Genregulation und DNA-Replikation: Operons und Telomere

Genregulation durch Repressoren und Aktivatoren

Repressoren binden in der Regel in der Nähe des Promotors. Die Regulierung durch einen Repressor blockiert die Transkription und wirkt somit negativ. Aktivatoren hingegen verstärken die Aktivität der RNA-Polymerase am Promotor, was als Hochregulation bezeichnet wird.

Das Operon-Konzept

Ein Operon ist definiert als eine Gruppe von Genen und deren Promotor, die gemeinsam reguliert werden.

• Lactose-Operon (Lac): Unterliegt einer negativen Regulierung. In Abwesenheit von Lactose werden die Gene des Lac-Operons gehemmt. Mutationen im Operator oder in anderen Genen können die Synthese der Genprodukte beeinträchtigen.
• Arabinose-Operon (ara): Ein weiteres Beispiel für ein induzierbares Operon. Hier übt ein regulatorisches Protein sowohl eine positive als auch eine negative Wirkung aus.
• Tryptophan-Operon: Dieses Operon kodiert für fünf Enzyme, die an der Tryptophan-Synthese beteiligt sind. Ist die Aminosäure in ausreichender Menge vorhanden, fungiert sie als Co-Repressor.

DNA-bindende Proteine und Motive

Regulatorische Proteine binden an spezifische DNA-Sequenzen. Die meisten besitzen unabhängige DNA-Bindungsdomänen mit spezifischen Substrukturen:

• Helix-Turn-Helix: Entscheidend für die Interaktion vieler prokaryotischer regulatorischer Proteine mit der DNA. Sie besteht aus etwa 20 Aminosäuren in zwei kurzen Alpha-Helix-Segmenten.
• Zink-Finger: Eine weitere Art der DNA-Bindung, vor allem bei der Entwicklung von Eukaryoten. Diese Domäne umfasst etwa 60 Aminosäuren und wird als Homeodomain bezeichnet.

Dämpfung der Transkription (Attenuation)

Die Dämpfung nutzt Signale in einer sogenannten Leader-Region. Diese Region bildet eine Haarnadel-Struktur, den sogenannten Abschwächer, der als Transkriptionsterminator fungiert.

• Bei hohen Aminosäurekonzentrationen erfolgt die Translation schnell, wodurch die Abschwächer-Struktur gebildet und die Transkription unterbrochen wird.
• Bei niedrigen Konzentrationen wird die Transkription fortgesetzt.

Beendigung der Replikation in Eukaryoten

Die Replikation linearer Chromosomen erfordert spezielle Strukturen, die Telomere. Sie bestehen aus mehreren Kopien kurzer Oligonukleotid-Sequenzen.

Da die Enden linearer Chromosomen nicht durch die zelluläre DNA-Polymerase repliziert werden können (da ein Primer-Ansatzpunkt fehlt), verkürzen sich Telomere ohne spezielle Mechanismen. Das Enzym Telomerase löst dieses Problem, indem es Telomere an den Enden integriert. Die Telomerase enthält sowohl Proteine als auch RNA, die als Vorlage für die Synthese dient. Nach der Synthese bilden die Telomere eine spezielle Struktur, den T-Loop, der die 3'-Enden der Chromosomen vor Nukleasen schützt.