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Tutorial MenueGenregulation in Eu- und ProkaryontenLerneinheit 1 von 2

Prokaryontische Genregulation

Grundlagen der prokaryontischen Genregulation

Bei allen Lebewesen werden Gene, die zur Aufrechterhaltung der normalen Zellfunktionen benötigt werden (die so genannten housekeeping genes) mit einer in etwa gleich bleibenden Geschwindigkeit transkribiert (konstitutive Genexpression). Häufig muss der Stoffwechsel aber an eine sich schnell verändernde Umwelt angepasst werden - plötzlich ist ein neues, verwertbares Substrat in der Umgebung vorhanden oder eine bisher genutzte Futterquelle versiegt. Prokaryonten sind regelrechte Stoffwechselkünstler, d.h. viele von ihnen können von Atmungsvorgängen in An- oder Abwesenheit von Sauerstoff (Nitrat-Atmung, Fumarat-Atmung) auf verschiedene Gärungsvorgänge umschalten und wählen dabei jeweils den Stoffwechselweg, der unter den gegebenen Bedingungen die höchste Energieausbeute verspricht. Dieses erfordert eine schnelle, präzise Anpassung der Proteinbiosynthese, die hauptsächlich auf der Transkriptionsebene koordiniert reguliert wird. Eine ganze Reihe von intra- und extrazellulären Faktoren kann durch direkte oder indirekte Interaktion mit der DNA die Transkriptionsrate beeinflussen. Für das Verständnis dieser Regulationsvorgänge spielt die Organisation der DNA, die sich in Eu- und Prokaryonten erheblich unterscheidet, eine zentrale Rolle.

Die operonale Organisation der DNA

Regulatorische Proteine fungieren als Vermittler zwischen Umwelt und Proteinbiosynthese. Diese Regulatorproteine binden an DNA-Bereiche in der Nachbarschaft (meistens stromaufwärts) eines Gens oder Operons und beeinflussen die Bindungseigenschaften der RNA-Polymerase. Der Promotor ist eine Basensequenz, die von der RNA-Polymerase erkannt und gebunden wird; hier beginnt also die Transkription. Der Operator ist eine Basensequenz, die zwischen Promotor und den Strukturgenen liegt und die einen Repressor binden kann. Wenn ein Repressor an den Operatorbereich bindet, wird die Transkription durch die RNA-Polymerase verhindert.

Abb.1

P=Promotor, O=Operator, T=Terminationssequenz (schwarz), A, B und C sind Strukturgene.

Definition
Die Einheit von Promotor, Operator und Strukturgen(en) wird als Operon bezeichnet. In den meisten Fällen sind in Prokaryonten die Gene, die einzelne Schritte eines Stoffwechselweges katalysieren, als Operon zusammengefasst. Bei der Transkription dieses Operons wird eine polycistronische mRNA erzeugt, die in die jeweiligen Proteine translatiert wird.

Induktion und Repression

Die Genexpression wird in Prokaryonten hauptsächlich auf der Ebene der Transkription reguliert. Regulatorproteine sorgen dafür, dass Abbauenzyme sofort synthetisiert werden, wenn ein neues Substrat (Lactose, Galactose, Arabinose u.v.a.m.) auftritt und dass die Enzymproduktion eingestellt wird, wenn dieses Substrat nicht mehr verfügbar ist.

Hinweis
Gene, die für den Abbau von bestimmten Substanzen verantwortlich sind, sind in den meisten Fällen induzierbar, d.h. die entspechenden Proteine werden nur gebildet, wenn das Substrat (oder ein früher Metabolit) im Medium vorhanden ist. So stellt das Bakterium sicher, dass diese Proteine nicht unnötig produziert werden.

Anders sieht es aus mit Proteinen, die für anabole Prozesse benötigt werden: Enzyme für die Arginin-, Tryptophan- oder Histidin-Synthese werden nur dann gebildet, wenn diese Aminosäuren nicht aus der Umgebung bezogen werden können. Die Genexpression ist reprimiert, so lange nicht eine Schwellenwert-Konzentration in der Zelle unterschritten wird.

Hinweis
Die Transkription reprimierter Operons wird durch Derepression angeschaltet.

Wie kann eine Information vom Außenmedium zur RNA-Polymerase übertragen werden? Die Information wird häufig über niedermolekulare Verbindungen (Zucker bzw. -derivate, Aminosäuren, Nucleotide) vermittelt. Diese Effektor-Moleküle (die als Induktor oder Co-Repressor wirken können) binden an ein Regulatorprotein, das daraufhin seine Konformation und damit seine Bindungseigenschaften für bestimmte DNA-Bereiche ändert. Bindung oder Nicht-Bindung eines Regulatorproteins an DNA wiederum beeinflusst die Zugänglichkeit der DNA für die RNA-Polymerase und damit die Transkription der entsprechenden Gene. Ein klassisches Beispiel für Induktion und Repression ist die Regulation des lac-Operons in E. coli.

Tab.1
Genregulation in Prokaryonten
Art des OperonsArt der regulatorischen MoleküleBeispiel
Induzierbares Gen bzw. Operon: negative RegulationEin Repressorprotein verhindert normalerweise durch Bindung an den Operator die Transkription. Kommt nun ein Induktor (ein niedermolekulares Molekül) hinzu, bindet dieser an das Repressorprotein und bewirkt, dass der Repressor den Operator verlässt. Nun kommt es zur Transkription.lac-Operon
Induzierbares Gen bzw. Operon: positive RegulationNormalerweise wird dieses Operon nicht transkribiert. Wenn ein Co-Induktor (ein niedermolekulares Molekül) hinzukommt, bindet dieses an ein Apoprotein, das nun seinerseits am Operator binden und die Transkription aktivieren kannmal-Operon
Reprimierbares Gen bzw. Operon: negative RegulationDas Gen bzw. Operon wird normalerweise transkribiert. Kommt ein Co-Repressor (ein niedermolekulares Molekül) hinzu, bindet dieses an den Aporepressor (Protein). Dieser Komplex kann nun den Operator binden und die Transkription verhindern.trp-Operon
Reprimierbares Gen bzw. Operon: positive RegulationDiese Art der Regulation ist zwar denkbar, kommt aber nicht vor.-
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