Exons, Introns und Mosaikgene bei Pro- und Eukaryoten
Wie eukaryotische Gene in codierende Exons und nicht codierende Introns gegliedert sind und warum Bakteriengene und manche Eukaryotengene ohne Introns auskommen.
Das Wichtigste in Kürze
- Exons sind die codierenden, Introns die nicht codierenden Abschnitte innerhalb eines Gens; Introns werden vor der Translation herausgespleißt.
- Eukaryotische Mosaikgene bestehen aus Exons, die von Introns unterbrochen sind; sie kommen in Zellen vor, die RNA spleißen können.
- Bei der Transkription werden Exons und Introns abgeschrieben; die reife mRNA enthält nach dem Spleißen nur noch die Exons.
- Die meisten Introns beginnen mit GT und enden mit AG; diese Grenzen sind keine Palindrome.
- Gene von Eubakterien wie E. coli und ihre mRNA enthalten in der Regel keine Introns; Prokaryoten-DNA ist überwiegend codierend.
- Auch Eukaryoten besitzen intronlose Gene, etwa die Histongene; Histone sind basische, DNA-assoziierte Proteine der Nucleosomen.
Worum es geht
Ein Gen ist bei vielen Organismen kein durchgehender Bauplan, sondern ein Wechsel aus Stücken mit und ohne Proteininformation. Diese Gliederung erklärt, warum aus einer Vorläufer-RNA erst eine reife mRNA werden muss. Sie ist auch der Grund, warum man für die gentechnische Herstellung von Arzneistoffen wie Insulin in Bakterien eine intronfreie Genkopie braucht.
Codierende und nicht codierende DNA
Ein Gen wird ab der Transkriptionsstartstelle abgelesen, die stromabwärts vom Promotor liegt. Der abgelesene Bereich ist bei Eukaryoten meist nicht einheitlich. Abschnitte, die eine Aminosäuresequenz festlegen, wechseln sich mit Abschnitten ab, die das nicht tun.
Die Zelle schreibt zunächst alles in RNA um. Erst danach schneidet sie die nicht codierenden Stücke heraus und verknüpft die codierenden. Diesen Schritt nennt man Spleißen. Wie er im Detail abläuft, gehört zur Prozessierung von RNA. Den Ablauf der Transkription selbst findest du ebenfalls dort. Hier geht es um die Bauweise der Gene, die beide Prozesse voraussetzen.
Exons und Introns
Ein Exon ist ein codierender DNA-Abschnitt eines Gens. Die Exons tragen zusammen die Information für das Protein. Sie bleiben nach dem Spleißen in der reifen mRNA erhalten und werden translatiert. Streng genommen enthalten das erste und das letzte Exon zusätzlich kurze nicht translatierte Randstücke. An der Grundregel ändert das nichts: Exons sind die codierenden Abschnitte.
Exons sind also echte Information. Mit informationslosen Wiederholungen haben sie nichts gemein, denn solche repetitiven Sequenzen legen kein Protein fest. Auch die Lage am Chromosomenende ist kein Merkmal von Exons. Sie liegen innerhalb eines Gens, wo immer dieses Gen auf dem Chromosom sitzt.
Ein Intron ist eine nicht codierende DNA-Sequenz innerhalb eines Gens. Introns liegen zwischen zwei Exons und unterbrechen so die codierende Information. Sie werden typischerweise nicht translatiert, weil die Zelle sie vorher aus der RNA entfernt.
Damit die Spleißmaschinerie ein Intron findet, braucht es Markierungen an seinen Grenzen. Die meisten Introns beginnen in der DNA mit GT und enden mit AG, in der RNA entsprechend mit GU und AG. Anders als die Erkennungsstellen vieler Restriktionsenzyme sind diese Grenzen keine Palindrome. Es sind kurze, unsymmetrische Signalfolgen.
Exons werden exprimiert, Introns liegen intern dazwischen (intervening sequences) und werden herausgeschnitten.
Mosaikgene der Eukaryoten
Viele Gene im Kerngenom eukaryotischer Zellen sind aus Exons und Introns zusammengesetzt. Ihre codierende Information liegt verstreut wie die Steine eines Mosaiks. Daher der Name.
Ein Mosaikgen ist ein Gen, dessen codierende Exons durch nicht codierende Introns unterbrochen sind. Die Abfolge lautet Exon, Intron, Exon und so weiter, jedes Intron liegt zwischen zwei Exons.
Die Zahl der Introns schwankt stark. Manche Gene haben ein einziges Intron, andere Dutzende. Oft machen die Introns den größeren Teil der Genlänge aus.
Eine solche Bauweise funktioniert nur, wenn die Zelle die Introns auch wieder loswird. Mosaikgene kommen deshalb in Zellen vor, die RNA spleißen können. Fehlte diese Fähigkeit, würde das Ribosom die Introns mitlesen. Es entstünde ein Protein mit sinnlosen Einschüben oder ein vorzeitiger Abbruch.
