNA erkennt. Das Ribosom besitzt zwei Bindungsstellen für Transfer-RNA, eine für die zuletzt eingebaute und eine für die als Nächstes einzubauende Aminosäure. Die Synthese beginnt am Startcodon und endet am Stoppcodon; danach zerfällt das Ribosom in seine Untereinheiten und löst sich von der Boten-RNA. Ein einzelnes Ribosom verknüpft etwa 10 bis 20 Aminosäuren pro Sekunde. Da ein mRNA-Strang meist von mehreren Ribosomen gleichzeitig an verschiedenen Stellen abgelesen wird, ist die Rate der Proteinsynthese deutlich höher als die ihrer Boten-RNA. Im Knochenmark entstehen auf diese Weise rund 5 mal 10 hoch 14 Hämoglobinkopien mit je 574 Aminosäuren pro Sekunde.

Neben der Boten-RNA gibt es kurze, nicht codierende RNAs, die Mikro-RNA von etwa 22 Nukleotiden Länge. Sie spielt bei der posttranskriptionalen Genregulation eine wichtige Rolle, vor allem bei der Stilllegung von Genen, indem sie spezifisch an Boten-RNA bindet und deren Translation erschwert, ganz unterbindet oder in bestimmten Fällen auch erleichtert. Kurze nicht codierende RNAs stammen zum Teil von langen nicht codierenden RNAs, die häufig regulatorische Funktion haben; so inaktiviert die lange nicht codierende RNA des XIST-Gens das X-Chromosom.

An der Außenseite eines Teils des Retikulums sitzen die Ribosomen, die Transmembranproteine für Plasmamembran, Retikulum, Golgi-Apparat und Lysosomen sowie die Exportproteine synthetisieren. Zu Beginn der Synthese entsteht am noch freien Ribosom eine Signalsequenz, an die im Zytoplasma ein Signalerkennungspartikel bindet. Das hat zwei Folgen: Die Synthese wird vorübergehend angehalten, und das Ribosom wird an einen Rezeptor der Retikulummembran gebunden. Erst dann geht die Synthese weiter. Bei Exportproteinen wird die Peptidkette nach Syntheseende durch ein Translokatorprotein in die Zisterne abgegeben. Bei Membranproteinen wird die Synthese je nach Zahl der membranspannenden Domänen mehrfach durch Schließung des Translokators unterbrochen, und die jeweils hydrophobe Peptidsequenz wird seitlich in die Lipidmembran geschoben. Ein Retikulum ohne Ribosomen heißt glattes Retikulum; dort entstehen unter anderem Lipide. Die gebildeten Proteine wandern samt Membran in abgeschnürten Bläschen zum Golgi-Apparat.

Dort werden sie modifiziert, sortiert und verpackt. Die Regelung der Genexpression greift damit an mehreren Stufen an: an der Transkription, an der RNA-Modifikation, am Export der Boten-RNA, an der RNA-Hemmung, am RNA-Abbau, an der Translation, an der Modifikation und Sortierung sowie am Proteinabbau. Diese Vielzahl von Stellschrauben ist der Grund, warum Zellen ihre Ausstattung fein und zugleich rasch an Belastungen anpassen können.

Der genetische Code wird vererbt und liegt noch im Acht-Zell-Stadium des Embryos unverändert vor. Diese Zellen sind totipotent, aus jeder einzelnen kann ein ganzer Organismus entstehen. Bei späteren Teilungen entstehen zunehmend spezialisierte Zellen mit festgelegter Funktion. Bei unverändertem Erbgut geschieht diese Festlegung durch biochemische Modifikation einzelner DNA-Basen und von Histonen, vor allem durch Methylierung und Acetylierung. Auch die Umwelt beeinflusst diese epigenetischen Prozesse: Eineiige Zwillinge sind als Kleinkinder epigenetisch noch sehr ähnlich, weichen im Alter aber deutlich voneinander ab, wenn ihr Leben verschieden verlaufen ist. Nach der Vereinigung von Spermium und Eizelle werden die epigenetischen Veränderungen weitgehend entfernt, sodass der entstehende Embryo anfänglich wieder totipotent ist.

Die Zelle nimmt Makromoleküle über membranumschlossene Vesikel auf und gibt sie ebenso ab. Bei der Endozytose unterscheidet man die kontinuierliche, unspezifische Aufnahme von Extrazellulärflüssigkeit über kleine Vesikel, die Pinozytose, von der rezeptorvermittelten Endozytose, die für bestimmte Makromoleküle spezifisch ist. Letztere beginnt meist an kleinen Einbuchtungen der Plasmamembran, deren Innenseite dicht mit dem Protein Clathrin umkleidet ist. Die Rezeptoren sind integrale Membranproteine, etwa für das Lipoprotein LDL an der Leberzelle oder für intrinsic-factor-gebundene Cobalamine am Ileumepithel. An solchen Einbuchtungen können Tausende von Rezeptoren zusammengezogen werden, was die Effizienz der Aufnahme enorm erhöht. Nach Abschnürung und Entfernung des Clathrins entstehen frühe Endosomen, von denen die Rezeptoren meist zur Zellmembran zurückkehren.

