Gener og kromosomer 3: gener, proteiner og mutationer

Introduktion

Den blå tegning for opbygning og drift af menneskekroppen er gemt i sekvenser af desoxyribonukleinsyre (DNA) kaldet gener. Denne genetiske information bruges til at fremstille proteiner med forskellige funktioner, lige fra strukturelle proteiner, der er afgørende for opbygningen af muskler, knogler og hud, til enzymer, der katalyserer de biokemiske reaktioner, der er afgørende for kroppens overlevelse. Fejl i den menneskelige genetiske kode, som kaldes mutationer, fører nogle gange til produktion af unormale proteiner, der kan forårsage sygdom, herunder autoimmune sygdomme og malignitet.

Proteiner

Proteiner er afgørende for både strukturen og funktionen af menneskekroppen. Disse komplekse makromolekyler er opbygget af byggesten kaldet aminosyrer, som er simple organiske forbindelser, der indeholder en carboxyl- (-COOH) og en aminogruppe (-NH2). Der findes 20 naturligt forekommende aminosyrer (boks 1); andre varianter kan fremstilles syntetisk i laboratoriet.

Aminosyrer

For at kunne fungere effektivt, skal menneskelige celler hele tiden opbygge nye proteiner for at erstatte ældre, beskadigede proteiner. Dette kræver en konstant forsyning af alle 20 aminosyrer. Under fordøjelsen nedbryder mave-tarmkanalen sekventielt de store animalske og vegetabilske proteiner i maden til polypeptider, peptider og til sidst til “frie” aminosyrer, der er i stand til at krydse tarmvæggen for at blive optaget i blodbanen (VanPutte et al., 2017).

Naturligt forekommende aminosyrer (boks 1) er opdelt i to kategorier:

• Essentielle – de ni aminosyrer, som menneskets celler ikke kan syntetisere og derfor skal få direkte fra føden;
• Non-essentielle – de 11 aminosyrer, som menneskets celler kan syntetisere, hvis den direkte tilførsel via kosten er lav.

Denne terminologi kan være forvirrende, da såkaldte ikke-essentielle aminosyrer faktisk er essentielle for opbygning af proteiner; udtrykket bruges blot til at angive, at de ikke skal tilvejebringes via kosten.

Hvis tilstrækkelig ernæring opretholdes gennem en sund og afbalanceret kost, får cellerne de aminosyrer, der er nødvendige for proteinomsætningen. Men dårlig kost, spiseforstyrrelser, visse former for medicin og aldringsprocessen (som kan mindske appetitten) kan alle begrænse tilgængeligheden af aminosyrer via kosten, især de ni essentielle aminosyrer. Dette kompromitterer kroppens evne til at erstatte proteiner, hvilket potentielt kan resultere i muskelspild og sygdom.

Proteinsorter

Proteiner udgør den største organiske komponent i menneskekroppen og udgør ca. 50 % af tørmassen i en typisk menneskelig celle (Radivojac, 2013). De syntetiseres i cellernes cytoplasma, hvor aminosyrer bindes sammen af peptidbindinger for at danne lange forgrenede kæder, der varierer fra nogle få aminosyrer til tusindvis af aminosyrer. Disse aminosyrekæder folder eller snor sig yderligere i de unikke tredimensionelle konfigurationer, som de skal antage for at opfylde deres udpegede roller i kroppen (VanPutte et al, 2017).

Det største aktuelt kendte protein i menneskekroppen er et muskelprotein kaldet titin (eller connectin), som består af omkring 33.000 aminosyrer. Det fungerer som en molekylær fjeder og menes at bidrage til kraften i muskelsammentrækningen (Powers et al., 2014).

Det menneskelige genomprojekt har vist, at mennesker har lige under 20.000 strukturelle gener, der koder for individuelle proteiner. Hvert gen kan imidlertid give anledning til op til 100 varianter af det protein, som det koder for, så der kan være op til to millioner forskellige varianter af proteiner i menneskekroppen (Ponomarenko et al, 2016).

