Die Genregulation ist für das Bestehen von Bakterien und Archaeen in ihrer Umwelt überlebenswichtig. Sie ermöglicht es Prokaryoten, auf Veränderungen innerhalb ihres Lebensraumes zu reagieren, indem die Proteinbiosynthese gesteuert wird.
Die Genregulation kann also als ein ablaufendes Effizienzprogramm der Zelle verstanden werden, das die Über- oder Unterproduktion benötigter Proteine verhindert.
Genregulation und Prokaryoten – Definition
Nachdem Du bereits einen kurzen Einblick erhalten hast, warum die Genregulation abläuft, lernst Du nun entscheidende Definitionen kennen.
Unter dem Begriff der Genregulation versteht man die Steuerung der Genaktivität. Das bedeutet, dass die Häufigkeit, mit der Gene abgelesen (transkribiert) werden, erhöht oder verringert werden kann.
Prokaryoten sind Organismen. Einen groben Überblick über den Aufbau von Prokaryoten findest Du in Abbildung 1.
Prokaryoten sind Lebewesen, die keinen echten Zellkern besitzen. Es handelt sich dabei um Mikroorganismen wie Bakterien und Archaeen. Ihre Erbinformation liegt frei im Cytoplasma vor.
Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung des Aufbaus eines Prokaryoten. Das Cytoplasma ist in blauer Farbe dargestellt.
Transkription bei Prokaryoten
Die Transkription ist der erste Schritt der Proteinbiosynthese. Die DNA wird darin durch eine RNA-Polymerase in RNA übersetzt.
Anschließend wird die RNA an den Ribosomen in eine Aminosäuresequenz umgewandelt (Translation), aus der wiederum Proteine gefaltet werden. Die Transkription der Prokaryoten kann wie die der Eukaryoten in drei Schritte eingeteilt werden:
- Initiation
- Elongation
- Termination
Die RNA-Polymerase ist dabei das Schlüsselenzym. Sie besteht aus zwei Teilen: dem Core-Polymerase-Proteinkomplex und einem Sigma-Faktor. Zellen besitzen viele verschiedene Sigma-Faktoren, die je nach Umweltbedingung vor der Transkription ausgewählt werden. Das bedeutet, dass der Sigma-Faktor bestimmt, an welche Bereiche der DNA die RNA-Polymerase bindet.
Die Zelle registriert einen starken Anstieg der Umgebungstemperatur. Nun werden Sigma-Faktoren bevorzugt, die an DNA-Regionen binden, deren Strukturgene für Hitzeschutz-Proteine codieren.
Codieren bedeutet, dass ein Basentriplett der RNA für eine bestimmte Aminosäure steht (z.B. AAG für die Aminosäure Lysin). Das Triplett signalisiert also das Anhängen einer bestimmten Aminosäure an die Aminosäurenkette an den Ribosomen. Anhand der Codesonne kannst Du überprüfen, welche Basentripletts für welche Aminosäuren codieren.
Der vorbereitende Schritt der Transkription ist die Initiation. Hier bindet die RNA-Polymerase an die Promotorregion der DNA.
Eine Promotorregion (Promotor) ist eine Region auf der DNA, die durch eine bestimmte Basensequenz den Startpunkt für die Transkription markiert.
Während der Elongation liest die RNA-Polymerase die DNA-Nukleotidsequenz des Leitstrangs in 5'-Richtung ab und überschreibt sie in eine komplementäre RNA-Nukleotidsequenz.
Die Termination tritt ein, sobald die Polymerase die Terminationssequenz auf der DNA erreicht. Daraufhin werden die RNA-Polymerase sowie die transkribierte RNA freigesetzt.
Zusammengefasst ist die Initiation die Vorbereitung, die Elongation die eigentliche Überschreibung der DNA-Basensequenz in eine komplementäre RNA-Sequenz und die Termination der Abschluss der Transkription.
In Abbildung 2 ist die Transkription visuell erläutert. Allerdings stellt sich hier die RNA-Polymerase in vereinfachter Form ohne Sigma-Faktor dar.
Mechanismen der Genregulation bei Prokaryoten
Generell haben Prokaryoten verschiedene Möglichkeiten, die Genregulation zu gestalten. In diesem Artikel liegt der Fokus auf der Transkriptionsebene.
Prokaryoten besitzen zwei Komponenten, über die sie die Transkription kontrollieren können. Dazu gehören regulatorische Sequenzen auf der DNA und regulatorische Proteine.
Zu den regulatorischen Sequenzen (Operatoren) zählen Stellen auf der DNA, an denen regulatorische Proteine vorübergehend binden können. Sie liegen meistens innerhalb oder in der Nähe von Promotorregionen.
Regulatorische Proteine unterteilen sich in Repressoren (Repressorproteine) und Aktivatoren (Aktivatorproteine). Binden Repressorproteine an eine regulatorische Sequenz, verringert sich die Expressionsrate der nachgeschalteten Gene. Eine Bindung von Aktivatorproteinen erhöht sie.
