Folien_Prot_DNS engl QX - Kantonsschule Kreuzlingen

Regulation der Genaktivität
Je nach Zelltyp und je nach Bedarf werden die Gene einer
Zelle selektiv an- bzw. abgeschaltet. Diese Regulation der
Genexpression (d.h. der Umsetzung von genetischer
Information in Proteine) kann auf verschiedene Art und
Weise erfolgen. Im Folgenden befassen wir uns beispielhaft mit der Kontrolle der Transkription.
Hier betrachten wir die Regulation der Enzymproduktion für den Abbau von Laktose (Milchzucker) im
Bakterium Escherichia coli (abgekürzt E. coli). Dieses
Beispiel war schon Anfang der 1960er Jahre umfassend
aufgeklärt. Die Franzosen Francois Jacob und Jacques
Monod erhielten 1965 den Medizin-Nobelpreis dafür.
Zur Erinnerung: Die «Kopiermaschine» RNA-Polymerase gleitet an der DNA entlang, und wenn sie auf einen offenen
Promotor trifft, fängt sie an die DNA bis zur nächsten Terminatorsequenz zu RNA zu kopieren. In einer typischen
Bakterienzelle gibt es ca. 3000 RNA-Polymerase-Moleküle.
Promotoren sind DNA-Sequenzen von knapp 50 Nukleotiden, die sich aber in der Nukleotidfolge unterscheiden
können. Je nach Zusammensetzung sind Promotoren mehr
oder weniger attraktiv für eine RNA-Polymerase. Dies
führt dazu, dass weniger attraktive Promotoren bis zu
1000-mal seltener transkribiert werden als attraktive.
Auf dieser Basis sind zwei Möglichkeiten denkbar, wie
regulatorische Proteine die Transkription beeinflussen:
1. Ein Promotor wird durch Bindung eines Repressormoleküls (ein Protein) für die RNA-Polymerase sozusagen «unsichtbar» gemacht.
2. Ein schwacher Promotor wird durch Bindung eines sogenannten Transkriptionsfaktors (ein Protein) für die
RNA-Polymerase attraktiver, wodurch das nachfolgende DNA-Stück häufiger transkribiert wird.
Vorinformation 1
Das Bakterium E. coli, ein normaler Bewohner unseres Darms, ernährt sich bevorzugt von Glukose. Falls keine Glukose
verfügbar ist, werden auch andere Zuckerarten metabolisiert, z.B. Laktose, ein Disaccharid. Dafür werden drei Proteine
benötigt: (1) Permease transportiert Laktose ins Innere des Bakteriums, (2) β-Galaktosidase spaltet Laktose in die
Monosaccharide Glukose und Galaktose, und (3) Transacetylase, deren Funktion noch nicht eindeutig geklärt ist.
Vorinformation 2
Bei Prokaryoten sind Gene von zusammengehörenden Proteinen oft hintereinander angeordnet und sie besitzen einen
gemeinsamen Promotor und Terminator. Unmittelbar an den Promotor schliesst oft noch ein sogenannter Operator an,
d.h. eine DNA-Sequenz an die die oben genannten regulatorischen Proteine binden können. Das gesamte DNA-Stück,
d.h. Promotor/Operator, Strukturgene (= Baupläne für Proteine) und Terminator nennt man Operon.
Das Operon zur Herstellung der drei Proteine, die den Laktose-Abbau einleiten heisst lac-Operon.
Das Gen des Repressors sitzt
unmittelbar vor dem lac-Operon.
Ist Laktose vorhanden, bindet
diese an den Repressor, der
dadurch in seiner Struktur verändert wird. Daraufhin löst sich der
Repressor vom Operator, der
Promotor wird freigegeben, die
RNA-Polymerase transkribiert
das Operon. Die entstehende
mRNA wird translatiert, wobei die
drei Proteine hergestellt werden.
Kantonsschule Kreuzlingen, Dr. Klaus Hensler
Folien_Prot_DNS engl QX, März 2009
In Abwesenheit von Glukose wird
der schwache Promotor des lacOperon durch das CRP Protein so
verändert, dass er erheblich attraktiver für die RNA-Polymerase wird.
Es wird viel mRNA und somit viel
Enzym zur Verarbeitung von
Laktose hergestellt.
Dies ist aber nur dann möglich,
wenn CRP durch die Anwesenheit
von genügend cAMP (cyclisches
AMP) so in seiner Struktur verändert wird, dass es an die DNA
binden kann.
In Anwesenheit von Glucose sinkt
der cAMP-Spiegel, das CRP fällt
von der DNA ab, der Promotor wird
für die RNA-Polymerase wieder
unattraktiv, d.h. es gibt weniger
Enzyme zur Verarbeitung von
Laktose.
Fazit
E. coli reagiert auf die folgenden Situationen unterschiedlich:
– Ist keine Laktose verfügbar werden die Strukturgene des lac-Operon nicht exprimiert.
– Ist Laktose verfügbar aber keine Glukose werden die Strukturgene des lac-Operon stark exprimiert
– Sind Laktose und Glukose verfügbar werden die Strukturgene des lac-Operon nur schwach exprimiert, weil die
leichter abbaubare Glukose bevorzugt wird.
Durch diese Regulationsmechanismen kann sich das Bakterium optimal an die jeweils herrschenden Bedingungen
anpassen.
Kantonsschule Kreuzlingen, Dr. Klaus Hensler
Folien_Prot_DNS engl QX, April 2008