Regulation der Genexpression bei Prokaryoten: Das Operon-Modell

Regulation der Genexpression

Eine Zelle synthetisiert Proteine zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Regulation der Genexpression kann zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen, findet aber häufig während der Transkription statt.

Regulation der Genexpression in Prokaryoten

Ein Prokaryot ist an die Umweltbedingungen angepasst. Hier wird das Operon-Modell betrachtet, das 1961 von François Jacob und Jacques Monod in E. coli entwickelt wurde. Ein Operon ist eine Gruppe von Strukturgenen, deren Expression von verschiedenen Elementen und Genen reguliert wird. Es besteht aus:

• Strukturgene: Werden ohne Unterbrechung transkribiert, wobei die mRNA die Information für mehrere Proteine trägt.
• Promotor: DNA-Nukleotidsequenz, an die die RNA-Polymerase bindet, um die Transkription eines Gens oder von Genen zu starten.
• Operator: Sequenz zwischen Promotor und Strukturgenen.
• Regulatorgen: Kodiert für das Protein, das als Repressor die RNA-Polymerase daran hindert, an die DNA zu binden, wodurch die Transkription verhindert wird.
• Regulatorische Proteine: Kodiert durch das Regulatorgen; bindet an den Operator.
• Induktor: Induziert die Expression von Genen.

Das Lactose-Operon (lac-Operon)

Synthese von Enzymen, die am Lactose-Stoffwechsel beteiligt sind.

• a) In Abwesenheit von Lactose im Kulturmedium von E. coli ist der Repressor an den Operator gebunden. Die RNA-Polymerase kann nicht an die DNA binden, und die Transkription findet nicht statt (keine mRNA wird erzeugt).
• b) Wenn Lactose im Medium vorhanden ist, entsteht Allolactose, die als Induktor wirkt. Die Allolactose bindet an den Repressor und bildet einen inaktiven Repressor-Induktor-Komplex. Die RNA-Polymerase kann nun an den Promotor binden und die Transkription der Strukturgene initiieren, was zur Synthese von drei Enzymen führt, die am Abbau von Lactose beteiligt sind.

Das Bakterium produziert also nur dann Enzyme für den Lactose-Stoffwechsel, wenn dies erforderlich ist. Wenn keine Lactose vorhanden ist, verwendet die Zelle ihre Energie nicht für die Synthese von Proteinen, die sie nicht benötigt.