Was ist die Genregulation eigentlich und wie funktioniert sie bei Prokaryoten und Eukaryoten? All das und was Operon-Modelle in der Biologie sind und welche Rolle Promoter spielen, erfährst du hier und im Video !
Genregulation einfach erklärt
Die Genregulation ist für die Steuerung der Genaktivität verantwortlich. Sie bestimmt also, ob und wie oft ein Gen abgelesen wird und legt dadurch fest, welche Proteine hergestellt werden (Genexpression ).
Der Vorgang ist notwendig, da zwar alle Körperzellen die gleiche genetische Ausstattung, jedoch unterschiedliche Funktionen haben. Durch die Regulation kann sichergestellt werden, dass nur die Proteine produziert werden, die der Körper braucht. Die restlichen Gene sind ausgeschaltet, um Energie zu sparen. Einige Gene sind deshalb nur in besonderen Situationen, beispielsweise beim Verzehr bestimmter Nahrungsmittel, aktiv.
Die Genregulation kann an unterschiedlichen Punkten der Proteinbiosynthese, also der Herstellung von Proteinen aus den genetischen Informationen, stattfinden:
Der Begriff Genregulation bezeichnet die Regulation der Genexpression, also die Steuerung der Genaktivität. Sie findet sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten statt.
Genregulation bei Eukaryoten und Prokaryoten
Du kannst zwischen der Genregulation bei Eukaryoten und der Genregulation bei Prokaryoten unterscheiden:
- Bei Prokaryoten sind die Gene häufig in sogenannten Operons organisiert.
- Eukaryoten haben sehr viele verschiedene Regulationsmöglichkeiten auf dem Weg vom Gen zum Protein (Proteinbiosynthese ).
Genregulation bei Prokaryoten (Operon-Modell)
Bei Prokaryoten sind die Gene zur Regulation in bestimmten Funktionseinheiten auf der DNA organisiert. So eine Einheit nennst du Operon. Daher sprichst du bei der Regulation vom sogenannten Operon-Modell.
Ein Operon besteht aus den folgenden Bausteinen:
- Promotor: Er reguliert den Start der Transkription durch Wechselwirkung mit der RNA-Polymerase .
- Operator: Er reguliert die Transkription durch Bindung von Regulationsfaktoren (Repressor/Aktivator).
- Strukturgene: Dabei handelt es sich um die Gene, die durch das Operon reguliert werden.
- Regulatorgen: Es codiert für Aktivatoren und Repressoren (Regulationsfaktoren).
Die Genregulation der Prokaryoten ist vor allem bei der Anpassung an veränderte Umweltbedingungen bedeutend. Damit Bakterien dauerhaft überleben können, ist es wichtig, dass sie sich an veränderte Nähr- oder Sauerstoffkonzentrationen anpassen können. Generell gilt: Ein Organismus exprimiert nur Gene, die er gerade braucht. So kann er Energie sparen.
Substratinduktion und Endproduktrepression
Bei den Prokaryoten gibt es zwei verschiedene Arten der Genregulation:
- Genregulation durch Substratinduktion
- Genregulation durch Endproduktrepression
Bei der Substratinduktion induziert das Substrat die Genexpression. Dazu bindet es an den Repressor und deaktiviert ihn. Wie genau das abläuft, kannst du am Beispiel des lac-Operons sehen.
Bei der Endproduktrepression (auch 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. Eine Genregulation durch Produktrepression kannst du beispielsweise beim trp-Operon finden.
Lac-Operon (Substratinduktion)
Am Beispiel des Lactose-Operons (Lac-Operons ) im Bakterium E. coli kannst du sehen, wie die Genregulation durch Substratinduktion funktioniert.
In den Bakterien ist das Lactose Operon für den Abbau des Milchzuckers (Lactose) verantwortlich. Die Strukturgene produzieren ein Enzym, das die Lactose abbaut. Abhängig von der Konzentration sind die Gene dafür entweder an- oder ausgeschaltet. Dafür unterscheidest du die Fälle:
- Keine Lactose vorhanden
- Lactose vorhanden
Lac-Operon: Keine Lactose vorhanden
Ist keine Lactose vorhanden, muss die Zelle kein Enzym zur Spaltung herstellen. Das Regulatorgen produziert einen aktiven Repressor. Dieser bindet an den Operator und verhindert so die Genexpression. Das liegt daran, dass die Bindung an den Operator die RNA-Polymerase daran hindert, den DNA-Strang abzulesen. So wird kein Lactose-abbauendes Enzym hergestellt.
Lac-Operon: Lactose vorhanden
Ist Lactose vorhanden, muss die Zelle das Enzym zur Spaltung herstellen. Der Repressor wird jetzt durch die Lactose inaktiviert. Das passiert, indem die Lactose an die zweite Bindestelle des Repressors bindet. Die Bindungsstelle nennst du allosterisches Zentrum.
