Gen

Als Gen wird meist ein Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure (englische Abkürzung: DNA) bezeichnet, der Grundinformationen für die Entwicklung von Eigenschaften eines Individuums und zur Herstellung einer biologisch aktiven Ribonukleinsäure (englische Abkürzung: RNA) enthält. Bei diesem Prozess der Transkription wird vom codogenen DNA-Strangabschnitt eine komplementäre Kopie in Form einer RNA hergestellt.

Es gibt verschiedene Arten der RNA. Bei der Translation, einem Teilvorgang der Proteinbiosynthese, wird die Aminosäuresequenz des betreffenden Proteins von der mRNA abgelesen. Die Proteine übernehmen im Körper jeweils spezifische Funktionen, mit denen sich die Merkmale ausprägen können. Der Aktivitätszustand eines Gens bzw. dessen Ausprägung, seine Expression, kann in einzelnen Zellen verschieden reguliert werden.

Als Erbanlage oder Erbfaktor werden allgemein die nur elektronenmikroskopisch sichtbaren Gene auf spezifischen Plätzen in den Chromosomen bezeichnet, da sie die Träger von Erbinformation sind, die durch Reproduktion an Nachkommen weitergegeben wird. Die Erforschung des Aufbaus, der Funktion und Vererbung von Genen ist Gegenstand der Genetik. Die gesamte Erbinformation einer Zelle wird Genom genannt.

Forschungsgeschichte

Abtei in Brünn 
1856 begann Johann Gregor Mendel, Erbsen zu kreuzen, um die Vererbung von sichtbaren Merkmalen zu untersuchen. Er schlug als erster die Existenz von bestimmten „materiellen Elementen“ vor, die als Erbfaktoren von Eltern auf die Nachkommen übertragen werden. Er fand, dass Merkmale voneinander unabhängig vererbt werden können und dass es dominante und rezessive Faktoren gibt. Er entwickelte die Hypothese, dass es homozygote und heterozygote Individuen gibt und legte damit die Grundlage für die Unterscheidung zwischen Genotyp und Phänotyp.

In einem Brief an Carl Nägeli schrieb Mendel am 3. Juli 1870 (erstmals) von „Genen“ der Hieracium-Arten.

Gene als Erb-Elemente 
1900 gilt als das Jahr der „Wiederentdeckung“, als die Botaniker Carl Correns, Hugo de Vries und Erich Tschermak Mendels Entdeckungen aufgriffen. Sie bestätigten, dass es numerische Regeln gibt, nach denen die Faktoren, die für die Ausprägung von Merkmalen verantwortlich sind, an Nachkommen weitergegeben werden. Correns nannte einen solchen Faktor Anlage bzw. Erbanlage. William Bateson erinnerte 1902 in  daran, dass es in jeder Zelle zwei Varianten eines jeden Erbfaktors gibt. Er nannte die zweite Variante Allelomorph (griechisch für „Andere Gestalt“) und prägte damit den Begriff des Allels.

Archibald Garrod, ein britischer Arzt, hatte bei Stoffwechselerkrankungen festgestellt, dass diese in Familien vererbt werden. Mendels Regeln gelten also auch für Menschen. Garrod vermutete, die Erbanlagen seien die Basis für die chemische Individualität jedes Menschen.

Die Bezeichnungen „Gen“ und „Genotypus“ verankerte schließlich 1903 der Däne Wilhelm Johannsen in der Fachsprache der neuen Wissenschaft, der „Erblickeitslehre“. Drei Jahre zuvor hatte William Bateson für sie das Hauptwort Genetik vorgeschlagen – nach dem griechischen Adjektiv  für „hervorbringend“. Zu jener Zeit war die materielle Natur der Gene nicht bekannt bzw. nicht anerkannt.

