So funktioniert die Proteinbiosynthese: Transkription, Translation und Mutationen

Vom Gen zum Protein

Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, dessen Basenfolge ein Protein festlegt. Die Zelle liest die DNA nicht direkt, um das Protein herzustellen. Sie kopiert das Gen zuerst in Boten-RNA (Transkription), dann lesen Ribosomen die mRNA und verknüpfen Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge (Translation). Dieser Informationsfluss, von DNA über RNA zum Protein, heißt oft das zentrale Dogma der Molekularbiologie.

Transkription

Die RNA-Polymerase bindet an einen Promotor vor dem Gen, entwindet ein kurzes Stück der Doppelhelix (die Transkriptionsblase, etwa 14 Basenpaare) und wandert daran entlang. Sie liest einen Strang, den codogenen Strang (Matrizenstrang), und baut einen dazu komplementären RNA-Strang, indem sie Nukleotide an das 3′-Ende der RNA hängt, die also von 5′ nach 3′ wächst. Die RNA hat deshalb dieselbe Sequenz wie der andere DNA-Strang, der codierende Strang, mit Uracil (U) statt Thymin (T). Hinter der Polymerase schließt sich die DNA wieder.

In Bakterien wird die mRNA sofort benutzt. In Eukaryoten wird sie zuerst bearbeitet: Das 5′-Ende bekommt eine Kappe, das 3′-Ende einen Poly-A-Schwanz, und die Introns werden herausgeschnitten (Spleißen), bevor die mRNA den Zellkern verlässt.

Der genetische Code

Die mRNA wird in Dreiergruppen gelesen. Jedes Triplett ist ein Codon. Vier Basen ergeben 4³ = 64 Codons: 61 codieren die 20 Aminosäuren und 3 (UAA, UAG, UGA) bedeuten Stopp. AUG codiert Methionin und markiert außerdem den Start. Die meisten Aminosäuren haben mehrere Codons, die sich meist in der dritten Base unterscheiden; der Code ist also redundant (degeneriert). Fast alle Lebewesen benutzen, mit kleinen Ausnahmen, denselben Code.

Translation

1. Initiation: Die kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an die mRNA und sucht das Startcodon AUG; die erste Transfer-RNA, beladen mit Methionin, paart sich damit, und die große Untereinheit kommt hinzu.
2. Elongation: Eine tRNA, deren Anticodon zum nächsten Codon passt, bringt die nächste Aminosäure; das Ribosom knüpft sie mit einer Peptidbindung an die wachsende Kette und rückt dann um ein Codon weiter. Bakterielle Ribosomen hängen etwa 15 bis 20 Aminosäuren pro Sekunde an, unsere etwa 5.
3. Termination: An einem Stoppcodon passt keine tRNA; stattdessen bindet ein Freisetzungsfaktor, die fertige Kette wird losgelassen, und das Ribosom zerfällt.

Die Reihenfolge der Codons legt die Reihenfolge der Aminosäuren fest, und diese Sequenz bestimmt, wie sich die Kette zu einem funktionierenden Protein faltet.

Ein Rechenbeispiel: β-Globin

Das menschliche β-Globin-Gen (HBB), eine Hälfte des Hämoglobinmoleküls, beginnt mit

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

1. mRNA: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
2. Codons: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
3. Protein: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, im Einbuchstabencode MVHLTPEEK.

Mutationen

• Still: eine Substitution, die ein Codon in ein anderes für dieselbe Aminosäure verwandelt. GTG zu GTC in Codon 2 ergibt weiterhin Valin.
• Missense: Das neue Codon codiert eine andere Aminosäure. Bei der Sichelzellanämie ändert sich Codon 7 von GAG zu GTG, aus Glutamat wird Valin. Das hydrophobe Valin lässt Hämoglobinmoleküle bei Sauerstoffmangel zu Fasern verkleben, die rote Blutkörperchen zu Sicheln verbiegen. Manche Missense-Änderungen sind harmlos, andere zerstören das Protein.
• Nonsense: Das Codon wird zu einem Stopp. Wird Base 19 von HBB von G zu T, wird aus GAG TAG, und das Protein endet nach sechs Aminosäuren. Mutationen wie diese verursachen β-Thalassämie.
• Rasterschub: Fügt man eine Anzahl von Basen ein oder entfernt sie, die kein Vielfaches von drei ist, verschiebt sich das Leseraster, und jedes folgende Codon ist anders. Das Entfernen von Base 20 von HBB ergibt MVHLTPGRSLPLLPCGAR und dann ein Stopp: ein kurzes, nutzloses Protein. Drei Basen einzufügen oder zu entfernen fügt eine Aminosäure hinzu oder nimmt eine weg, ohne Verschiebung, wie bei der häufigsten Mutation der Mukoviszidose, der ein Phenylalanin fehlt.