Eksempler på almindelige proteiner omfatter bl.a:

• Actin og myosin – kontraktile proteiner, der findes i muskler;
• Keratin – et tæt protein, der findes i hår, fingernegle og hudens overhud;
• Kollagen – et strukturelt protein til generelle formål (der f.eks. bruges til at opbygge en ramme af brusk og knogler), der kan eksistere i forskellige fibrøse former;
• Proteinholdige hormoner såsom insulin eller glukagon – normalt i korte kæder kaldet peptider, der cirkulerer i blodet og fungerer som kemiske budbringere;
• Kataboliske fordøjelsesenzymer såsom pepsin, trypsin og amylase – disse hjælper med at fordøje og opdele fødevaremakromolekyler til enkle komponenter, som kroppen kan optage;
• Anabolske enzymer såsom DNA-polymerase, ribonukleinsyre (RNA)-polymerase og glykogensyntase – er involveret i opbygningen af DNA-, RNA- og glykogenmolekyler (animalsk stivelse);
• Hæmoglobin – er involveret i transporten af ilt og kuldioxid i røde blodlegemer (erythrocytter);
• Antistoffer, ofte kaldet immunoglobuliner – små Y-formede proteiner, der spiller en afgørende rolle i immunsystemet, idet de binder sig til fremmed materiale og derved mærker det til destruktion;
• Neurotransmittere – små proteiner, der fungerer som kemiske budbringere i nervesystemet (f.eks. stof P);
• Neurotransmitterreceptorer – disse (f.eks. acetylcholinreceptoren) modtager beskeder fra neurotransmittere.

Ribosomer

Proteiner syntetiseres i cellerne af ribosomer, små organeller, der er tæt anbragt og indlejret i det endoplasmatiske retikulum (ER) i cytoplasmaet. ER er et system af fladtrykte, indbyrdes forbundne membraner, og det meste af dets overflade er dækket af ribosomer, hvilket giver det et ru, ujævnt udseende, der har ført til, at området er blevet kendt som det ru ER. Her “oversætter” ribosomer den genetiske kode ved at samle aminosyrer til proteiner (Lewis, 2018).

Ribosomer består for det meste af en specialiseret form for RNA kaldet ribosomalt RNA (rRNA), som stabiliseres af små mængder protein, der også er med til at samle selve ribosomerne (De la Cruz et al, 2015). I en enkelt menneskelig celle kan tusindvis af ribosomer være aktivt i gang med at konstruere proteiner på et hvilket som helst tidspunkt.

Fra gener til proteiner

Strukturelle gener indeholder sekvenser af DNA, der bestemmer sekvenserne af aminosyrer i proteiner. Kontrolgener (eller regulerende gener) styrer, hvilke strukturelle gener der udtrykkes (“tændes”) i et givet væv.

Anvendelse af den genetiske information, der er indeholdt i DNA, til at opbygge proteiner, omfatter et par forskellige trin:

• Transskription;
• Post-transskriptionel modifikation;
• Translation;
• Post-translationelle modifikationer.

Transskription

Den genetiske information, der er lagret i cellens kerne, skal overføres til ribosomerne i cytoplasmaet. Inde i cellens kerne findes DNA i form af enorme dobbeltspiraler. DNA-molekyler er for store til at blive sendt direkte videre til ribosomerne, så den genetiske information, der er lagret i DNA, skal kopieres til et mindre, mere mobilt medium – denne proces kaldes transkription.

Ved transkriptionen kopieres en gensekvens, der koder for et protein, fra dobbeltstrenget DNA til enkeltstrenget RNA (fig. 1). Enkeltstrengede RNA-molekyler er meget mindre end DNA-molekyler og kan derfor bevæge sig gennem de små porer i kernemembranen. RNA-molekylets rolle vil være at levere proteinopbygningsinstruktioner til et ribosom. Da denne form for RNA bærer information over fra kernen til cytoplasmaet, kaldes det messenger RNA (mRNA).

Lige DNA er RNA opbygget af nukleotidbaser, men i modsætning til DNA har det ingen thyminbase. I RNA er thymin erstattet af en anden nukleotidbase kaldet uracil. Reglerne for baseparring i transkription adskiller sig derfor en smule fra reglerne for baseparring i DNA-replikation (boks 2).

DNA-transkriptionsprocessen ligner meget den, der foregår ved DNA-replikation (se del 2), og omfatter følgende trin:

• Enzymet RNA-polymerase binder sig til begyndelsen af DNA-gensekvensen (også kaldet promotorsekvensen);
• RNA-polymerase afvikler en lille del af DNA-dobbeltspiralen for at gøre den enkeltstrenget (en proces, der ofte beskrives som svarende til at åbne en lynlås) – det lille område med afviklet enkeltstrenget DNA kaldes en transkriptionsboble (VanPutte et al, 2017);
• Kun en af de udsatte DNA-strenge indeholder nyttig information til konstruktion af et protein – denne streng bruges som skabelon til transkription;
• RNA-polymerase syntetiserer en komplementær mRNA-streng ved hjælp af transkriptionens baseparringsregler.