August Weismann machte einen Unterschied zwischen Körperzellen und Keimzellen. Beide Zelltypen enthalten dieselbe „Vererbungssubstanz“, die sich aus einzelnen Elementen zusammensetzt, die er Determinanten nannte. Doch nur die Keimzellen können neue Organismen hervorbringen, in denen diese Determinanten für sichtbare Ausprägung von Merkmalen, beispielsweise der Gliedmaßen, verantwortlich sind. Damit war die Theorie der Keimbahn formuliert: Durch geschlechtliche Fortpflanzung werden die Gene von Generation zu Generation weitergegeben.

In den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts nahmen sich die Genetiker nach verschiedenen Pflanzen auch Insekten und später Vögel vor, um die Vererbungsgesetze zu testen.

Färbbare Genträger im Zellkern 
Die 1842 bei sich teilenden Zellkernen entdeckten färbbaren Strukturen benannte Wilhelm Waldeyer 1888 als Chromosomen. Durch verbesserte Färbetechniken war beobachtet worden, dass sich die Chromosomen vor einer mitotischen Kernteilung auf 4n verdoppeln und sich dann genau zweiteilen, sodass jeder Tochterkern und damit jede Tochterzelle je 2n Chromosomen erhält. Deswegen kamen sie als Träger der Gene in Frage. Dieser Sachverhalt begründete die Chromosomentheorie der Vererbung.

Dass die von Mendel „Elemente“ genannten Faktoren in den Chromosomen zu finden sind, argumentierten zu Beginn des 20. Jahrhunderts Theodor Boveri sowie Walter Sutton.

Kritiker taten eine Verbindung von Genen und Chromosomen als „Physikalismus“ und „Mendelismus“ ab, da sie Gene als abstrakte Einheiten betrachteten.

Thomas Hunt Morgan war ebenfalls überzeugt, dass die Einheiten, die die verschiedenen Merkmale verantworten, nicht physikalischer Natur seien.  Er versuchte, den Mendelismus zu widerlegen und begann 1910 mit Kreuzungsversuchen an Schwarzbäuchigen Taufliegen. Seine Arbeiten erbrachten jedoch das Gegenteil: den endgültigen Beweis, dass Gene in Chromosomen liegen und damit materieller Natur sind. Zusammen mit seinen Mitarbeitern, darunter Calvin Bridges, Alfred Sturtevant und Hermann Muller, fand er viele natürliche Mutationen und untersuchte in unzähligen Kreuzungen die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Merkmale gemeinsam vererbt werden. Sie zeigten, dass Gene an bestimmten Stellen der Chromosomen liegen und hintereinander aufgereiht sind.

Unter dem Mikroskop wurde Crossing-over beobachtet. So lernte man, dass Chromosomen Abschnitte austauschen können. Je näher zwei Gene auf dem Chromosom beieinander liegen, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass sie gemeinsam vererbt und nicht durch ein Crossing-over-Ereignis getrennt werden. Dadurch konnte der Abstand zweier Gene auf ihrem Chromosom bestimmt werden, der nach Morgan in centiMorgan angegeben wird. Gemeinsam erstellte die Forschergruppe in jahrelanger Arbeit die erste Genkarte.

Hermann Muller entdeckte, dass Röntgenstrahlen die Mutationsrate bei Fliegen stark erhöhen. Dies war eine Sensation, da dadurch zum ersten Mal gezeigt wurde, dass Gene physikalische Objekte sind, die von außen zu beeinflussen sind.

Gene molekular 
1928 wies Frederick Griffith in dem nach ihm benannten „Griffiths Experiment“ zum ersten Mal nach, dass Gene aus Bakterien auf andere übertragen werden können. Der von ihm nachgewiesene Vorgang war die genetische Transformation.

1941 zeigten George Wells Beadle und Edward Lawrie Tatum, dass Mutationen in Genen für Defekte in Stoffwechselwegen verantwortlich sind. Die Erkenntnis, dass spezifische Gene spezifische Proteine codieren, führte zur „Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese“, die später zur „Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese“ präzisiert wurde. Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty bewiesen 1944, dass die DNA die genetische Information enthält.