Bei der Transkription werden Exons und Introns gleichermaßen transkribiert. Die RNA-Polymerase schreibt das ganze Gen ab. So entsteht die prä-mRNA, die alle Abschnitte enthält. Erst das Spleißen im Zellkern macht daraus die reife mRNA, die nur noch aus Exons besteht. Die Abbildung zeigt das an einem Gen mit drei Exons und zwei Introns.
Introns werden transkribiert, aber nicht translatiert. Wer sagt, Introns würden gar nicht abgelesen, verwechselt die beiden Schritte.
Der Aufbau eukaryotischer Gene aus Exons und Introns wird im Examen gerne gefragt. Achte darauf, dass Introns zwischen Exons liegen und dass Mosaikgene an die Spleißfähigkeit der Zelle gebunden sind.
Prokaryotische Gene
Gene von Eubakterien wie Escherichia coli enthalten in der Regel keine Introns. Sie sind nicht in Exons und Introns gegliedert. Der codierende Bereich läuft vom Startcodon bis zum Stoppcodon ohne Unterbrechung durch.
Folglich enthält auch die bakterielle mRNA keine Introns. Ein Spleißschritt ist nicht nötig. Weil Bakterien keinen Zellkern haben, können Ribosomen schon an der entstehenden mRNA ansetzen. Transkription und Translation laufen gekoppelt ab. Bei Eukaryoten sind beide Vorgänge räumlich getrennt: Gespleißt wird im Kern, translatiert im Cytoplasma.
Das Bakteriengenom ist sehr kompakt. Die DNA von Prokaryoten besteht überwiegend aus codierenden Sequenzen, bei E. coli sind es fast 90 %. Im menschlichen Genom codiert dagegen nur ein kleiner Bruchteil für Proteine. Für die Biotechnologie hat das Folgen. Ein menschliches Mosaikgen kann ein Bakterium nicht korrekt ausprägen. Man setzt deshalb eine aus reifer mRNA gewonnene, intronfreie Kopie ein.
Intronlose Gene bei Eukaryoten
Mosaikgene sind bei Eukaryoten häufig, aber keine Pflicht. Es gibt auch intronlose Gene. Sie bestehen ausschließlich aus Exons, also aus einem durchgehenden codierenden Abschnitt. Dass auch Eukaryoten solche Gene besitzen, solltest du sicher können: Die Aussage „alle eukaryotischen Gene enthalten Introns“ ist falsch.
Das bekannteste Beispiel sind die Histongene. Sie enthalten keine Introns. Histone sind basische Proteine, die mit der DNA assoziiert sind. Ihre positiv geladenen Aminosäuren binden an das negativ geladene Phosphatrückgrat. Histone sind Bestandteile der Nucleosomen, um die die DNA gewickelt ist. Den genauen Aufbau erklärt die Einheit zu Histonen und Nucleosomen.
Intronlose Gene zeigen, dass die Grenze nicht streng zwischen Pro- und Eukaryoten verläuft. Bakterien kommen fast immer ohne Introns aus. Eukaryoten haben meist Mosaikgene, besitzen aber auch Gene aus einem einzigen Exon.
Quiz
Aussage 1
Exons sind die Abschnitte eines Gens, die die Information für das Protein tragen.
Exons sind die codierenden DNA-Abschnitte eines Gens und bleiben in der reifen mRNA erhalten.
Aussage 2
Gene aus Exons und Introns setzen voraus, dass die Zelle RNA spleißen kann.
Ohne Spleißen würden Introns mittranslatiert. Mosaikgene kommen daher in spleißfähigen Zellen vor.
Aussage 3
Bei Eukaryoten ist jedes Gen in Exons und Introns gegliedert.
Eukaryoten besitzen auch intronlose Gene, die nur aus Exons bestehen, zum Beispiel die Histongene.
Aussage 4
Die Gene von Escherichia coli bestehen zum größten Teil aus Introns.
Gene von Eubakterien wie E. coli enthalten in der Regel keine Introns. Prokaryoten-DNA ist überwiegend codierend.
Aussage 5
Bei eukaryotischen Mosaikgenen überspringt die RNA-Polymerase die Introns, sodass nur die Exons transkribiert werden.
Exons und Introns werden beide transkribiert. Die Introns werden erst danach durch Spleißen aus der prä-mRNA entfernt.
Aussage 6
Histongene sind ein Beispiel für eukaryotische Gene, die nur aus Exons bestehen.
Histongene enthalten keine Introns und sind damit intronlose Gene.
Aussage 7
Die meisten Introns beginnen in der DNA mit der Folge GT und enden mit AG.
Diese kurzen Signalfolgen markieren die Intron-Grenzen für das Spleißen; in der RNA lauten sie GU und AG.
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