Genregulation bei Prokaryoten am Beispiel des Lac-Operons PDF

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Kurze Zusammenfassung der wesentlichen Punkte um einen Überblick über den zu lernenden Stoff zu vermitteln und um diesen dann auf Übungsaufgabe Anwesen zu können....

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Genregulation bei Prokaryoten 1961 endeckten die französischen Forscher F. Jacob und J. L. Monod zwei Mechanismen der Genregulation bei Prokaryoten (E.coli). Das von ihnen entwickelte Operon–Modell zur Regulierung der Genaktivität unterscheidet die Mechanismen der Induktion („Anschalten“ von Genen, Bsp Substratindikation des lac-Operons) und Repression („Abschalten“ von Genen, Bsp. Endproduktrepression des trp-Operons).

Genregulation durch Substratinduktion - Das Lac-Operon Das Disaccharid Lactose (Milchzucker) wird für die E. coli-Zelle nur verfügbar, wenn der menschliche Wirt Milch zu sich nimmt. Das Bakterium kann dann Lactose aufnehmen und sie zur Energiegewinnung und als Quelle organischer Verbindungen für die Biosynthese nutzen. Wenn man E.coli die Wahl lässt, bevorzugt es Glucose als Energiequelle. Die Enzyme für den Glucoseabbau sind immer vorhanden. Die Synthese der Enzyme für den Lactoseabbau wird nur in Anwesenheit von Laktose induziert. Das Disaccharid Lactose wird durch eine Laktase (in E.coli die ß-Galactosidase) in seine beiden Monosaccharidbausteine Glucose und Galactose gespalten. Nur ein paar Moleküle dieses Enzyms sind in E.coli in Abwesenheit von Lactose im Nährmedium vorhanden. Gibt man Lactose in das Nährmedium des Bakteriums, steigt die Zahl der ß-Galactosidase-moleküle in der Zelle innerhalb von 15 min auf das Tausendfache. E.coli besitzt drei Enzyme, um Lactose aufzunehmen und zu verarbeiten. Die Strukturgene dieser Enzyme sind in einer "Arbeitsgemeinschaft", dem so genannten lac-Operon, zusammengefasst. Das Gen lacZ codiert die ß-Galactosidase, welche Lactose in Glucose und Galactose spaltet. lacY codiert eine Permease (ein Membranprotein) die Lactose in die Zelle transportiert. (Ein drittes Gen, lacA, codiert das Enzym Transacetylase, dessen Bedeutung im Lactose-Stoffwechsel noch unklar ist). Die Transkriptionseinheit dieser drei Strukturgene steht unter der Kontrolle eines einzigen Operators und Promotors und wird im Ganzen transkribiert (eine mRNA). Bei der Translation werden getrennte Polypeptide gebildet, da die mRNA durch Start- und Stoppcodons gegliedert ist. Das regulatorische Gen lacI codiert ein Repressorprotein, welches das Lac-Operon abschalten kann, indem es an den Operator bindet und dadurch der RNA-Polymerase den Zugang verwehrt. Der Repressor ist immer aktiv (solange keine Lactose im Nährmedium vorhanden ist) dh. er bindet an den lac-Operator und schaltet so das Lac-Operon ab. Das Gen für den Lac-Repressor (Regulatorgen) grenzt direkt an das Lac -Operon, dies ist eine seltene Ausnahme (Abb 1). Regulatorgene anderer Operons liegen meist in gänzlich anderen Regionen des Genoms. Ein kleines Molekül, der so genannte Induktor (oder Effektor), inaktiviert den Repressor. Für das lacOperon ist der Induktor die Allolactose (ein Isomer der Lactose), das sich in kleinen Mengen aus der Lactose bildet, wenn diese von der Zelle aufgenommen wird.

Abb.1 Repressiver Zustand des Lac-Operons (Normallfall, ohne Lactose im Nährmedium)

Abb.2 Induzierter Zustand des Lac-Operons (wenn Lactose im Nährmedium vorhanden)

In Abwesenheit des Induktors (Allolactose) befindet sich der lac-Repressor in seiner aktiven Form und bindet somit an den Operator des Promotorbereiches, die Strukturgene des lac-Operons sind so abgeschaltet (Abb1). Wenn Lactose als Nährmedium vorliegt, gelangen zunächst kleinen Mengen in das Bakterium , die aufgenommene Allolactose bindet an den lac-Repressor und ändert dessen Konformation, wodurch der Repressor nicht mehr an den Operator binden kann und sich löst. Die RNA-Polymerase hat nun freien Zugang zu den Strukturgenen und kann mit der Transkription beginnen (Abb2). Das lac-Operon produziert als nur bei Bedarf mRNA für die Enzyme des Lactoseabbau-weges. Die an diesem Mechanismus der Genregulation beteiligten Enzyme werden als induzierbar bezeichnet, weil ihre Synthese durch einen Induktor (=Effektor), hier das umzusetzende Substrat selbst, induziert wird. Da das Substrat (hier Lactose/Allolactose), als Induktor fungiert spricht man auch von Genregulation durch Substratindikation.