1953 wurde die Struktur der DNA von James D. Watson und Francis Crick, basierend auf den Arbeiten von Rosalind Franklin und Erwin Chargaff, entschlüsselt und das Modell der DNA-Doppelhelix vorgestellt.

1969 gelang Jonathan Beckwith und Kollegen erstmals, ein einzelnes Gen chemisch zu isolieren.

Definition des Begriffs 
Die Definition, was genau ein Gen ist, hat sich verändert und wurde neuen Erkenntnissen angepasst. 2006 suchten 25 Wissenschaftler des  der Universität Berkeley nach einer treffend formulierten aktuellen Definition. Sie einigten sich nach zwei Tagen auf eine gemeinsame Version. Ein Gen ist demnach .

Durch das Projekt ENCODE (), bei dem die Transkriptionsaktivität des Genoms gemappt wurde, wurden neue komplexe Regulationsmuster entdeckt. Dabei wurde auch festgestellt, dass die Transkription nichtcodierender RNA in weit größerem Umfang als bislang angenommen stattfindet. Dieser Befund wird im folgenden Definitionsvorschlag berücksichtigt: .

Aufbau 
Auf molekularer Ebene besteht ein Gen aus zwei unterschiedlichen Bereichen:

 Einem DNA-Abschnitt, von dem durch Transkription eine einzelsträngige RNA-Kopie hergestellt wird.
 Allen zusätzlichen DNA-Abschnitten, die an der Regulation dieses Kopiervorgangs beteiligt sind.

Es gibt verschiedene Besonderheiten im Aufbau von Genen verschiedener Lebewesen. In der Zeichnung wird der Aufbau eines typischen eukaryotischen Gens dargestellt, das ein Protein codiert.

Schematischer Aufbau eines eukaryotischen Gens 
Vor der Transkriptionseinheit oder auch innerhalb der Exons (hellblau und dunkelblau) und Introns(rosa und rot) liegen regulatorische Elemente, wie zum Beispiel Enhancer oder Promotor. An diese binden, abhängig von der Sequenz, verschiedene Proteine, wie beispielsweise die Transkriptionsfaktoren und die RNA-Polymerase. Die prä-mRNA (unreife mRNA), die im Zellkern bei der Transkription zunächst entsteht, wird in dem Reifungsprozess zur reifen mRNA modifiziert. Die mRNA enthält neben dem direkt proteincodierenden Offenen Leserahmen noch untranslatierte, also nichtcodierende Bereiche, den 5' untranslatierten Bereich (5' UTR) und den 3' untranslatierten Bereich (3' UTR). Diese Bereiche dienen zur Regulation der Translationsinitiation und zur Regulation der Aktivität der Ribonukleasen, die die RNA wieder abbauen.

Die Gene der Prokaryoten unterscheiden sich im Aufbau von eukaryotischen Genen dadurch, dass sie keine Introns besitzen. Zudem können mehrere unterschiedliche RNA-bildende Genabschnitte sehr nah hintereinander geschaltet sein (man spricht dann von polycistronischen Genen) und in ihrer Aktivität von einem gemeinsamen regulatorischen Element geregelt werden. Diese Gencluster werden gemeinsam transkribiert, aber in verschiedene Proteine translatiert. Diese Einheit aus Regulationselement und polycistronischen Genen nennt man Operon. Operons sind typisch für Prokaryoten.