Die Bindung des Substrats führt zu einer Änderung in der Raumstruktur des Repressors. Dadurch kann er nicht mehr an die DNA binden. Die RNA-Polymerase kann den Strang ungehindert ablesen und das Lactose abbauende Enzym herstellen. Anders ausgedrückt, induziert die Lactose die Transkription des Enzyms. Daher bezeichnest du sie in diesem Fall auch als Induktor.
Ist genügend Lactose abgebaut, wird der Repressor wieder aktiv und hemmt die Transkription.
Tryptophan-Operon (Endproduktrepression)
Am Beispiel des Tryptophan-Operons (Trp-Operon) im Bakterium E.coli kannst du dir den Ablauf einer Genregulation durch Produktrepression ansehen. Das Tryptophan-Operon ist hierbei für die Synthese der Aminosäure Tryptophan verantwortlich.
Bei der Endproduktrepression haben die Bestandteile des Operons grundsätzlich dieselbe Funktion wie bei der Substratinduktion. Allerdings wird der Repressor hier durch das Endprodukt (z. B. Tryptophan) aktiviert, anstatt durch ein Substrat (z. B. Lactose) inaktiviert zu werden.
Der Ablauf der Endproduktrepression am Beispiel des trp-Operon-Modells sieht folgendermaßen aus:
- Zunächst produziert das Regulatorgen einen inaktiven Repressor.
- Solange kein Tryptophan vorhanden ist, bleibt der Repressor inaktiv. Die RNA-Polymerase kann also die DNA ablesen. So können die benötigten Enzyme für die Tryptophan Produktion hergestellt werden.
Die Folge ist ein Anstieg der Tryptophan Konzentration. Das führt zu folgenden Schritten:
- Die Aminosäure bindet an den Repressor und aktiviert ihn. Es kommt also zu einer Strukturveränderung des Proteins.
- Jetzt kann der Repressor an die DNA binden und verhindert die weitere Transkription durch die Polymerase.
- Das hat zur Folge, dass kein Tryptophan mehr produziert wird.
Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang: Je höher die Tryptophan Konzentration ist, desto mehr inhibiert es seine eigene Synthese.
Genregulation bei Eukaryoten
Im Gegensatz zum Operon Modell bei Prokaryoten, dient die Genregulation bei Eukaryoten hauptsächlich dazu, die Entwicklung von Zellen zu steuern. Dafür muss dein Körper genau regulieren, wann welche Zelle welches Gen exprimiert.
Um das möglichst genau zu steuern, kontrollieren verschiedene Mechanismen die Genexpression auf jeder Ebene. Die wichtigste Ebene ist dabei die Transkription. Hierbei haben unter anderem folgende drei Arten von Regulationen einen Einfluss:
- Methylierung
- Transkriptionsfaktoren
- Stabilität der mRNA
Methylierung
Eine Möglichkeit, die Genaktivität zu regulieren ist, die DNA dicht zu verpacken. Eine Methylierung der speziellen Proteine in der DNA (Histone) beispielsweise führt zu einer kompakteren DNA Struktur.
Unter Methylierung verstehst du eine chemische Modifikation. Dadurch wird die Struktur des Chromatins verändert. Das macht die DNA für die RNA-Polymerase unzugänglich. Als Chromatin bezeichnest du DNA, die um Histone gewickelt ist. Bestimmte Enzyme können aber auch direkt Basen in der DNA methylieren. Das verhindert die Transkription und diese Gene sind sozusagen ’stummgeschaltet‘.
Wenn du noch mehr Details zur Methylierung erfahren möchtest, ist hier das richtige Video für dich.
Transkriptionsfaktoren
Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die an die DNA binden. So können sie Gene an- und ausschalten. Damit regulieren sie die Genexpression. Die Bindung an einen sogenannten Enhancer beschleunigt dabei die Transkription. Dagegen verlangsamt die Bindung an einen Silencer die Transkription.
Willst du noch mehr über die Regulation durch Transkriptionsfaktoren wissen? Dann schau dir dieses Video an!
mRNA Stabilität
Auch auf der Ebene der mRNA kann eine Zelle die Proteinherstellung beeinflussen. Hier befinden wir uns bei der Translation , also der Herstellung von Proteinen aus der mRNA. Wie oft dieser Vorgang stattfindet, hängt von der Konzentration und der Stabilität der mRNA ab. Denn je mehr mRNA vorhanden ist und je länger ihre Lebenszeit, desto mehr Proteine können hergestellt werden.
Du musst auch wissen, wie der Prozess stattfindet und durch welche Zwischenschritte die mRNA stabiler gemacht wird? Dann schau dir als nächstes unser Video zur Proteinbiosynthese an!
