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Tutorial MenueVom Gen zum Protein - eine EinführungLerneinheit 3 von 3

Einführung in die Genexpression

Die Regulation der Genexpression über Induktion und Repression

Bakterien sind echte Stoffwechselkünstler, sie können sehr viele verschiedene Substrate für ihren Stoffwechsel verwerten. Bakterien müssen aber auch mit ihren Ressourcen haushalten, d.h. sie bilden diese Aufnahme- und Abbauenzyme nur dann, wenn sie wirklich benötigt werden und das entsprechende Substrat auch im Medium vorhanden ist. Die Genexpression wird in Bakterien hauptsächlich über die Transkription reguliert. Sobald in der Umgebung des Bakteriums ein neues, verwertbares Substrat auftaucht, sorgen Regulatorproteine dafür, dass die Genexpression angeschaltet, d.h. induziert wird. Ein Genexpression-induzierendes Regulatorprotein wird als Induktor bezeichnet.

Ähnlich sieht es aus mit Proteinen, die für aufbauende Prozesse benötigt werden. Die Enzyme für die Arginin-, Tryptophan- oder Histidin-Synthese werden nur dann gebildet, wenn diese Aminosäuren nicht aus der Umgebung bezogen werden können. Die Genexpression wird durch ein Repressor-Protein unterbunden, d.h. reprimiert, so lange nicht eine Schwellenwert-Konzentration in der Zelle unterschritten und damit ein Mangel an dieser Aminosäure angezeigt wird. Ein Genexpression-reprimierendes Regulatorprotein wird auch als Repressor bezeichnet.

Definition
Ein Repressor verhindert die Bindung der RNA-Polymerase an die DNA, während ein Induktor die Bindung der Polymerase fördert.

Der molekulare Hintergrund

Auf molekularer Ebene kann man sich die Regulation der Genexpression so vorstellen, dass im Promotorbereich der Gene oder Operons DNA-Sequenzen vorkommen, an die regulatorische Proteine binden können - der Operator. Die Bindung eines Proteins im Operator-Bereich beeinflusst die Bindung der RNA-Polymerase, die hier mit der Transkription beginnt. Ein klassisches Beispiel für Induktion und Repression ist die Regulation des lac-Operons in E. coli.

Abb.1
Das lac-Operon und seine Kontrollelemente

Die Expression der drei Gene des Operons (lacZ, lacY und lacA) beginnt am Promotor (P) und wird durch die Bindung des Repressorproteins (I) am Operator (O) verhindert. CAP: Bindungsstelle für einen Aktivator, das Katabolit-Repressorprotein. Das Resultat ist eine so genannte polycistronische mRNA, die am Ribosom in die drei Proteine umgeschrieben wird (unterer Teil der Abbildung). Das Ribosom erkennt die Start- und Stoppsignale auf der mRNA, so dass nacheinander die drei verschiedenen Proteine aus einer mRNA synthetisiert werden können.

Woher weiß nun eine Zelle, ob in der Umgebung ein neues Substrat aufgetreten ist; wie kann die Zelle die Konzentration einer Aminosäure im Zellinneren messen? Informationen werden häufig über die Bindung von niedermolekularen Molekülen (Zuckerderivate, Aminosäuren, Nucleotide) an die Regulatorproteine vermittelt, die daraufhin ihre Gestalt geringfügig verändern und nun entweder besonders gut oder gar nicht mehr an die DNA binden können. Fast alle veränderlichen Eigenschaften von Proteinen werden über solche Gestaltwechsel erreicht, die auch als Konformationsänderungen bezeichnet werden.

Tab.1
Möglichkeiten der Regulation
RegulatorproteinMechanismusWirkung auf PolymeraseWirkung auf Genexpression
Induktorbindet an den PromotorBindung der Polymerase wird gefördert Induktion: verstärkte Genexpression
Repressorbindet an den PromotorBindung der Polymerase wird verhindertRepression: Genexpression wird abgeschaltet
Co-Repressorniedermolekulares Molekül verändert den Repressor durch Bindung so, dass der Repressor nicht mehr an den Promotor binden kannDNA ist wieder für die Polymerase zugänglichDerepression: Genexpression wird wieder angeschaltet
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