Zusätzliche Mechanismen der Genregulation
Zu den weiteren Möglichkeiten der Genregulation in Prokaryoten zählen die:
- Veränderung der Nukleotidsequenz
- Kontrolle der Translation
- Lebensdauer der mRNA
- posttranslationale Modifikation
- Einwirkung von Umweltparametern
- Die Veränderung der Nukleotidsequenz kann dazu führen, dass bestimmte Gene nicht mehr abgelesen werden können. Diese Form der Genregulation nutzen z. B. Krankheitserreger, um die Synthese spezifischer Oberflächenproteine zu unterbinden, die sie an das Immunsystem des Wirtes verraten würden.
- Die Kontrolle der Translation ist in Prokaryoten aufgrund der geringen zeitlichen Abfolge von Transkription und Translation ein eher untergeordneter Regulationsmechanismus.
- Die Lebensdauer der mRNA kann die gebildete Menge eines Proteins beeinflussen.
- Die posttranslationale Modifikation steuert die Aktivität eines Proteins.
- Prokaryoten können durch das Zweikomponentensystem äußere Umweltparameter wie Temperatur- oder pH-Wert-Änderungen wahrnehmen. Das System besteht aus einer Sensorkinase und einem Antwortregulator. Die Sensorkinase ist ein Enzym, das die Zellmembran durchspannt. Der Antwortregulator wiederum ist ein Protein, das an regulatorische Sequenzen auf der DNA binden kann. Bei Veränderungen der Umweltparameter kommt es zu Konformitätsänderungen der Sensorkinase. Sie aktiviert den Antwortregulator, der die Genexpression initiiert oder hemmt.
Genregulation bei Prokaryoten: Das Operon-Modell
Das Operon-Modell ist eine funktionelle Einheit der DNA der Prokaryoten. Es ist immer nach dem gleichen Schema aufgebaut und besteht grundsätzlich aus drei Teilen:
- Promotor
- Operator
- Strukturgene
Der Promotor ist die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase, der Operator die regulatorische Sequenz auf der DNA. Hinter dem Promotor und dem Operator liegen die Strukturgene. Sie bilden den Abschnitt, der für Proteine codiert. Der Regulator ist eine DNA-Sequenz, die vor dem Promotor auf der DNA liegt und für regulatorische Proteine codiert.
In Abbildung 3 ist die Transkription ohne Regulation, ihre Inhibierung durch ein Repressorprotein sowie die Aktivierung anhand eines Aktivatorproteins dargestellt.
Abbildung 3: Schematische Darstellung des Operon-Modells.
Die Genregulation in Prokaryoten kann in zwei Modelle eingeteilt werden: die Substratinduktion und die Endproduktrepression.
Die Substratinduktion bei der Genregulation
Die Substratinduktion beschreibt einen in sich geschlossenen Regulationskreislauf, in dem ein bestimmter Stoff (Substrat) ein Repressorprotein deaktiviert. Dabei handelt es sich um exakt jenes, das die Transkription der Strukturgene blockiert, die für die Proteine zum Abbau des Substrats codieren.
Ist der Repressor erst einmal deaktiviert, können die Strukturgene abgelesen und die entsprechenden Proteine gebildet werden. Der gesamte Sachverhalt lässt sich am lac-Operon darstellen.
Das lac-Operon im Rahmen der Genregulation bei Prokaryoten
Das lac-Operon (Lactose-Operon) wird für den Abbau von Lactose in Escherichia coli-Bakterien benötigt.
Lactose ist ein energiereiches Kohlenhydrat (Zweifachzucker), allgemein bekannt als Milchzucker. Durch den Abbau von Lactose gewinnen Mikroorganismen wie E. coli Energie.
Das lac-Operon enthält alle Gene, deren Genprodukte (Proteine) den Abbau und den Transport von Lactose innerhalb der Zelle ermöglichen. In der unten stehenden Tabelle findest Du eine Übersicht seiner Gene, seiner Genprodukte sowie die Funktion der Proteine.
| Gen | Protein | Funktion |
| lacZ | ß-Galactosidase | Spaltung von Lactose in Glucose und Galactose |
| lacY | Galactosid-Permease | Transport von Lactose |
| lacA | Galactosid-Transacetylase | nicht bekannt |
| lacI (Regulator) | Repressorprotein | Regulation der Transkription von lacZ, lacY, lacA |
Im lac-Operon ist Lactose das Substrat. Ist davon nichts vorhanden, wird die Expression der lac-Strukturgene verhindert, da ein aktiver Repressor am Operator bindet. Sobald sich das Kohlenhydrat jedoch in der Zelle befindet, blockiert es den Repressor, sodass dieser nicht mehr an den Operator binden kann. Das führt zu einer uneingeschränkten Transkription der Strukturgene.