Kasse 3 viser et eksempel på transkription.

Post-transkriptionelle modifikationer

Det er ikke alle oplysninger, der er kodet i mRNA-strengene, der er nyttige til konstruktion af et protein. En nytransskriberet RNA-streng består af to elementer:

• Exons – sekvenser med vigtig information til opbygning af et protein, der har den korrekte sekvens af aminosyrer;
• Introner – sekvenser, der afbryder de sekvenser, der koder exonerne, og som normalt ikke indeholder nyttig information til opbygning af et protein. Tidligere blev introner betragtet som junk-sekvenser, men man mener nu, at de spiller en rolle i reguleringen af genekspressionen (Chorev og Carmel, 2012)

Intronerne skal skæres ud, og exonerne skal splejses sammen for at danne en sammenhængende “high-fidelity” mRNA-sekvens: Denne skæring og splejsning – kaldet post-transkriptionel modifikation – foretages af enzymer i kernen. Processen er vist i fig. 2.

Naturen af den genetiske kode

Den genetiske kode er en triplet af tre kvælstofbaser, der koder for en aminosyre. Da der findes 20 naturligt forekommende aminosyrer, giver tre baser mulighed for, at hver aminosyre kan være repræsenteret af en tripletkode (og nogle er repræsenteret mere end én gang). Tripletkoden gør det også muligt at indkode “start- og stop”-instruktioner i mRNA-strengen, så ribosomerne ved, hvornår de skal begynde og afslutte opbygningen af et protein.

Hvert forløb af tre baser (tripletkode) på en mRNA-streng kaldes et kodon. Det første codon på en mRNA-streng er altid “start”-codonet – kaldet AUG – som instruerer ribosomet til at påbegynde proteinsyntesen. Da AUG også koder for aminosyren methionin, er methionin den første aminosyre, der inkorporeres i et protein – hvis den faktisk ikke er nødvendig, vil den blive fjernet senere (Xiao et al, 2010).

Aminosyrerne selv leveres til ribosomerne af transfer RNA (tRNA)-molekyler. Et unikt tRNA-molekyle svarer til hver aminosyre, og hvert tRNA-molekyle har sin egen unikke tripletkode, som svarer til et kodon på mRNA-strengen. Disse tRNA-sekvenser supplerer mRNA-kodonerne og kaldes derfor anticodoner (VanPutte et al, 2017).

Translation

Efter transkription og posttransskriptionel modifikation dannes en moden, ubrudt sekvens af mRNA. Når denne sekvens kommer ind i cytoplasmaet, knytter den sig til et ribosom og kan derefter bruges til proteinsyntese i en proces kaldet translation.

DNA-oversættelse (fig. 3) foregår i en række trin:

• En streng af modent mRNA knyttes til et ribosom;
• Tre baser på mRNA-strengen (kodon) eksponeres på ribosomet – f.eks. AUG (startkodonet, som også koder for methionin);
• Et tRNA-molekyle ankommer til ribosomet, tilpasser sit anticodon til kodonet på mRNA-strengen og leverer den tilsvarende aminosyre – f.eks. for “start”-kodonet AUG leverer det tilsvarende anticodon UAC methionin;
• MRNA-strengen bevæger sig langs ribosomet med tre baser og blotlægger det næste codon, hvorefter det næste tRNA-molekyle ankommer med sit komplementære anticodon og leverer endnu en aminosyre;
• Peptidbindinger dannes mellem hver tilstødende aminosyre, og en proteinkæde begynder at blive dannet;
• MRNA-strengen fortsætter med at bevæge sig langs ribosomet med tre baser ad gangen og blotlægger hvert codon på skift. tRNA-molekylerne med de tilsvarende anticodoner fortsætter med at levere aminosyrer, peptidbindinger fortsætter med at blive dannet, og proteinkæden fortsætter med at blive længere;
• Eventuelt nås et “stop”-kodon (UAA, UAG eller UGA) for enden af mRNA-strengen, og proteinsyntesen stoppes – DNA-oversættelsesprocessen har skabt et ubearbejdet protein.

Posttranslationelle modifikationer

Det råprotein skal normalt modificeres, før det kan antage sin endelige 3D-konfiguration og begynde at udføre sin funktion i kroppen. Disse modifikationer sker i cytoplasmaet i en organel kaldet Golgi-apparatet (også kendt som Golgi-legemet eller blot Golgi), som ofte beskrives som cellens “pakke- og eksportområde”.