Genregulation durch Endproduktrepression - das Trp-Operon: E.coli synthetisiert die Aminosäure Tryptophan in mehreren Schritten, wobei jeder einzelne Schritt durch ein spezifisches Enzym katalysiert wird. Die fünf Gene die diese Polypeptide codieren liegen auf dem Chromosom eng beieinander. Ein Promotor kontrolliert all diese Strukturgene gemeinsam, sie bilden somit eine Transkriptionseinheit. Es entsteht ein langes mRNA Transkript, welches die Gene des Trp-Stoffwechsels beinhaltet. E.coli übersetzt dieses Molekül in getrennte Polypeptide, da die mRNA durch Start- und Stoppcodons gegliedert ist. Der Vorteil einer solchen Gruppierung liegt darin, dass sie durch einen einzigen Operator kontrolliert werden kann. Wenn eine Zelle an TryptophanMangel leidet, weil diese Aminosäure nicht in ausreichender Menge im umgebenden Medium vorhanden ist, werden sämtliche für diesen Stoffwechsel benötigten Enzyme gleichzeitig synthetisiert. Der Operator kontrolliert den Zugang der RNA-Polymerase zu den Strukturgenen. Zusammen mit dem Promotor und den Strukturgenen bildet dieser DNA-Abschnitt ein so genanntes Operon. Liegt der Operator frei, kann die RNA-Polymerase an den Promotor binden und die Strukturgene transkribieren. Das Operon wird durch ein Protein abgeschaltet, welches man als Repressor bezeichnet. Der Repressor bindet an den Operator und blockiert dadurch den Zugang der RNA-Polymerase zum Promotor. Die Transkription der Strukturgene kommt dadurch zum Stillstand. Repressorproteine sind spezifisch; sie erkennen und binden nur an den Operator eines bestimmten Operons. Der Repressor ist ein Polypeptid, welches durch das sogenannte Regulatorgen codiert wurde. Das Regulatorgen des Trp-Repressors liegt in einiger Entfernung vom Operon. Die Transkription des Regulatorgens führt zu einer mRNA, die in das Repressorprotein translatiert wird. Der Repressor gelangt dann durch Diffusion zum Trp-Operon. Regulatorische Gene werden zwar mit einer niedrigen, aber kontinuierlichen Rate abgelesen, einige Repressormoleküle befinden sich also immer in der Zelle. Der Repressor des trp-Operons ist zunächst inaktiviert, dh er bindet nicht an den Operator (Abb3), er muss erst durch einen Corepressor aktiviert werden. Der Corepressor ist in diesem Fall das Produkt des Operons, das Tryptophan, selbst. Ist genügend Tryptophan in der Zelle vorhanden, bindet das (überschüssige) Tryptophan an das Repressorprotein und aktiviert dieses. Durch die Konformationsänderung bindet der Repressor nun an den trp-Operator und blockiert die Transkription durch die RNA-Polymerase, es findet keine weitere Tryptophansynthese statt (Abb4). Das Endprodukt des Operons, das Tryptophan, reguliert seine eigene Genaktivität also durch Repression selbst (negative Rückkoppelung). Diese Art von Genregulation wird aus diesem Grund als Genregulation durch Endproduktrepression bezeichnet.

Abb.3 Aktiver Zustand des trp-Operons, da der Repressor inaktiv ist (Normallfall, Tryptophan wird in der Zelle gebraucht und synthetisiert)

Abb.4 Repression des trp-Operons durch aktivierten Repressor (nur wenn mehr als genug Tryptophan (= Corepressor) in der Zelle vorliegt)

Genregulation durch einen Aktivator (positive Genregulation) – lac Operon Um die Enzyme des Lactoseabbaus in ausreichender Menge zu synthetisieren, genügt es nicht, dass genug Lactose in der Bakterienzelle vorhanden ist. Als weitere Voraussetzung dürfen keine Einfachzucker (z.B. Glucose) vorhanden sein. Wenn man E.coli die Wahl für ihre Nahrung gibt, bevorzugt es Glucose. Die Enzyme für den Glucoseabbau sind immer anwesend. Der Weg zum Lactoseabbau wird nur dann effektiv eingeschlagen, wenn keine Glucose im Nährmedium vorhanden ist. Fehlt Glucose wird ein kleines Molekül, zyklisches AMP (cAMP, zyklisches Adenosinmonophosphat), durch das Enzym Adenylat-Cyclase aus ATP synthetisiert (in Anwesenheit von Glucose wird die Adenylat-Cyclase gehemmt, so dass kein cAMP in der Zelle vorliegt). cAMP bindet an eine regulatorische Protein, das cAMP-Rezeptor-Protein (CRP; manchmal auch CAP (catabolic activator Protein) genannt), ein Transkriptions-Aktivator. Wenn cAMP am allosterischen Zentrum des CRP bindet, nimmt das Protein seine aktive Konformation ein und kann nun an einer bestimmte Stelle, am Anfang des Lac -Promotors, binden.

cAMP

Die Bindung des CRP verbiegt die DNA etwas, was es der RNA-Polymerase erleichtert, an den Promotor zu binden und die Transkription des Operons zu starten. Weil CRP ein regulatorisches Protein ist, das die Genexpression direkt stimuliert, ist dieser Prozess eine positive Regulation. Wenn der Glucosespiegel in der Zelle steigt, fällt gleichzeitig die cAMP Konzentration, und ohne cAMP löst sich das CRP vom Operon. Weil das CRP inaktiv ist, geht die Transkription auf ein niedriges Niveau zurück, sogar in Anwesenheit von Lactose.

Das Lac-Operon steht also unter doppelter Kontrolle: der negativen Kontrolle durch den LacRepressor und der positiven Kontrolle durch das CRP....