Die Bindung von Lactose an das Repressorprotein ist reversibel. Dabei verhalten sich die beiden Einheiten wie ein Schlüssel zu seinem dazugehörigen Schloss. In der Biologie spricht man deshalb von einem Schlüssel-Schloss-Prinzip.
Die mRNA wird an den Ribosomen zu einer Aminosäuresequenz umgewandelt und im Anschluss in das entsprechende Protein gefaltet. Die gebildeten Proteine bauen nun Lactose ab, wodurch deren Konzentration in der Zelle sinkt.
Die Transkription der lac-Strukturgene wird so lange fortgesetzt, bis die Lactose-Konzentration so niedrig geworden ist, dass ein freier Repressor wieder an den Operator bindet und die Transkription verhindert. Eine Übersicht über die Funktionsweise des lac-Operons findest Du in Abbildung 4.
Abbildung 4: Schematische Darstellung des lac-Operons in E. coli Bakterien.
Die Endproduktrepression
Die Endproduktrepression ist sozusagen das Gegenstück zur Substratinduktion. Sie basiert auf einem anfangs inaktiven Repressorprotein, das erst durch die Anwesenheit des Genproduktes (Endprodukt) aktiviert wird.
Das Endprodukt verhindert seine eigene Produktion.
Im Gegensatz zur Substratinduktion werden die Strukturgene hier dauerhaft abgelesen, wodurch die Endproduktkonzentration in der Zelle stetig steigt. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Endprodukt und Repressorprotein aufeinandertreffen und per Schlüssel-Schloss-Prinzip einen aktiven Repressorkomplex bilden. Dieser bindet an den Operator und stoppt damit die Transkription der Strukturgene.
Das trp-Operon im Rahmen der Genregulation bei Prokaryoten
Das trp-Operon (Tryptophan) ist ein Operon, das die intrazelluläre Herstellung der Aminosäure Tryptophan reguliert.
Ist wenig Tryptophan in der Zelle vorhanden, muss dessen Konzentration durch eine erhöhte Synthese angehoben werden. Gleichzeitig gilt es bei einer hohen Tryptophan-Konzentration, eine stetige Überproduktion zu vermeiden. So wird Energie in andere Bereiche des Zellstoffwechsels investiert.
Der Zellstoffwechsel umfasst alle biochemischen Reaktionen, die in der Zelle ablaufen. Dabei werden ständig Stoffe aufgebaut, umgewandelt, abgebaut, sowie in die Zelle hinein- und aus ihr hinaustransportiert.
Im trp-Operon werden durch die Regulatorsequenz auf der DNA inaktive Repressorproteine synthetisiert, die nicht an den Operator des trp-Operons binden können. Die RNA-Polymerase kann sich nun an die Promotorregion anlagern und die Strukturgene hinter dem Operator in mRNA überschreiben.
Jedes der Strukturgene codiert dabei für eine Untereinheit eines Enzymkomplexes, der verschiedene Reaktionen des Synthesewegs von Chorismat zu Tryptophan katalysiert.
Je mehr Tryptophan gebildet wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass entsprechende Moleküle auf inaktive Repressormoleküle stoßen. Mit Tryptophan als passendem Substrat ändert das Repressorprotein seine Konformation (Form) und wechselt in den aktiven Status. Als aktiver Repressor lagert es jetzt an den Operator an und unterbindet das Ablesen der Strukturgene durch die RNA-Polymerase.
In der Folge stoppt die Produktion von Tryptophan in der Zelle, da bereits entstandene Proteinkomplexe zur Bildung des Stoffes eine limitierte Lebensdauer haben.
In Abbildung 5 findest Du eine schematisch vereinfachte Darstellung des trp-Operons in Prokaryoten.
Abbildung 5: Schematische Darstellung des trp-Operons.
Genregulation bei Prokaryoten und Eukaryoten: Vergleich
Prokaryoten und Eukaryoten besitzen grundsätzlich dieselben Mechanismen zur Regulation der Genexpression. Der größte Unterschied liegt wieder auf Transkriptionsebene.
Bei Prokaryoten geschieht die Regulation hauptsächlich durch Operons. Im Gegensatz dazu findet die Regulation der Genexpression in Eukaryoten vor allem durch Transkriptionsfaktoren statt.
Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die für den Start der Transkription verantwortlich sind. Durch ihre Bindung an eine Promotorregion kann zusätzlich eine RNA-Polymerase anlagern und mit dem Prozess beginnen. In der Regel müssen viele Transkriptionsfaktoren zusammen einen Transkriptionskomplex bilden, damit die RNA-Polymerase an der Promotorregion binden kann.
Transkriptionsfaktoren haben einen Einfluss darauf, wie häufig ein Gen abgelesen wird. Dadurch steuern sie die Konzentration des entstehenden Proteins.
In der unten stehenden Tabelle erhältst Du einen groben Überblick über die Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Genregulation von Prokaryoten und Eukaryoten.
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