Proteiner gennemgår posttranslationelle modifikationer på følgende måde:

• Den rå udgave af proteinet pakkes ind i en lille membranbunden sæk, transfervesiklen;
• Transfervesiklen forlader det grove ER og vandrer til Golgi-apparatet;
• I Golgi-apparatet raffineres det rå protein, hvilket ofte indebærer tilføjelse af sukkerrester til kæden af aminosyrer via glykosylering (Huang og Wang, 2017) – mange proteiner i menneskekroppen er faktisk glykoproteiner (proteiner med tilsat sukker);
• Det raffinerede protein forlader Golgi-apparatet og bruges enten i cellen eller pakkes ind i en sekretorisk vesikel for at blive eksporteret;
• Proteiner, der er designet til at blive eksporteret, udledes fra cellen, når deres sekretoriske vesikel smelter sammen med plasmamembranen.

Exporterede proteiner kan enten anvendes lokalt i et væv eller transporteres til fjerntliggende områder af kroppen med blodet. For eksempel frigives hormonet insulin, der syntetiseres i betacellerne i bugspytkirtlen, direkte i kredsløbet, når blodglukoseniveauet stiger. Det fungerer derefter som et kemisk budskab, der binder sig til receptorer (som selv er proteiner) på mange menneskelige celler og instruerer dem i at optage glukose, hvorved glukosekoncentrationen i blodet normaliseres.

Mutationer

For at kunne fungere korrekt skal proteinerne have den korrekte sekvens af aminosyrer, hvilket i sidste ende afhænger af, at den genetiske kode forbliver konstant. Der er imidlertid så mange nukleotidbaser i det menneskelige genom (ca. tre milliarder basepar), at der uvægerligt opstår fejl. Sådanne fejl kaldes mutationer og kan føre til produktion af proteiner, som måske ikke fungerer korrekt. Unormale proteiner er forbundet med en række sygdomme, herunder visse former for autoimmune sygdomme og malignitet.

Genetiske mutationer kan opstå tilfældigt efter fejl i DNA-replikationen (beskrevet i del 1 i denne serie), især når kroppen ældes; alternativt kan de være forårsaget af miljømæssige faktorer, der direkte beskadiger DNA-molekyler. Alt, der kan beskadige DNA og føre til mutation, kaldes et mutagen (VanPutte et al., 2017). Mange genetiske mutationer forekommer i dele af DNA, der ikke koder for proteiner (f.eks. i de ikke-kodende introner), så de har normalt kun ringe indvirkning på den fysiologiske funktion.

Faktorer, der er kendt for at beskadige DNA og dermed øge risikoen for mutation, omfatter:

• Højere alder;
• Forurenende stoffer;
• Infektioner – især virusinfektioner, da virus ofte indsætter deres gener i menneskers DNA, hvilket potentielt kan afbryde gensekvenser;
• Stråling – f.eks. ultraviolet (UV) lys fra solen eller røntgenstråler fra medicinsk billeddannelse.

UV-lys fra solen (især UVB) er kendt for at skade DNA i hudceller. Hvis der opstår mutationer i de kontrolgener, der regulerer celledelingen, eller i de gener, der koder for DNA-reparationsenzymer, kan resultatet være ukontrolleret celledeling og hudkræft (Hopkins, 2015). Selv om den menneskelige hud, der udsættes for sollys, producerer sin egen naturlige UV-beskyttelse i form af melanin (det mørke pigment, der bruner huden), kan nedbrydning af ozonlaget og for lang tids ophold i solen føre til skadelige doser af UV-stråling, der øger risikoen for hudkræft. Solcreme giver bedre UV-beskyttelse og har vist sig at reducere UV-inducerede hudskader og hudkræft betydeligt (Green og Williams, 2007).

Mutationer som dem, der forårsages af UV-stråling på DNA i huden, går normalt ikke i arv fra generation til generation. Men når mutationer påvirker kønscellerne i testiklerne og æggestokkene, kan de nedarves til afkommet. Der er blevet rapporteret om over 100 000 mutationer i menneskelige kønsceller, hvoraf mange er forbundet med almindelige arvelige genetiske sygdomme (Vipond, 2013; Cooper et al., 2010). Nogle af disse vil blive udforsket i den fjerde og sidste artikel i denne serie.