Genetik
Genregulation
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Die Genregulation ist verantwortlich für die Steuerung deiner Genaktivität. Wie genau das funktioniert und worin die Unterschiede bei Prokaryoten und Eukaryoten liegen, erfährst du hier. In unserem Video erklären wir dir ausführlich alles Wichtige zur Genregulation!

Genregulation einfach erklärt

Alle unsere Körperzellen haben die gleiche genetische Ausstattung.  Doch sie haben sehr verschiedene Funktionen. Daher brauchen sie auch ganz unterschiedliche Proteine (Enzyme), um ihre Aufgaben übernehmen zu können. Die Information zur Herstellung der Proteine ist in den Genen gespeichert. Um festzulegen, wann welche Zelle bestimmte Proteine produziert, muss also die Expression der jeweiligen Gene reguliert werden. Die Steuerung der Genexpression  bezeichnest du als Genregulation. So bestimmt dein Körper, wann er ein Gen an- oder ausschaltet. Denn manche Gene sind nur in besonderen Situationen aktiv. 

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Genregulation Übersicht
Genregulation Definition

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

Genregulation bei Eukaryoten und Prokaryoten 

Du kannst dabei zwischen der Genregulation bei Eukaryoten und der Genregulation bei Prokaryoten unterscheiden. Bei Prokaryoten die Gene häufig in sogenannten Operons organisiert. Eukaryoten dagegen haben sehr viele verschiedene Regulationsmöglichkeiten auf dem Weg vom Gen zum Protein (Proteinbiosynthese ). 

Genregulation bei Prokaryoten

Die Genregulation der Prokaryoten ist vor allem wichtig bei der Anpassung an veränderte Umweltbedingungen. 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. 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 drei bzw. vier folgenden Bausteinen: 

  • Promotor: reguliert den Start der Transkription durch Wechselwirkung mit der RNA-Polymerase  
  • Operator: reguliert die Transkription durch Bindung von Regulationsfaktoren (Repressor/ Aktivator)
  • Strukturgene: Gene, die durch das Operon reguliert werden 
  • Regulatorgen: codiert für Aktivatoren und Repressoren (Regulationsfaktoren)
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Aufbau Operon

Genregulation durch Substratinduktion

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  im Bakterium E. coli sehen. In den Bakterien ist das Lactose Operon für den Abbau des Milchzuckers verantwortlich. Du bezeichnest Milchzucker nämlich auch als Lactose. 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 „Lactose ist nicht vorhanden“ oder „Lactose ist 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. Denn die Bindung an den Operator hindert die RNA-Polymerase daran, den DNA-Strang abzulesen. So wird kein Lactose-abbauendes Enzym hergestellt. 

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lac Operon ohne Lactose

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 wieder.

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lac-Operon mit Lactose

Genregulation durch Produktrepression

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. Am Beispiel des Tryptophan-Operons (Trp-Operon) kannst du den Ablauf erkennen. Es ist für die Synthese der Aminosäure Tryptophan in E. coli verantwortlich. 

Das Regulatorgen produziert zunächst 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. 

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Tryptophan-Operon ohne Tryptophan

Die Folge ist ein Anstieg der Tryptophan Konzentration. Das führt dazu, dass die Aminosäure an den Repressor bindet. In diesem Fall aktiviert die Bindung den Repressor. Es kommt 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. Je höher die Tryptophan Konzentration ist, desto mehr inhibiert es seine eigene Synthese. 

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Tryptophan-Operon mit Tryptophan

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, regulieren verschiedene Mechanismen die Genexpression auf jeder Ebene. Die wichtigste Ebene ist dabei die Transkription. Schauen wir uns jetzt die wichtigsten Regulationen einmal genauer an. Beispiele dafür sind die Methylierung, Transkriptionsfaktoren oder die 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.

Zum Video: Methylierung
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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!

Zum Video: Transkriptionsfaktoren
Zum Video: Transkriptionsfaktoren

 

mRNA Stabilität

Auch auf der Ebene der mRNA kann eine Zelle die Proteinherstellung beeinflussen. Hier befinden wir uns also bei der Translation . Wie oft sie stattfindet, hängt von der Konzentration und der Stabilität der mRNA ab. Du fragst dich, wie die mRNA überhaupt aussieht? Mehr über den Aufbau der mRNA erfährst du hier! 

Zum Video: mRNA
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