Strukturgen

Strukturgen ist die generelle Bezeichnung für Gene, deren Genprodukte (Proteine oder RNA) keine regulatorischen Aufgaben bei der Genexpression haben. Sie kodieren stattdessen für Strukturproteine und Enzyme. Im Gegensatz zu Strukturgenen codieren Regulatorgene für Transkriptionsfaktoren und Repressoren. Zu den strukturellen Genprodukten gehören Enzyme und Strukturproteine. Ebenfalls von Strukturgenen codiert werden nichtkodierende RNAs, wie rRNAs und tRNAs (jedoch nicht die regulatorischen miRNAs und siRNAs).[1]

Platzierung im Genom

In Prokaryoten liegen Strukturgene mit verwandter Funktion normalerweise auf einem einzigen DNA-Strang nebeneinander und bilden ein Operon. Dies ermöglicht eine einfachere Regulierung der Genexpression, da ein einziger Regulierungsfaktor die Transkription aller verbundenen Gene beeinflussen kann. Dies wird am besten durch das gut untersuchte lac-Operon veranschaulicht, bei dem drei Strukturgene (lacZ, lacY und lacA) alle durch einen einzigen Promotor und einen einzigen Operator[2] reguliert werden.[3]

Bei Eukaryoten sind die Strukturgene nicht sequentiell angeordnet. Jedes Gen besteht stattdessen aus kodierenden Exons und eingestreuten nicht-kodierenden Introns. Regulatorische Sequenzen finden sich in der Regel in nichtcodierenden Regionen vor und hinter dem Gen. Die mRNAs der Strukturgene müssen vor der Übersetzung gespleißt werden, um Intron-Sequenzen zu entfernen. Dies wiederum führt zu dem eukaryotischen Phänomen des alternativen Spleißens, bei dem eine einzige mRNA aus einem einzigen Strukturgen mehrere verschiedene Proteine produzieren kann, je nachdem, welche Exons enthalten sind. Trotz der Komplexität dieses Prozesses wird geschätzt, dass 92–94 % der menschlichen Gene in irgendeiner Weise gespleißt werden.[4] Außerdem treten in verschiedenen Gewebetypen unterschiedliche Spleißmuster auf.[5]

Rolle in menschlichen Erkrankungen

Die Identifizierung der genetischen Grundlage des Erregers einer Krankheit kann ein wichtiger Bestandteil für das Verständnis ihrer Auswirkungen und Verbreitung sein. Ort und Inhalt von Strukturgenen können die Entwicklung der Virulenz[6] aufklären und die für die Behandlung notwendigen Informationen liefern. Ebenso hilft das Verständnis der spezifischen Veränderungen in den strukturellen Gensequenzen, die einer Zunahme oder einem Verlust der Virulenz zugrunde liegen, dabei, den Mechanismus zu verstehen, durch den Krankheiten ihre Wirte beeinflussen.[7]

So wurde beispielsweise festgestellt, dass Yersinia pestis (die Beulenpest) mehrere virulenz- und entzündungsbezogene Strukturgene auf Plasmiden (DNA-Moleküle in Bakterien oder Archaeen) trägt.[8] Es wurde festgestellt, dass das für Tetanus verantwortliche Strukturgen ebenfalls auf einem Plasmid getragen wird.[9] Diphtherie wird durch ein Bakterium verursacht, aber erst nachdem dieses Bakterium von einem Bakteriophagen infiziert worden ist, der die Strukturgene für das Toxin trägt.[10]

Beim Herpes-simplex-Virus wurde die für die Virulenz verantwortliche strukturelle Gensequenz an zwei Stellen im Genom gefunden, obwohl nur eine Stelle tatsächlich das virale Genprodukt produziert.[11] Es wird vermutet, dass dies ein potenzieller Mechanismus ist, mit dem Stämme ihre Virulenz wiedererlangen können, wenn sie sie durch Mutation verloren haben.[10]

