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Vom Gen zum Protein

Das lac-Operon

Bakterien wie E. coli können eine ganze Reihe verschiedener Zucker metabolisieren. Das lac-Operon codiert Proteine, die für den Abbau des Zuckers Lactose in E. coli verantwortlich sind. Lactose ist ein Disaccharid, das aus β-D-Galactose und α-D-Glucose zusammengesetzt ist. Sie kann mit Hilfe einer Permease (LacY) in die bakterielle Zelle gelangen und dort von der β-Galactosidase (LacZ) gespalten werden. Die Transacetylase (LacA) ist am Abbau verwandter Zuckerverbindungen beteiligt. Die Regulation dieser Gene ist ein sehr typisches Beispiel dafür, wie negative und positive Kontrolle (Induktion und Repression) die Expression der Strukturgene beeinflussen kann: wenn keine Lactose in der Umgebung des Bakteriums vorhanden ist, ist das lac-Operon abgeschaltet (reprimiert). In Gegenwart von Lactose wird das lac-Operon dereprimiert, es sei denn, dass gleichzeitig Glucose verfügbar ist. In diesem Fall wird erst die Glucose abgebaut, bevor die Proteine für den Lactose-Abbau synthetisiert werden.

Der Aufbau des lac-Operons entspricht dem Aufbau vieler prokaryontischer Operons aus Promotor (= RNA-Polymerase-Bindungsstelle), Operator (= Bindungsstelle für regulatorische Proteine) und den Strukturgenen für die β-Galactosidase, die Permease und die Transacetylase. Stromaufwärts des lac-Promotors liegt lacI, das Gen für den Lac-Repressor, das einen eigenen Promotor hat. In Abwesenheit von Lactose bindet der Lac-Repressor an den Operatorbereich O und verhindert die Expression der Strukturgene.

© Wiley-VCH

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

Induktion des lac-Operons (negative Kontrolle) in Gegenwart von Lactose

Definition
Negative Kontrolle bedeutet, dass das lac -Operon nur dann transkribiert wird, wenn der Lac-Repressor vom Operator dissoziiert. Im reprimierten Zustand verhindert der Lac-Repressor, dass die RNA-Polymerase an die DNA binden und die Transkription initiieren kann.
Abb.1
Isopropyl-β-thiogalactosid (IPTG)

Lactose (oder genauer gesagt das Isomer Allolactose, das aus der Lactose entsteht) ist ein Induktor, der an den Lac-Repressor bindet. Der Repressor fällt nun vom Operatorbereich der DNA ab, so dass nun der Promotorbereich für die RNA-Polymerase zugänglich wird. Als nicht-metabolisierbarer Induktor wird in der Gentechnologie Isopropyl-β-thiogalactosid (IPTG) verwendet.

Positive Kontrolle des lac-Operons: die Katabolit-Repression

Wie oben schon erwähnt, wird die Expression des lac-Operons noch von einem weiteren Faktor reguliert, der Glucose-Konzentration in der Zelle. Glucose ist ein Zucker, dessen Metabolisierung eine höhere Energieausbeute liefert als die Metabolisierung von Lactose.

So lange Glucose verfügbar ist, werden die Gene für den Lactose-Abbau reprimiert. Auf der Regulationsebene bedeutet das: die Transkription am lac-Operon erfolgt nur, wenn das CRP (cyclic AMP repressor protein), das auch CAP (catabolit activator protein) genannt wird, am Operator bindet. Dieses Protein bindet nur, wenn die Glucose-Konzentration in der Zelle gering ist. Diese Regulation wird positive Kontrolle genannt.

Worauf beruht nun dieser Effekt? Das CRP benötigt cAMP, um an die DNA binden zu können, und dieses cAMP wird durch die membrangebundene Adenylat-Cyclase synthetisiert. In Abhängigkeit von der Menge an Glucose, die das ebenfalls membrangebundene HPr-System transportiert, ist auch die Aktivität der Adenylat-Cyclase reguliert. Je weniger Zucker transportiert (d.h. desto weniger ATP verbraucht) wird, desto aktiver ist dieses Enzym und desto mehr cAMP wird gebildet. Diese Art der Kontrolle, die auch bei anderen induzierbaren Abbauwegen, wie für Arabinose, Galactose, Sorbit oder Glycerol, realisiert ist, wird auch als Katabolit-Repression bezeichnet.

Vielen induzierbare Operons mit positiver Kontrolle werden durch das CAP induziert. CAP bindet stromaufwärts der RNA-Polymerase-Erkennungsstelle (-35-Box) und erleichtert der Polymerase den Zugang zur DNA.

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