Gene codieren nicht nur die mRNA, aus der dann die Proteine translatiert werden, sondern auch die rRNA und die tRNA sowie weitere Ribonukleinsäuren, die andere Aufgaben in der Zelle haben, beispielsweise bei der Proteinbiosynthese oder der Genregulation. Ein Gen, das ein Protein codiert, enthält eine Beschreibung der Aminosäure-Sequenz dieses Proteins. Diese Beschreibung liegt in einer chemischen Sprache vor, nämlich im genetischen Code in Form der Nukleotid-Sequenz der DNA. Die einzelnen „Kettenglieder“ (Nukleotide) der DNA stellen – in Dreiergruppen (Tripletts, Codon) zusammengefasst – die „Buchstaben“ des genetischen Codes dar. Der codierende Bereich, also alle Nukleotide, die direkt an der Beschreibung der Aminosäuresequenz beteiligt sind, wird als offener Leserahmen bezeichnet. Ein Nukleotid besteht aus einem Teil Phosphat, einem Teil Desoxyribose (Zucker) und einer Base. Eine Base ist entweder Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin.

Gene können mutieren, sich also spontan oder durch Einwirkung von außen (beispielsweise durch Radioaktivität) verändern. Diese Veränderungen können an verschiedenen Stellen im Gen erfolgen. Demzufolge kann ein Gen nach einer Reihe von Mutationen in verschiedenen Zustandsformen vorliegen, die man Allele nennt. Eine DNA-Sequenz kann auch mehrere überlappende Gene enthalten. Durch Genduplikation verdoppelte Gene können sequenzidentisch sein, dennoch aber unterschiedlich reguliert werden und damit zu unterschiedlichen Aminosäuresequenzen führen, ohne dass sie Allele sind.

Verhältnis Introns zu Exons 
Generell schwankt das Verhältnis zwischen Introns und Exons von Gen zu Gen sehr stark. So gibt es einige Gene ohne Introns, während andere zu über 95 % aus Introns bestehen. Beim Dystrophin-Gen – mit 2,5 Millionen Basenpaaren das größte menschliche Gen  – besteht das daraus codierte Protein aus 3685 Aminosäuren. Der Anteil der codierenden Basenpaare beträgt somit 0,44 %.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Proteine und das jeweils codierende Gen aufgeführt.

Genaktivität und Regulation 

Gene sind dann „aktiv“, wenn ihre Information in RNA umgeschrieben wird, das heißt, die Transkription stattfindet. Je nach Funktion des Gens entsteht also mRNA, tRNA oder rRNA. In der Folge kann also, muss aber nicht zwingend, bei mRNA aus dieser Aktivität auch ein Protein translatiert werden. Eine Übersicht über die Vorgänge bieten die Artikel Genexpression und Proteinbiosynthese.

Die Aktivität einzelner Gene wird über eine Vielzahl von Mechanismen gesteuert und kontrolliert. Ein Weg ist die Steuerung über die Rate ihrer Transkription in hnRNA. Ein anderer Weg ist der Abbau der mRNA, bevor sie translatiert wird, beispielsweise durch siRNA-vermittelte RNA-Interferenz (Posttranskriptionelles Gen-Silencing). Kurzfristig erfolgt die Genregulation durch Bindung und Ablösung von Proteinen, sogenannten Transkriptionsfaktoren, an spezifische Bereiche der DNA, die sogenannten „regulatorischen Elemente“. Langfristig wird dies über Methylierung oder das „Verpacken“ von DNA-Abschnitten in Histon­komplexe erreicht. Auch die regulatorischen Elemente der DNA unterliegen der Variation. Der Einfluss von Änderungen in der Genregulation einschließlich der Steuerung des alternativen Splicings dürfte vergleichbar mit dem Einfluss von Mutationen proteincodierender Sequenzen sein. Mit klassischen genetischen Methoden – durch Analyse von Erbgängen und Phänotypen – sind diese Effekte in der Vererbung normalerweise nicht voneinander zu trennen. Lediglich die Molekularbiologie kann hier Hinweise geben. Eine Übersicht über die Regulationsvorgänge von Genen wird im Artikel Genregulation dargestellt.

