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Vom Gen zum Protein

Promotor

Der Promotor ist die bei weitem wichtigste Funktion für die Regulation der Genaktivität der Zelle. Schon vor der Beschreibung des ersten Regulationssystems durch Francois Jacob und Jacques Monod (Nobelpreis 1965) war klar, dass die Zelle keinesfalls sämtliche Gene zum selben Zeitpunkt aktiviert, sondern abhängig vom Nahrungsangebot oder anderer Faktoren nur ganz bestimmte Bereiche des Genoms nutzt. Es war auch bereits klar, dass der postulierte Promotor Teil der DNA sein muss, also nicht Teil der RNA oder gar ein Protein sein kann.

Lange bevor man die erste Promotor-Struktur aufklären konnte, war bekannt, dass

  • Bakteriophagen in zwei grundverschiedenen Lebensformen vorkommen.
  • das Heubakterium Bacillus subtilis hitzestabile Sporen ausbilden kann.
  • das menschliche Darmbakterium bestimmte Zucker, wie Lactose, nur dann als Nahrungsquelle verwendet, wenn keine Glucose angeboten wird.

Diese Phänomene führten in den 1970er Jahren zur molekularbiologischen Charakterisierung der ersten Promotoren. Aber statt einer definierten DNA-Sequenz fand man für jeden Promotor eine andere Sequenz. Wirklich gemeinsam hatte alle Promotoren nur ein einziges Thymidin. Das allein konnte natürlich einen regulierbaren Promotor nicht definieren. Erst durch den Vergleich von etwa 50 Promotor-Sequenzen gelang schließlich die Formulierung der so genannten Konsensus-Sequenz (Abb. 1) .

Abb.1

Ganz offenbar sind Promotoren, die stark von der Konsensus-Sequenz abweichen, schwache Promotoren, und umgekehrt. Besonders interessant ist jedoch die Tatsache, dass man die exakte Konsensus-Sequenz bisher nirgendwo gefunden hat. Wird sie aber synthetisch in Zellen eingebracht, dann beobachtet man einen nicht regulierbaren besonders starken Promotor. Das ist jedoch eine Situation, die der Zelle ganz offenbar keinen Nutzen bringt.

Hinweis
Ein zu starker Promotor bindet zu viele Resourcen an sich und lässt sich nicht regulieren. Es werden am Ende Proteine hergestellt, die die Zelle nicht benötigt. In einer Mangelsituation haben diese Zellen erhebliche Nachteile, so dass sie sich in der Evolution nicht durchgesetzt haben. Merke: Lebende Zellen kennen keine Ausbeutemaximierung. Die Zelle optimiert dagegen den Gesamtenergieaufwand.

Struktur des Promotors

Der Promotor deckt einen Bereich von etwa 40 Bp ab. Bei der Beschreibung der Promotorsequenz geht man von der Position des ersten Nucleotids des Transkripts aus, so dass die eigentlichen Promotor-Sequenzen stets negative Positionsziffern tragen. Man spricht von einer –10 Region und einer –35 Region. Die –10 Region hat ihren Namen von der Position der hier hochkonservierten TATA-Sequenz. Die –35 Region ist dagegen deutlich flexibler, da sie die primäre Bindungsstelle für den Startfaktor σ darstellt. Je nach Funktion des Promotors binden ganz unterschiedliche σ-Faktoren an die RNA-Polymerasen.

Regulation am Promotor

Die Regulation der Promotoraktivität kann entweder direkt durch die Aktivierung verschiedener Startfaktoren (σ-Faktoren) oder indirekt durch die Bindung von Repressoren an nachfolgende Operator-Sequenzen erfolgen. Die Regulation über Repressoren entspricht dem klassischen Jacob-Monod-Modell, indem in Abwesenheit eines Substrates die Expression der entsprechenden katabolischen Enzyme auf ein Minimum reduziert wird. Das System wird am Beispiel des lac-Operons speziell vorgestellt. Im Falle der Arabinose wird der Promotor in Gegenwart des Substrats aktiviert. Auch bei Bakteriophagen kennt man eine Promotoraktivierung.

Alle anderen Regulationen am Promotor nutzen die Möglichkeit der Probesynthese. Wenn nach einer gewissen Testphase ein Terminator die Synthese abbricht, werden die nachfolgenden Enzyme von der Zelle nicht benötigt. Wird der Terminator dagegen überlesen, dann kommt es zur Expression der nachfolgenden Gene (Vgl. Abschnitt Attenuation bei der Termination).

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