Genexpression ist die Synthese einer Polypeptidkette eines funktionellen Proteins basierend auf der von einem bestimmten Gen kodierten Information. Das Ausmaß der Synthese eines bestimmten Proteins kann durch die Regulierung der Genexpression reguliert werden. Die unterschiedliche Expression von Genen kann während der verschiedenen Schritte der Proteinsynthese erreicht werden. Allerdings ist die Regulation der Genexpression bei eukaryontischen und prokaryontischen Genen unterschiedlich. Das Lac-Operon ist ein Cluster von Genen, die für den Laktosestoffwechsel von E. coli verantwortlich sind. Die Regulation der Expression des lac-Operons wird als Reaktion auf die Lactose- und Glucosespiegel im Medium erreicht. Die Regulation des lac-Operons wird als das wichtigste Beispiel für prokaryontische Genregulation in einführenden molekular- und zellbiologischen Studien verwendet.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

1. Was ist die Regulation der Genexpression? – Definition, Regulation der Genexpression 2. Was ist das Lac Operon? – Definition, Struktur, Funktion von Genprodukten 3. Wie wird das Lac-Operon reguliert? – Lac-Repressor, CAP

Schlüsselbegriffe: Catabolite Activator Protein (CAP), E. coli, Genexpression, Glucose, Lac Operon, Lac Repressor, Lactose Metabolism

Was ist die Regulation der Genexpression?

Die Regulation der Genexpression bezieht sich auf ein breites Spektrum von Mechanismen, die von der Zelle verwendet werden, um die Produktion eines bestimmten Genprodukts (eines Proteins oder einer RNA) entweder zu erhöhen oder zu verringern. Dies wird während verschiedener Schritte der Proteinsynthese, wie unten beschrieben, erreicht.

1. Replikationsebene – Die während der DNA-Replikation auftretenden Mutationen können zu Veränderungen der Genexpression führen.
2. Transkriptionsebene – Die Transkription eines bestimmten Gens kann durch Repressoren und Aktivatoren gesteuert werden.
3. Posttranskriptionelle Ebene – Die Genexpression kann während der posttranskriptionellen Modifikationen wie dem RNA-Spleißen erreicht werden.
4. Übersetzungsebene – Die Translation eines mRNA-Moleküls kann durch verschiedene Prozesse wie den RNA-Interferenzweg gesteuert werden.
5. Nachübersetzungsebene – Die Synthese eines Proteins kann auf posttranslationaler Ebene durch Kontrolle der posttranslationalen Modifikationen reguliert werden.

Die Regulation der Genexpression in Prokaryoten wird jedoch hauptsächlich während der Initiation der Transkription erreicht. Es beinhaltet die Aktivatoren, die die Genexpression positiv regulieren und Repressoren, die die Genexpression negativ regulieren. Die Regulation der Genexpression bei verschiedenen Schritten der Proteinsynthese ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Regulation der Genexpression

Was ist Lac Operon

Das lac-Operon bezieht sich auf eine Gruppe von Genen, die für den Laktosestoffwechsel von E. coli verantwortlich sind. Daher ist das lac-Operon eine funktionelle Einheit des E. coli-Genoms. Alle Gene im lac-Operon werden von einem einzigen Promotor kontrolliert. Daher werden alle Gene im Operon zusammen transkribiert. Die Genprodukte sind die Proteine, die für den Transport von Laktose in das Zytosol der Zelle und die Verdauung von Laktose in Glukose verantwortlich sind. Glukose wird bei der Zellatmung zur Energiegewinnung in Form von ATP verwendet. Das lac-Operon kann auch in vielen anderen Darmbakterien vorhanden sein. Die Struktur des lac-Operons ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Lac Operon

