Operon-Modell und cAMP: Kontrolle der Genexpression bei Prokaryoten und Eukaryoten

Das Operon-Modell: Kontrolle der Genexpression bei Prokaryoten

Studien zur Kontrolle der mRNA-Synthese begannen mit der Beobachtung des Effekts von Glukose auf den Laktose-Stoffwechsel von E. coli im Jahr 1947. Es wurde festgestellt, dass, wenn eine Bakterienkultur von E. coli sowohl mit Laktose als auch mit Glukose versorgt wird, das Niveau der $\beta$-Galactosidase stark verringert ist.

Dieses Laktose-Enzym spaltet Laktose in Galaktose und Glukose. Wenn Bakterien Glukose in der Umgebung vorfinden, benötigen sie das Enzym zur Spaltung der Laktose nicht, und dessen Produktion wird auf der Ebene des Enzyms verringert.

Entdeckung der Schlüsselenzyme (Jacob & Monod)

Später, in den 1950er Jahren, entdeckten Jacob und Monod bei ihren Arbeiten mit E. coli, dass die im Experiment unterdrückten Enzyme die $\beta$-Galactosidase, die $\beta$-Galactosid-Permease und die $\beta$-Galactosid-Transacetylase waren. Diese drei Enzyme sind am Laktose-Stoffwechsel beteiligt. Das Substrat (Laktose) induziert somit alle Enzyme eines Stoffwechselweges.

Im Jahr 1961 schlugen Jacob und Monod das Operon-Modell vor, um die Kontrolle der Proteinsynthese zu erklären. Nach diesem Modell gibt es zwei Typen von Genen:

• Strukturgene: Kodieren strukturelle und enzymatische Proteine.
• Regulatorische Gene: Kodieren Proteine, deren Funktion darin besteht, die Aktivität der Strukturgene zu steuern. Diese Proteine werden als Repressoren bezeichnet.

Der Laktose-Operon (Lac-Operon) von E. coli

Das Lac-Operon besteht aus einem regulatorischen Gen und drei Strukturgenen. Vor diesen Genen befindet sich ein Bereich, der als Promotor bekannt ist. Der Promotor ist die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase.

Neben den Strukturgenen liegt die Operator-Region, an die der Repressor bindet.

Zustände des Lac-Operons

1. Keine Laktose (Repression): Das vom regulatorischen Gen gebildete Repressorprotein bindet sich an den Operator. Dadurch wird die RNA-Polymerase blockiert und kann nicht passieren. Die Transkription wird verhindert, sodass keine Proteinsynthese stattfindet.
2. Laktose vorhanden (Induktion): Wenn Laktose vorhanden ist, wirkt diese als Induktor. Sie bindet an das Repressorprotein. Die RNA-Polymerase hat freien Zugang zum Promotor, und die Transkription sowie die Proteinsynthese werden ermöglicht.

Positive Kontrolle durch cAMP (Katabolit-Repression)

Cyclisches AMP (cAMP) wird aus ATP durch das Enzym Adenylatcyclase gebildet, das auf der Innenseite der Zellmembran lokalisiert ist. Damit cAMP wirken kann, benötigt es das CAP (Catabolite Activator Protein, auch bekannt als Katabolit-Aktivator-Protein).

Der Komplex aus CAP und cAMP (CAP-cAMP) hat eine Affinität für die Promotor-Region, wo die RNA-Polymerase bindet. Ohne diesen Komplex hat die RNA-Polymerase Schwierigkeiten, effizient an den Promotor zu binden.

Glukose und cAMP-Spiegel

Es wurde beobachtet, dass in der Zelle mit steigendem Glukosespiegel das Niveau von cAMP sinkt. Wenn kein CAP-cAMP-Komplex vorhanden ist, wird kaum Transkript synthetisiert, und die Enzyme des Laktose-Stoffwechsels werden nicht produziert. Dies erklärt, warum die Synthese der Laktose-Enzyme selbst bei Anwesenheit von Laktose unterdrückt wird, wenn Glukose vorhanden ist.

Kontrolle der Genexpression in Eukaryoten durch Hormone

In eukaryotischen Zellen reagiert die Genexpression auf hormonelle Schwankungen in der inneren Umgebung. Je nach Zelltyp existieren verschiedene Membranrezeptoren, wodurch nur bestimmte Zellen Zielzellen für spezifische Hormone sind. Die Kontrolle der Genexpression unterscheidet sich je nachdem, ob Lipid- oder Proteinhormone wirken.

Wirkmechanismen von Hormonen

1. Lipidhormone (z. B. Steroidhormone)

   Lipidhormone können die Zellmembran leicht durchqueren. Sie binden an Rezeptorproteine im Zytoplasma. Der gebildete Hormon-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern, bindet an eine bestimmte DNA-Sequenz und initiiert dort die Transkription.

2. Proteinhormone

   Proteinhormone sind größer und können die Membran nicht durchqueren. Sie binden an Rezeptoren auf der Zellmembran. Die Bildung des Hormon-Rezeptor-Komplexes führt zur Aktivierung der Adenylatcyclase auf der Innenseite der Membran, welche ATP in cAMP umwandelt. Das cAMP gelangt in den Zellkern und reguliert dort die Transkription.