Einzelnachweise

  1. ↑ R. R. Brubaker: How the structural gene products of Yersinia pestis relate to virulence. In: Future microbiology. Band 2, Nummer 4, August 2007, S. 377–385, ISSN 1746-0921. doi:10.2217/17460913.2.4.377. PMID 17683274.
  2. ↑ Moisés Santillán, Michael C. Mackey: Quantitative approaches to the study of bistability in the lac operon of Escherichia coli. In: Journal of the Royal Society, Interface. 5 Suppl 1, 6. August 2008, ISSN 1742-5689, S. S29–39, doi:10.1098/rsif.2008.0086.focus, PMID 18426771, PMC 2504340 (freier Volltext).
  3. ↑ Steven L. Roderick: The lac operon galactoside acetyltransferase. In: Comptes Rendus Biologies (= Retour sur l'operon lac). Band 328, Nr. 6, 1. Juni 2005, ISSN 1631-0691, S. 568–575, doi:10.1016/j.crvi.2005.03.005 (sciencedirect.com [abgerufen am 5. August 2022]).
  4. ↑ Eric T. Wang, Rickard Sandberg, Shujun Luo, Irina Khrebtukova, Lu Zhang, Christine Mayr, Stephen F. Kingsmore, Gary P. Schroth, Christopher B. Burge: Alternative isoform regulation in human tissue transcriptomes. In: Nature. 456. Jahrgang, Nr. 7221, 2008, S. 470–476, doi:10.1038/nature07509, PMID 18978772, PMC 2593745 (freier Volltext), bibcode:2008Natur.456..470W.
  5. ↑ Gene Yeo, Dirk Holste, Gabriel Kreiman, Christopher B. Burge: Variation in alternative splicing across human tissues. In: Genome Biology. Band 5, Nr. 10, 13. September 2004, ISSN 1474-760X, S. R74, doi:10.1186/gb-2004-5-10-r74, PMID 15461793, PMC 545594 (freier Volltext).
  6. ↑ Srinand Sreevatsan, Xi Pan, Kathryn E. Stockbauer, Nancy D. Connell, Barry N. Kreiswirth: Restricted structural gene polymorphism in the Mycobacterium tuberculosis complex indicates evolutionarily recent global dissemination. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 94, Nr. 18, 2. September 1997, ISSN 0027-8424, S. 9869–9874, doi:10.1073/pnas.94.18.9869, PMID 9275218, PMC 23284 (freier Volltext) – (pnas.org [abgerufen am 6. August 2022]).
  7. ↑ Payal D. Maharaj, Michael Anishchenko, Stanley A. Langevin, Ying Fang, William K. Reisen: Structural gene (prME) chimeras of St Louis encephalitis virus and West Nile virus exhibit altered in vitro cytopathic and growth phenotypes. In: Journal of General Virology. Band 93, Nr. 1, 1. Januar 2012, ISSN 0022-1317, S. 39–49, doi:10.1099/vir.0.033159-0, PMID 21940408, PMC 3352334 (freier Volltext) – (microbiologyresearch.org [abgerufen am 6. August 2022]).
  8. ↑ Robert R Brubaker: How the structural gene products of Yersinia pestis relate to virulence. In: Future Microbiology. Band 2, Nr. 4, August 2007, ISSN 1746-0913, S. 377–385, doi:10.2217/17460913.2.4.377, PMID 17683274 (futuremedicine.com [abgerufen am 6. August 2022]).
  9. ↑ Charles W. Finn, Richard P. Silver, William H. Habig, M. Carolyn Hardegree, Gerald Zon: The Structural Gene for Tetanus Neurotoxin Is on a Plasmid. In: Science. Band 224, Nr. 4651, 25. Mai 1984, ISSN 0036-8075, S. 881–884, doi:10.1126/science.6326263 (science.org [abgerufen am 6. August 2022]).
  10. ↑ a b L Greenfield, M J Bjorn, G Horn, D Fong, G A Buck: Nucleotide sequence of the structural gene for diphtheria toxin carried by corynebacteriophage beta. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 80, Nr. 22, November 1983, ISSN 0027-8424, S. 6853–6857, doi:10.1073/pnas.80.22.6853, PMID 6316330, PMC 390084 (freier Volltext) – (pnas.org [abgerufen am 6. August 2022]).
  11. ↑ David M. Knipe, William T. Ruyechan, Robert W. Honess, Bernard Roizman: Molecular genetics of herpes simplex virus: The terminal a sequences of the L and S components are obligatorily identical and constitute a part of a structural gene mapping predominantly in the S component. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 76, Nr. 9, September 1979, ISSN 0027-8424, S. 4534–4538, doi:10.1073/pnas.76.9.4534, PMID 228300, PMC 411612 (freier Volltext) – (pnas.org [abgerufen am 6. August 2022]).