Das lac-Operon besteht aus drei Genen, die von einem einzigen Promotor kontrolliert werden. Diese Gene sind lacZ, Spitzen, und lacA. Diese Gene werden für die drei Enzyme kodiert, die am Laktosestoffwechsel beteiligt sind, bekannt als Beta-Galactosidase, Beta-Galactosid-Permease bzw. Beta-Galactosid-Transacetylase. Beta-Galactosidase ist am Abbau von Lactose in Glucose und Galactose beteiligt. Beta-Galactosid-Permease ist in die Zellmembran eingebettet und ermöglicht den Transport von Laktose in das Zytosol. Beta-Galactosid-Transacetylase ist an der Übertragung einer Acetylgruppe von Acetyl-Co-A auf Beta-Galactosid beteiligt. Die Transkription des lac-Operons erzeugt ein polycistronisches mRNA-Molekül, das alle drei Genprodukte aus einem einzigen mRNA-Molekül produziert. Im Allgemeinen reichen die lacZ- und lacY-Genprodukte für den Lactose-Katabolismus aus.

Zusätzlich zu diesen drei Genen besteht das lac-Operon aus einer Reihe von Regulierungsregionen an die verschiedene Proteine ​​binden können, um die Transkription zu steuern. Die wichtigsten regulatorischen Sequenzen im lac-Operon sind der Promotor, der Operator und die Bindungsstelle des Katabolit-Aktivator-Proteins (CAP). Die Promoter dient als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase, das Enzym, das für die Transkription der Gene verantwortlich ist. Die Operator dient als negative regulatorische Stelle, an die der lac-Repressor bindet. Die CAP-Bindungsstelle dient als positive regulatorische Stelle, an die das CAP bindet.

Wie wird das Lac Operon reguliert?

Die Regulation der Genexpression in prokaryontischen Genen erfolgt über induzierbare Operons in dem verschiedene Arten von Proteinen binden, indem sie die Transkription des Operons basierend auf den Anforderungen der Zelle entweder aktivieren oder unterdrücken. Lac-Operon ist ein induzierbares Operon. Es ermöglicht die Verwendung von Lactose, einem Disaccharid, bei der Energieproduktion, indem es in Glukose umgewandelt wird, die leicht in der Zellatmung verwendet werden kann, wenn die Glukose für die Zelle nicht verfügbar ist. Das lac-Operon wird in den Zuständen „Ausschalten“ und „Einschalten“ basierend auf dem Vorhandensein von Glukose in der Zelle reguliert. Der lac-Repressor ist für den "Ausschaltmodus" des lac-Operons verantwortlich, während CAP für den "Einschaltmodus" des lac-Operons verantwortlich ist.

Lac Repressor

Der lac-Repressor bezeichnet einen Laktosesensor, der die Transkription des lac-Operons in Gegenwart von Glucose blockiert. Die Verwendung von Glukose bei der Zellatmung erfordert im Vergleich zu Laktose weniger Schritte bei der Energiegewinnung. Wenn Glukose in der Zelle verfügbar ist, wird sie daher leicht in den Zellwegen abgebaut, um Energie zu erzeugen. Außerdem sollte bei Verwendung von Glucose in der Atmung der Einsatz von Lactose für den erstgenannten Zweck vermieden werden, um die maximale Effizienz der Zellatmung zu erreichen. In dieser Situation wird die Blockierung der Transkription des lac-Operons durch die Bindung des lac-Repressors an die Operatorregion des lac-Operons erreicht. Im Allgemeinen überlappt die Operatorregion mit der Promotorregion. Wenn der lac-Repressor an die Operatorregion bindet, ist die RNA-Polymerase daher nicht in der Lage, an die Promotorregion zu binden, da die vollständige Promotorregion nicht verfügbar ist. Wenn Glucose in der Zelle leicht verfügbar ist und Lactose nicht verfügbar ist, bindet der lac-Repressor fest an die Operatorregion und hemmt die Transkription des lac-Operons. Die Regulation des lac-Operons ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Regulation des Lac Operon

Katabolit-Aktivatorprotein (CAP)

