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Beispiele für die genetische Regulation der Enzymaktivität

Das lac-Operon

Das lac-Operon ist das Paradebeispiel für eine Regulation der Genexpression. Es besteht aus einer festgelegten Aufeinanderfolge von regulatorischen Genen und Strukturgenen - dem Operon -, deren Zusammenspiel zur Induktion oder Inhibition der Expression der Strukturgene führt. Diese Regulation sieht im Überblick so aus: Wird viel Substrat (Lactose) produziert, so findet eine verstärkte Transkription und Translation Substrat-abbauender Enzyme (beispielsweise der β-Galactosidase) statt, wodurch eine Ansammlung von Substrat in der Zelle verhindert wird. Genau genommen handelt es sich also um eine typische Substratinduktion, wie sie auch bei der klassischen Enzymregulation vorkommt.

Neben der β-Galactosidase (das zugehörige Gen erhält die Bezeichnung lacZ) wird außerdem die Synthese zweier anderer Enzyme induziert: der Lactopermease (= lacY) und der Transacetylase (= lacA). Bei der Lactose-Permease handelt es sich um ein integrales Membranprotein, das für den Transport der Lactose in das Cytoplasma verantwortlich ist. Die Transacetylase katalysiert die Acetylierung von Thiogalactosiden an der C6-Hydroxyl-Gruppe. Diese drei Gene - Z, Y, A - befinden sich hintereinander auf der DNA und werden gemeinsam in Form einer langen polygenen mRNA transkribiert. Die schematische Abfolge von Promotor (lacP), Operator ( lacO) und den Strukturgenen Z, Y, A des lac-Operons ist also: P - O - Z - Y - A.

Abb.1
3D-Animation über das Lac-Operon
© Wiley-VCH

Regulation

Typisch für die Substratinduktion ist ein so genannter Induktor, der die Transkription der Strukturgene induziert. Beim lac -Operon erfolgt die Transkription normalerweise nur in Anwesenheit von Lactose als Induktor. Entdeckt wurde die Wirkungsweise eines solchen Induktors im Jahr 1959 von Perdee, Jacob und Monod (auch Jacob-Monod-Modell genannt).

Die Forscher entdeckten eine E. coli-Mutante (die (i) - Mutante), die auch in Abwesenheit des Induktors maximale Mengen an β-Galactosidase, Permease und Transacetylase produziert. Das für diese Eigenschaft verantwortliche Gen, das lac-I-Gen wurde an einer Stelle nahe vor dem Abschnitt mit den drei Strukturgenen Z, Y, A lokalisiert. Das lac-I-Gen stellt bei der (i) - Mutation kein Genprodukt her; in nicht-mutierten Zellen ist es dagegen für die Expression eines Genproduktes verantwortlich, das die Genaktivität des lac-Operons auf dem Chromosom reguliert. Es stellte sich heraus, dass das lac-I-Genprodukt ein Repressor ist, der im Cytoplasma der Zelle ungehindert diffundieren kann. In Abwesenheit von Lactose bindet der Repressor an ein Stück der DNA vor der Genfolge Z, Y, A und verhindert dadurch deren Transkription (ein Beispiel für die wirtschaftliche Arbeitsweise der Zelle: Ist keine Lactose vorhanden, werden auch keine Lactose-abbauenden Enzyme benötigt; deren Genexpression wird daher abgestellt).

Anders sieht die Situation aus, wenn ein Induktor vorhanden ist. Wie bereits erwähnt wurde, wirkt im Falle des lac-Operons die Lactose, oder vielmehr die Allolactose, die von β-Galactosidase aus Lactose gebildet werden kann, als Induktor. Wenn in ausreichender Menge vorhanden, bindet die Allolactose an das Repressorprotein und bewirkt über eine Konformationsänderung dessen Inaktivierung. Der Repressor fällt von der DNA ab und der Promotor wird für die Transkription des Genabschnitts Z, Y, A freigegeben.

Zusätzlich wird das lac-Operon positiv durch die Beeinflussung der Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor reguliert. Dies geschieht durch cAMP: Wird das cAMP vom cAMP-Rezeptor-Protein (CAP) gebunden, so lagert sich dieser Komplex an die Polymerase-Bindungsstelle an und stimuliert dadurch die Polymerase-Bindung und die Transkriptionsrate. cAMP wird allerdings nur dann gebildet, wenn die Zelle Lactose zur Verfügung hat.

Hinweis
Das lac-Operon ist ein Beispiel für die negative Kontrolle eines Gens, denn das Produkt eines Regulatorgens wird benötigt, um die lac-Gene abzuschalten. Ein Beispiel für positive Kontrolle eines Gens ist das Arabinose-Operon, bei dem das Regulator-Genprodukt die Expression von Strukturgenen anschaltet.

Weitere Informationen

TATA-Box-Bindungsprotein

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