Hier findest du alles zur Genregulation bei Prokaryoten und Eukaryoten. Auch eine Erklärung zu den beiden wichtigen Operonmodellen (lac-Operon und trp-Operon) erklären wir dir im Beitrag und auch in unserem Video !

Was ist die Genregulation?

Die Genregulation ist für die Steuerung der Genaktivität verantwortlich. Sie bestimmt also, ob ein Gen abgelesen wird und letztendlich Proteine produziert werden.

Als Startsignal für die Genregulation dienen sogenannte Promotoren. Dabei handelt es sich um kurze Abschnitte auf der DNA , die die Genexpression (u. a. Transkription, Translation) einleiten.

In all deinen Körperzellen hast du die gleiche genetische Ausstattung, trotzdem haben sie sehr verschiedene Funktionen. Um ihre ganz spezielle Aufgabe übernehmen zu können, benötigen sie ganz unterschiedliche Proteine. Durch das An- oder Abschalten der Gene sorgt die Genregulation schließlich dafür, dass genau diese Proteine gebildet werden. Gene sind also nur dann aktiv, wenn sie gebraucht werden. 

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Genregulation Übersicht
Genregulation Definition

Die Genregulation ist die Steuerung der Genaktivität. Der Begriff bezeichnet also die Regulation der Genexpression.

Genregulation bei Eukaryoten und Prokaryoten 

Die Genregulation unterscheidet sich zwischen den Prokaryoten und den Eukaryoten :

  • Bei Prokaryoten sind die Gene häufig in sogenannten Operons organisiert.
  • Eukaryoten haben hingegen viele verschiedene Regulationsmöglichkeiten bei der Proteinbiosynthese , also dem Weg vom Gen zum fertigen Protein.

Bedeutung der Genregulation

Den Prokaryoten dient die Genregulation vor allem bei der Anpassung an neue, veränderte Umweltbedingungen. Bakterien können nämlich nur dann dauerhaft überleben, wenn sie sich an veränderte Nähr- oder Sauerstoffkonzentrationen anpassen können. Grundsätzlich gilt: Ein Organismus exprimiert nur die Gene, die er gerade benötigt. Dadurch spart er Energie.

Im Gegensatz zum Operon-Modell bei Prokaryoten, dient die Genregulation bei Eukaryoten hauptsächlich dazu, die Entwicklung von Zellen zu steuern. Dafür reguliert dein Körper genau, wann welche Zelle welches Gen exprimiert. Um das möglichst genau zu steuern, regulieren verschiedene Mechanismen die Genexpression auf jeder Ebene.

Operon-Modelle bei Prokaryoten

Die Gene von Prokaryoten sind in sogenannten Operons aufgebaut. Dabei handelt es sich um Funktionseinheiten der DNA . Du sprichst dann auch vom sogenannten Operon-Modell.

Operons bestehen jeweils aus vier Bausteinen:

  • Promotor: Proteine, wie die RNA-Polymerase , binden an den Promotor/Promoter. Dadurch wird die Genexpression reguliert (verstärkt oder abgeschaltet).
  • Operator: Dabei handelt es sich um die Bindungsstelle für den Aktivator oder Repressor. Der bindende Regulationsfaktor bestimmt dabei, ob die Transkription stattfindet oder nicht.
  • Strukturgene: Das sind Gene, die durch das Operon reguliert werden. Sie kodieren für Proteine, wie Enzyme.
  • Regulatorgen: Es handelt sich dabei um ein Gen, das für Aktivatoren und Repressoren (Regulationsfaktoren) codiert.

Den Aufbau eines Operons kannst du auf der folgenden Abbildung sehen:

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Aufbau Operon

Substratinduktion und Produktrepression

Es gibt zwei verschiedene Arten der Genregulation bei Prokaryoten:

  1. Genregulation durch Substratinduktion
  2. Genregulation durch Endproduktrepression

Bei der Substratinduktion induziert das Substrat die Genexpression. Dazu bindet es an den Repressor und deaktiviert ihn. Das ist beispielsweise beim lac-Operon der Fall.

Bei der Produktrepression verhindert das Endprodukt die Transkription von Strukturgenen. Das funktioniert durch die Aktivierung eines Repressors. Das kannst du dir als die Umkehrung der Substratinduktion vorstellen. Du findest es beispielsweise beim trp-Operon.

lac-Operon

Die Genregulation durch Substratinduktion kannst du dir am Beispiel des lac-Operons  im Bakterium E. coli ansehen. Das lac-Operon ist in den Bakterien für den Abbau des Milchzuckers (Lactose) verantwortlich.

