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Einführung in die Genexpression

Das lac-Operon

Bakterien wie E. coli können eine ganze Reihe verschiedener Zucker verwerten. Das lac-Operon codiert Proteine, die für den Abbau des Zuckers Lactose verantwortlich sind. Lactose kann mit Hilfe einer Permease (LacY) in die bakterielle Zelle gelangen und wird dort von dem Enzym β-Galactosidase (LacZ) in die beiden Zucker Glucose und Galactose gespalten. Die Transacetylase (LacA) ist am Abbau verwandter Zuckerverbindungen beteiligt.

Die Regulation des lac-Operons ist ein typisches Beispiel dafür, wie Induktion und Repression die Expression der Gene beeinflussen kann: Wenn keine Lactose in der Umgebung des Bakteriums vorhanden ist, ist das lac-Operon abgeschaltet (reprimiert). Der Lac-Repressor verhindert, dass die RNA-Polymerase an die DNA binden und die Transkription initiieren kann. In Gegenwart von Lactose wird die Repression des lac-Operons aufgehoben. Lactose (oder genauer gesagt das Isomer Allolactose, das aus der Lactose entsteht) ist ein Induktor, der an den Lac-Repressor bindet. Der Repressor ändert seine Konformation und bindet nun nicht mehr an die DNA, so dass nun der Promotorbereich für die RNA-Polymerase zugänglich ist.

Der Aufbau des lac-Operons entspricht dem Aufbau vieler prokaryontischer Operons aus Promotor (= RNA-Polymerase-Bindungsstelle), Operator (= Bindungsstelle für regulatorische Proteine) und den Genen für die β-Galactosidase, die Permease und die Transacetylase. Direkt vor dem Promotor liegt noch das lacI-Gen, das für den Lac-Repressor codiert. In Abwesenheit von Lactose bindet der Lac-Repressor an den Operatorbereich O und verhindert die Expression der drei Gene.

3D-Animation über das Lac-Operon
© Wiley-VCH

P=Promotor, O=Operator, schwarz: Terminationssignal. Strukturgene: lacZ (β-Galactosidase), lacY (Permease), lacA (Transacetylase) und lacI (Lac-Repressor).

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