Das CAP-Protein bezieht sich auf einen Glucose-Repressor, der die Transkription des lac-Operons aktiviert. Wenn der Zelle die Glukose ausgeht und Laktose im Zytosol leicht verfügbar ist, verliert der Lac-Repressor seine Fähigkeit, sich an die DNA zu binden. Daher schwimmt es von der Operatorregion ab und macht die Promotorregion für die Bindung an die RNA-Polymerase verfügbar. Wenn Laktose verfügbar ist, werden einige der Moleküle in umgewandelt Allolactose, ein kleines Isomer von Lactose. Die Bindung der Allolactose an den Lac-Repressor bewirkt deren Ablösung aus der Operatorregion. Daher dient Allolactose als Induktor, der die Expression des lac-Operons auslöst. Außerdem wird das lac-Operon auch als induzierbares Operon angesehen.

Die RNA-Polymerase allein ist jedoch nicht in der Lage, perfekt an die Promotorregion zu binden. Daher hilft CAP bei der engen Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor. Es bindet an die CAP-Bindungsstelle stromaufwärts des Promotors. Die Bindung des CAP an die DNA wird durch ein kleines Molekül reguliert, das als bekannt ist zyklischer AMP (cAMP). Das cAMP dient als Hungersignal von E. coli in Abwesenheit von Glukose. Die Bindung von cAMP an CAP ändert die Konformation von CAP, wodurch die Bindung von CAP an die CAP-Bindungsstelle des lac-Operons ermöglicht wird. cAMP ist jedoch in der Zelle vorhanden, wenn der Glukosespiegel innerhalb der Zelle sehr niedrig ist. Daher kann die Aktivierung des lac-Operons nur erreicht werden, wenn Glukose für die Zelle nicht verfügbar ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Aktivierung des lac-Operons erreicht werden kann, wenn Glukose nicht verfügbar ist und Laktose innerhalb der Zelle verfügbar ist. Wenn sowohl Glucose als auch Lactose in der Zelle fehlen, bleibt der lac-Repressor an das lac-Operon binden und verhindert die Transkription des Operons.

Glucose	Laktose	Mechanismus	Verordnung
Abwesend	Gegenwärtig	CAP bindet an die CAP-Bindungsstelle	Expression des lac-Operons
Gegenwärtig	Abwesend	lac-Repressor bindet an die Operatorregion	Unterdrückung des lac-Operons

Abschluss

Das lac-Operon ist ein induzierbares Operon, bei dem die für den Laktosestoffwechsel benötigten Proteine ​​in Genclustern vorliegen. Daher erzeugt die Transkription des lac-Operons ein polycistronisches mRNA-Molekül, das in der Lage ist, mehrere Genprodukte zu synthetisieren. Das lac-Operon wird nur in Abwesenheit von Glukose und in Gegenwart von Laktose innerhalb der Zelle für die Zellatmung exprimiert. Der lac-Repressor bindet an die Operatorregion des lac-Operons, wenn Glucose leicht verfügbar ist und Lactose nicht verfügbar ist. Das CAP bindet an den Operator des lac-Operons und unterstützt die Transkription, wenn Glucose nicht verfügbar ist und Lactose leicht verfügbar ist. Dadurch wird die Zelle in der Lage, Laktose bei der Zellatmung zur Energiegewinnung zu nutzen.

Bild mit freundlicher Genehmigung:

1. „Genexpressionskontrolle“ von ArneLH – Eigene Arbeit (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia 2. „Lac operon1“ (Public Domain) über Commons Wikimedia 3. „Lac operon“ (CC BY 2.0) über Commons Wikimedia

Referenz:

1. „Prokaryontische Genregulation.“ Lumen / Grenzenlose Biologie, hier erhältlich. 2. „Das Lac-Operon.“ Khan-Akademie, hier erhältlich. 3. "Lac-Operon: Regulierung der Genexpression in Prokaryoten." Biologie, Byjus-Klassen, 21. November 2017, hier verfügbar.