Die Strukturgene produzieren ein Enzym, das die Lactose abbaut. Abhängig von der Lactose-Konzentration sind die Gene dafür entweder an- oder ausgeschaltet. Dafür unterscheidest du zwei Fälle:

  • Lactose ist nicht vorhanden
  • Lactose ist vorhanden

Lactose ist nicht vorhanden

Ist keine Lactose vorhanden, finden folgende Schritte statt:

  1. Ohne Lactose muss die Zelle kein Enzym zur Spaltung herstellen.
  2. Das Regulatorgen produziert dann einen aktiven Repressor.
  3. Der Repressor bindet an den Operator.
  4. Das blockiert die RNA-Polymerase bei dem Versuch, den DNA-Strang abzulesen. Die Genexpression wird also verhindert.
  5. Auf diese Weise wird kein Lactose-abbauendes Enzym hergestellt.
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lac Operon ohne Lactose

Lactose ist vorhanden 

Ist Lactose vorhanden, passiert Folgendes:

  1. Bei der Anwesenheit von Lactose muss die Zelle das Enzym zur Spaltung herstellen.
  2. Der Repressor wird durch die Lactose inaktiviert. Das passiert, indem die Lactose an die zweite Bindestelle des Repressors (allosterisches Zentrum) bindet.
  3. Die Bindung des Substrats führt zu einer Änderung in der Raumstruktur des Repressors. Dadurch kann er nicht mehr an die DNA binden.
  4. Die RNA-Polymerase kann den Strang dann ungehindert ablesen und das Lactose abbauende Enzym herstellen. Die Lactose induziert also die Transkription des Enzyms. Daher bezeichnest du sie in diesem Fall auch als Induktor.
  5. Ist genügend Lactose abgebaut, wird der Repressor wieder aktiv und hemmt die Transkription, bis erneut Lactose vorhanden ist.
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lac-Operon mit Lactose

trp-Operon

Das Tryptophan-Operon (trp-Operon) ist ein Beispiel für die Genregulation durch Produktrepression. Du findest es bei der Synthese der Aminosäure Tryptophan im Bakterium E. coli.

Das trp-Operon funktioniert folgendermaßen:

  1. Das Regulatorgen produziert zunächst einen inaktiven Repressor.
  2. Solange kein Tryptophan vorhanden ist, bleibt der Repressor inaktiv. Die RNA-Polymerase kann die DNA also ablesen.
  3. Die benötigten Enzyme für die Tryptophan-Produktion können dann hergestellt werden.
  4. Die Folge ist ein Anstieg der Tryptophan-Konzentration.
Tryptophan, Operon, Transkription, inaktiver Repressor, Produktrepression
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Tryptophan-Operon ohne Tryptophan

Steigt die Tryptophan-Konzentration, finden folgende Schritte statt:

  1. Bei steigender Konzentration bindet das Tryptophan an den Repressor.
  2. Die Bindung der Aminosäure aktiviert den Repressor.
  3. Es kommt zu einer Strukturveränderung des Proteins. Jetzt kann der Repressor an die DNA binden und verhindert die weitere Transkription durch die Polymerase.
  4. Das bedeutet, dass kein Tryptophan mehr produziert wird.
Tryptophan, aktiver Repressor, Produktrepression, Transkription, DNA, RNA Polymerase
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Tryptophan-Operon mit Tryptophan

Das bedeutet: Je höher die Tryptophan Konzentration ist, desto mehr inhibiert es seine eigene Synthese. 

Genregulation bei Eukaryoten

Die Genregulation der Eukaryoten haben verschiedene Regulationsmöglichkeiten. Die meisten von ihnen finden während der Transkription , also der Übersetzung der DNA in mRNA , statt, aber auch die Translation kann zur Genregulation beeinflusst werden.

Die drei wichtigste Regulationen bei Eukaryoten sind:

  • die Methylierung
  • Transkriptionsfaktoren
  • die Stabilität und Konzentration der mRNA

Methylierung

Die Methylierung ist eine Möglichkeit der Genregulation. Dabei wird ausgenutzt, dass die Genaktivität reguliert werden kann, wenn die DNA dicht verpackt ist. Werden sogenannte Methyl-Gruppen an spezielle Proteine der DNA (Histone) angehängt, führt das zu einer kompakteren DNA-Struktur. Das macht die DNA für die RNA-Polymerase unzugänglich und die Transkription kann nicht ablaufen.

Zusätzlich gibt es noch die DNA-Methylierung. Dabei können bestimmte Enzyme sogar die Basen der DNA methylieren. Das verhindert die Transkription, die betroffenen Gene sind dann sozusagen stumm geschaltet. Schau dir unser separates Video für mehr Informationen an!

Merke: Bei beiden Methylierungen handelt es sich um sogenannte Modifikation , denn sie können rückgängig gemacht werden.

Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die direkt an die DNA binden und die betreffenden Gene so an- und ausschalten. Dadurch regulieren sie die Genexpression. Die Transkriptionsfaktoren können dabei an zwei verschiedene Arten von Sequenzen binden:

  • Enhancer: Die Bindung an eine solche Sequenz beschleunigt die Transkription.
  • Silencer: Die Bindung an diesen Teil des Genoms verlangsamt die Transkription.

Wenn du noch mehr über die Regulation durch Transkriptionsfaktoren wissen musst, schau dir unser separates Video dazu an!

mRNA Stabilität und Konzentration

Auch auf der Ebene der mRNA kann eine Zelle die Proteinherstellung beeinflussen. Hierbei gilt:

  • Je stabiler die mRNA, desto häufiger kann sie translatiert werden.
  • Je mehr mRNA vorhanden ist, desto häufiger kann translatiert werden.

Je nach Stabilität und Konzentration der mRNA in der Zelle verändert sich auch die Menge an produzierten Proteinen.

Die Steuerung der Genaktivität bei Eukaryoten findet durch Eingriffe in die Proteinbiosynthese statt. Bist du dir beim Ablauf von Transkription und Translation noch nicht ganz sicher? Dann schau dir als Nächstes unser Video dazu an und erfahre alles Wichtige dazu!

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