Organisation von Genen 
Bei allen Lebewesen codiert nur ein Teil der DNA für definierte RNAs. Die übrigen Teile der DNA werden als nichtcodierende DNA bezeichnet. Sie hat Funktionen in der Genregulation, beispielsweise für die Regulation des alternativen Splicings, und hat Einfluss auf die Architektur der Chromosomen.

Der Ort auf einem Chromosom, an dem sich das Gen befindet, wird als Genort bezeichnet. Gene sind darüber hinaus nicht gleichmäßig auf den Chromosomen verteilt, sondern kommen zum Teil in sogenannten Clustern vor. Gencluster können dabei aus zufällig in räumlicher Nähe zueinander liegenden Genen bestehen, oder es handelt sich um Gruppen von Genen, die für Proteine codieren, die in einem funktionellen Zusammenhang stehen. Gene, deren Proteine ähnliche Funktion haben, können aber auch auf verschiedenen Chromosomen liegen.

Es gibt Abschnitte auf der DNA, die für mehrere verschiedene Proteine codieren. Der Grund dafür sind überlappende offene Leserahmen.

Genetische Variation und genetische Variabilität 
Als genetische Variation wird das Auftreten von genetischen Varianten (Allele, Gene oder Genotypen) bei individuellen Lebewesen bezeichnet.
Sie entsteht durch Mutationen, aber auch durch Vorgänge bei der Meiose („Crossing over“), durch die Erbanlagen der Großeltern unterschiedlich auf die Geschlechtszellen verteilt werden. Für die Entstehung neuer Gene können ebenfalls Mutationen oder De-novo-Entstehung ursächlich sein.

Genetische Variabilität ist dagegen die Fähigkeit einer gesamten Population, Individuen mit unterschiedlichem Erbgut hervorzubringen. Hierbei spielen nicht nur genetische Vorgänge, sondern auch Mechanismen der Partnerwahl eine Rolle.
Die genetische Variabilität spielt eine entscheidende Rolle für die Fähigkeit einer Population, unter veränderten Umweltbedingungen zu überleben, und stellt einen wichtigen Faktor der Evolution dar.

Besondere Gene

RNA-Gene in Viren 
Obwohl bei allen zellbasierten Lebensformen Gene als DNA-Abschnitte vorliegen, gibt es einige Viren, deren genetische Information in Form von RNA vorliegt.
RNA-Viren befallen eine Zelle, die dann sofort mit der Produktion von Proteinen direkt nach Anleitung der RNA beginnt; eine Transkription von DNA nach RNA entfällt.
Retroviren hingegen übersetzen ihre RNA bei der Infektion in DNA, und zwar unter Mitwirkung des Enzyms Reverse Transkriptase.

Pseudogene 
Als Gen im engeren Sinne bezeichnet man in der Regel eine Nukleotidsequenz, die die Information für ein Protein enthält, das unmittelbar funktionsfähig ist. Pseudogene stellen dagegen Genkopien dar, die kein funktionelles Protein in voller Länge codieren. Oftmals sind diese durch Genduplikationen entstanden und/oder durch Mutationen, die sich in der Folge ohne Selektion auch im Pseudogen akkumulieren (anhäufen), und ihre ursprüngliche Funktion verloren haben. Einige scheinen dennoch eine Rolle bei der Regulierung der Genaktivität zu spielen. Das menschliche Genom enthält etwa 20.000 Pseudogene. Das Humangenomprojekt wurde mit dem Ziel gegründet, das Genom des Menschen vollständig zu entschlüsseln.

Springende Gene 
Sie werden auch als Transposons bezeichnet und sind mobile Erbgutabschnitte, die sich innerhalb der DNA einer Zelle frei bewegen können. Aus ihrem angestammten Ort im Erbgut schneiden sie sich selbst aus und fügen sich an einer beliebig anderen Stelle wieder ein. Biologen um Fred Gage vom Salk Institute for Biological Studies in La Jolla (USA) haben nachgewiesen, dass diese springenden Gene nicht nur wie bislang angenommen in den Zellen der Keimbahn vorkommen, sondern auch in Nerven-Vorläuferzellen aktiv sind. Forschungsergebnisse von Eric Lander et al. (2007) zeigen, dass Transposons eine wichtige Funktion haben, indem sie als kreativer Faktor im Genom wichtige genetische Innovationen rasch im Erbgut verbreiten können.