Die Simulation benutzen

Im Simulator der Proteinbiosynthese: Transkription und Translation kannst du ausprobieren:

• Sieh zu, wie β-Globin transkribiert und dann translatiert wird; vergleiche die mRNA in den Ergebnissen mit dem codierenden Strang.
• Wähle Substitution an Base 20 mit T: die Sichelzellmutation, angezeigt als Missense E7V.
• Base 19 zu T: Nonsense. Base 6 zu C: still.
• Deletion an Base 20: Rasterschub, und das Hydropathie-Diagramm gerät nach Codon 7 durcheinander.
• Im kurzen Beispiel kommt das Startcodon erst nach einigen Basen: Das Ribosom überspringt sie und hält bei TGA an.
• Gib eine Sequenz ohne ATG ein: Es entsteht kein Protein.

Was das Modell annimmt

• Der Standardcode, gelesen ab dem ersten ATG der Sequenz, in diesem Raster, bis zum ersten Stoppcodon oder zum Ende der Sequenz.
• Eine codierende Sequenz ohne Introns: Was du eingibst, wird als Sequenz der mRNA behandelt, ohne Promotor, Spleißen, Kappe oder Schwanz.
• Jeweils eine Polymerase und ein Ribosom, mit festen Geschwindigkeiten; echte Gene werden von vielen Polymerasen abgelesen, und jede mRNA wird von vielen Ribosomen gleichzeitig gelesen (ein Polysom).
• Massen aus mittleren Restmassen plus ein Wasser, ohne Modifikationen; das Methionin am Anfang bleibt erhalten.
• Hydropathie nach der Kyte-Doolittle-Skala, gemittelt über Fenster von fünf Resten.

Grenzfälle

• Kein Startcodon: kein Protein. Eine Mutation im ATG selbst zerstört den Start; die Simulation translatiert dann ab dem nächsten ATG, das in einem anderen Raster liegen kann.
• Kein Stoppcodon: Das Ribosom läuft über das Ende der Sequenz hinaus. In Zellen werden solche „Non-Stop“-mRNAs erkannt und abgebaut.
• Mutationen vor dem Start oder nach dem Stopp lassen das Protein unverändert, auch wenn sie in echten Genen trotzdem beeinflussen können, wie viel davon gebildet wird.
• Eine Substitution durch dieselbe Base ändert nichts.

Wo das Modell nicht mehr stimmt

• Still ist nicht immer harmlos. Synonyme Änderungen können Spleißsignale, die Faltung der mRNA oder die Lesegeschwindigkeit eines Codons verändern und so beeinflussen, wie viel Protein entsteht oder wie es sich faltet.
• Nonsense-vermittelter Abbau. In Eukaryoten wird eine mRNA mit einem vorzeitigen Stopp meist abgebaut, bevor viel verkürztes Protein entsteht.
• Startcodons im Kontext. Ribosomen in Eukaryoten tasten sich von der Kappe aus vor und bevorzugen ein AUG in gutem Kontext (die Kozak-Sequenz, etwa GCCACCAUGG); Bakterien nutzen eine Shine-Dalgarno-Sequenz kurz davor. Nicht immer wird das erste ATG benutzt.
• Nach der Translation. Das Start-Methionin wird oft entfernt, darum heißt die Sichelzellmutation Glu6Val; Proteine werden geschnitten, mit Hilfe von Chaperonen gefaltet und mit Zuckern und Phosphaten versehen.
• Andere Codes. Mitochondrien und manche Mikroben lesen einige Codons anders; in menschlichen Mitochondrien codiert UGA Tryptophan.

Passende Tools

Übersetze jede Sequenz in allen sechs Leserastern mit DNA in Protein übersetzen, finde offene Leseraster mit dem ORF-Finder, setze Punktmutationen mit DNA mutieren und wiege das Ergebnis mit Protein-Molekulargewicht. DNA in Protein übersetzen geht den Code von Hand durch, und der DNA- und RNA-Faltungsbetrachter zeigt das Molekül selbst.