Mechanismen der Genregulation: Operons, cAMP & Hormone

Mechanismen der Genregulation

Das Repressorgen wird von der Regulatorregion produziert und ist mit dem Operatorbereich verbunden. Es verhindert die Transkription der Strukturgene durch die RNA-Polymerase.

Dieses Operon funktioniert als System der Enzyminduktion, bei dem einige Moleküle, sogenannte Induktoren (in diesem Fall Laktose), an den Repressor binden und strukturelle Veränderungen verursachen, sodass der Repressor seine Affinität zum Operatorbereich verliert. Dadurch kann die RNA-Polymerase die Strukturgene transkribieren.

Es gibt weitere Operons, die nach diesem System der Endproduktrepression funktionieren, wie das Histidin-Operon, das die Histidinsynthese reguliert. Beim Histidin-Operon kann der Repressor nur an den Operator binden, wenn er mit Histidin assoziiert ist.

Kontrolle durch zyklisches AMP

Zusätzlich zum Operon-Modell wurde eine andere Art der Kontrolle entdeckt, die Regulation durch zyklisches AMP (cAMP) genannt wird. Dieses Molekül wird aus ATP durch die Wirkung des Enzyms Adenylatcyclase gebildet, das sich auf der inneren Oberfläche der Zytoplasmamembran befindet.

cAMP wird für die Wirkung des Katabolit-Aktivator-Proteins (CAP) benötigt. Der CAP-cAMP-Komplex hat eine Affinität für die Promotorregion, stromaufwärts der Stelle, an der die RNA-Polymerase bindet. Es scheint, dass in Abwesenheit des Komplexes die RNA-Polymerase, die die mRNA für die Enzyme des Laktosestoffwechsels transkribiert, Schwierigkeiten hat, an den Promotor zu binden.

Wenn der Glukosespiegel in der Zelle ansteigt, sinkt der cAMP-Spiegel, da Glukose nach dem Passieren der Zellmembran zu Glukose-6-Phosphat umgewandelt wird. Dies verbraucht ATP, das dann nicht mehr für die Bildung von cAMP zur Verfügung steht. Wenn nicht genügend CAP-cAMP-Komplex gebildet wird, kann die RNA-Polymerase nicht effizient binden und die Enzyme für den Laktosestoffwechsel werden nicht transkribiert. Erst wenn Glukose verbraucht ist und Laktose vorhanden ist, produzieren die Bakterien die Enzyme, die Laktose verstoffwechseln.

Genexpression bei Eukaryoten

Zellen in mehrzelligen eukaryotischen Organismen mit differenzierten Geweben reagieren auf hormonelle Veränderungen des inneren Milieus. Obwohl alle Zellen die gleiche DNA besitzen, werden nicht in allen Zellen die gleichen Informationen exprimiert; dies ist die Ursache der Zelldifferenzierung.

DNA-Segmente, die stark kondensiert sind, werden nicht exprimiert, während diejenigen, die transkribiert werden, dekondensiert sind. Die Kondensation von DNA-Bereichen tritt während der Zelldifferenzierung auf und ist mit der Bildung von Organen im Embryo verbunden.

Jeder Zelltyp hat spezifische Membranrezeptoren oder andere Rezeptoren und ist daher möglicherweise nur ein Ziel für bestimmte Hormone. Die Kontrolle der Genexpression durch Hormone unterscheidet sich je nach Art des Hormons:

Lipidhormone

Dank ihrer Zusammensetzung können sie die Plasmamembran leicht überqueren. Im Zytoplasma binden sie an intrazelluläre Rezeptorproteine und bilden Hormon-Rezeptor-Komplexe, die in den Zellkern wandern. Dort binden sie an spezifische DNA-Sequenzen und induzieren die Transkription bestimmter Gene, was wahrscheinlich die Dekondensation von DNA in diesen Bereichen erleichtert. Zum Beispiel fördern anabole Hormone die Proteinsynthese.

Proteinhormone

Aufgrund der Größe und Art ihrer Moleküle können sie die Plasmamembran nicht direkt passieren. Stattdessen binden sie an spezifische Rezeptorproteine auf der Zellmembran und bilden einen Hormon-Rezeptor-Komplex. Dieser Prozess aktiviert das Enzym Adenylatcyclase, das ATP in cAMP umwandelt. cAMP wird als "Second Messenger" bezeichnet (das Hormon ist der "First Messenger"). cAMP wird in den Zellkern weitergeleitet und aktiviert transkriptionsregulierende Proteine. Das Hormon selbst dringt nicht in die Zelle ein, sondern stimuliert durch den Kontakt mit der Membran die Bildung von cAMP.