Orphangene 
Orphan-Gene sind Gene ohne nachweisbare Homologie in anderen Linien. Sie werden auch ORFans genannt, insbesondere in der mikrobiellen Literatur (mit ORF als Akronym für ). Orphan-Gene sind eine Teilmenge von taxonomisch eingeschränkten Genen, die auf einer bestimmten taxonomischen Ebene (z. B. pflanzenspezifisch) einzigartig sind. Sie gelten in der Regel als einzigartig für ein sehr schmales Taxon, sogar für eine Art (Spezies). Orphan-Gene unterscheiden sich dadurch, dass sie linienspezifisch sind und keine bekannte Geschichte der gemeinsamen Verdoppelung und Neuordnung außerhalb ihrer spezifischen Spezies oder Gruppe haben. In Menschen gibt es beispielsweise 634 Gene, die dem Schimpansen fehlen. Umgekehrt fehlen dem Menschen 780 Schimpansen-Gene.

Typische Genomgrößen und Genanzahl

Literatur 
 Pilar Cacheiro, Damian Smedley: Essential genes: A cross-species perspective. In: Mamm Genome 34 , 3, 2023: 357–363. PDF. → Gene, deren Funktionen das Überleben der Zellen und ganzer Organismen garantieren, vertragen keine Mutation. Diese „intoleranten“ Gene enthalten die Informationen für Zellvermehrung und Organ-Entwicklung. Sie sind Gucklöcher zu molekularen Mechanismen von Krankheiten.
 Ruth L Seal, Bryony Braschi, Kristian Gray, Tamsin E M Jones, Susan Tweedie, Liora Haim-Vilmovsky, Elspeth A Bruford: Genenames.org: the HGNC resources in 2023. In: Nucleic Acids Res 51, D1, 2023: D1003–D1009. PDF. → Diese Datenbank enthält 2023 für das menschliche Genom über 43 000 anerkannte Gen-Symbole: 19 200 davon codieren Proteine, 14 000 bezeichnen Pseudogene und beinahe 9000 sind nicht-codierende RNA-Gene. 
 Siddhartha Mukherjee: Das Gen. Fischer, Frankfurt 2017, ISBN 978-3-10-002271-4.
 Benjamin Lewin: Genes 8. Pearson Prentice Hall, London 2004, ISBN 0-13-143981-2 (englisch).
 Inge Kronberg: Welche Gene machen den Menschen zum Menschen? In: Biologie in unserer Zeit. 34.2004, 4, S. 206–207, 
 Ernst Peter Fischer: Geschichte des Gens. Fischer, Frankfurt 2003, ISBN 3-596-15363-8.
 Benjamin Lewin: Molekularbiologie der Gene. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-8274-1349-4.

Weblinks 

 vcell.de: Der lange Weg zum Gen: Meilensteine
 
 . Pressemitteilung  Universität Freiburg, 3. September 2008
 Joachim Bauer: swr.de: Aus der Werkstatt der Evolution – Neue Erkenntnisse über die Gene. Vortrag in der SWR-2-Sendereihe Aula, 23. November 2008 (Real Audio ca. 30 Min. – Manuskript ca. sechs Seiten)
 genecards.org: Human Gene Database (englisch)
 Michael Stang: deutschlandfunk.de: Gehackte Gene. Deutschlandfunk, Wissenschaft im Brennpunkt, 3. Oktober 2014. Zum Datenschutz der „genetischen Privatsphäre“

Einzelnachweise 

 
Nukleinsäure