Der aufgenommene Ligand kann auf der anderen Zellseite wieder exozytiert werden, was als Transzytose bezeichnet wird, oder er wird im Lysosom abgebaut. Dasselbe gilt für die häufig ebenfalls rezeptorvermittelte Phagozytose von Erregern und körpereigenen Zelltrümmern. Kleine Verdauungsprodukte wie Aminosäuren, Zucker und Nukleotide gelangen aus dem Lysosom ins Zytosol und stehen dem Stoffwechsel wieder zur Verfügung. Bindet ein Hormon wie Insulin an seinen Rezeptor, wandert der Hormon-Rezeptor-Komplex ebenfalls in die Einbuchtungen, wird internalisiert und lysosomal abgebaut. Damit sinkt die Dichte der verfügbaren Rezeptoren; genau das meint der Begriff Down-Regulation bei erhöhtem Hormonangebot.

Die Exozytose dient dem gezielten Export von Makromolekülen, etwa von Pankreasenzymen, sowie der Freisetzung von Hormonen und Neurotransmittern. Diese Stoffe liegen fertig verpackt in sekretorischen Vesikeln vor und werden auf ein Signal hin ausgeschüttet, nämlich auf einen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration. Die Vesikelmembran wird anschließend wieder aufgenommen und recycelt. Zum anderen dient die exozytotische Membranfusion dazu, Proteine in die Plasmamembran einzubauen; dabei wird der flüssige Inhalt der Vesikel zwangsläufig nach außen entleert, was als konstitutive Exozytose bezeichnet wird. Beim Absenden der Vesikel vom trans-Golgi-Netzwerk übernimmt der Proteinkomplex Coatomer die Rolle des Clathrins; die Fusion mit der Zielmembran wird über korrespondierende SNARE-Proteine von Vesikel und Zielmembran vermittelt.

Exosomen schließlich sind winzige Partikel von 20 bis 150 Nanometern, die von allen Zelltypen exozytiert werden und der Kommunikation zwischen Zellen dienen. Sie können Boten-RNA, nicht codierende RNA, Membranproteine und Lipide enthalten und werden von Empfängerzellen aufgenommen, wo sie unter anderem Transkriptionsprozesse beeinflussen. Ihre Wirkung kann autokrin, parakrin und endokrin sein.

Merken Sie sich die Kette und die Zeitachse dazu, dann ordnen Sie klinische Wirklatenzen richtig ein:

Was verändert die Anästhesie?

• Akute Pharmakologie ist Membranpharmakologie. Anästhetika wirken an Kanälen und Rezeptoren, nicht an der Genexpression. Deshalb sind ihre Effekte binnen Sekunden bis Minuten vorhanden und ebenso rasch reversibel.
• Verzögerte Wirkungen sind Expressionswirkungen. Glucocorticoide zur Ödemprophylaxe oder bei Asthma entfalten ihre volle Wirkung erst nach Stunden; die Gabe muss entsprechend früh erfolgen.
• Chirurgischer Stress verändert die Expression. Akutphaseproteine, Gerinnungsfaktoren und Entzündungsmediatoren werden binnen Stunden vermehrt gebildet; das erklärt den zeitlichen Verlauf von Fieber, Hyperkoagulabilität und C-reaktivem Protein.
• Membranverkehr bestimmt Wirkstoffaufnahme. Makromoleküle wie Proteintherapeutika gelangen nur über Endozytose in Zellen, nicht durch Diffusion.

Wann wird diese Physiologie klinisch sichtbar?

• Succinylcholin nach Immobilisation, Denervierung oder Verbrennung: Die Zahl der Acetylcholinrezeptoren an der Muskelfaser steigt durch vermehrte Expression, zusätzlich erscheinen unreife Rezeptorformen. Die Folge ist ein gefährlicher Kaliumanstieg.
• Toleranz und Entzug: Dauerhafte Rezeptorstimulation führt über Internalisierung und veränderte Expression zu Wirkungsverlust, das Absetzen zu überschießender Antwort.
• Insulinresistenz beim kritisch Kranken: Neben der Signalstörung spielt die verminderte Verfügbarkeit von Transportern an der Membran eine Rolle.
• Hämophilie A: Der Gerinnungsfaktor VIII ist ein Beispiel für ein Gen mit sehr hohem Intronanteil; Spleißfehler und Inversionen sind wichtige Mutationsmechanismen.
• Vererbung mitochondrialer Erkrankungen und X-chromosomaler Leiden: Beide folgen Regeln, die sich unmittelbar aus diesem Unterkapitel ergeben.

• Jede Wirkung eines Medikaments sei schnell möglich. Alles, was über Transkription läuft, braucht Stunden, unabhängig von der Dosis.
• Genexpression werde nur an der Transkription geregelt. Tatsächlich greifen Regulationen von der RNA-Modifikation über die Translation bis zum Proteinabbau.
• Down-Regulation sei ein Rezeptordefekt. Sie ist ein aktiver, reversibler Prozess aus Internalisierung und veränderter Neubildung.
• Epigenetik sei eine Veränderung der Basenfolge. Sie ist eine Modifikation von DNA und Histonen bei unverändertem Code.
• Exosomen seien Zellmüll. Sie sind ein eigener Kommunikationsweg zwischen Zellen.

Merksätze

• Membranwirkung wirkt in Sekunden, Kernwirkung in Stunden. Diese Regel ordnet fast jede Wirklatenz in der Klinik.
• Introns sind kein Ballast, sondern der Grund, warum aus einem Gen mehrere Proteine entstehen können.
• Rezeptoren sind keine festen Zahlen, sondern ein Fließgleichgewicht aus Einbau und Internalisierung.
• Signalsequenz und Adressetikett bestimmen, wo ein Protein landet. Fehlt die Adresse, landet es am falschen Ort.
• Kein Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration, keine Exozytose. Sekretion ist calciumabhängig.

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