Genregulation
Was ist Genregulation und wie funktioniert sie bei Prokaryoten und Eukaryoten? Das erklären wir dir mithilfe von Beispielen hier und im Video!
Inhaltsübersicht
Genregulation einfach erklärt
Die Genregulation ist ein Mechanismus, der die Genaktivität steuert. Sie bestimmt, ob und wie oft ein Gen abgelesen wird. Dadurch legt sie fest, welche Proteine im Prozess der Genexpression hergestellt werden.
Prinzipiell hat jede Körperzelle die gleiche DNA, die die Information für den Aufbau aller Proteine deines Körpers enthält. Es wird aber immer nur ein Teil dieser Proteine gebraucht. Welche das sind, hängt von der Funktion der entsprechenden Körperzelle ab.
Die Gene, die den Bauplan der restlichen Proteine enthalten, sind deshalb dank der Genregulation ausgeschaltet und werden nicht abgelesen. So wird Energie gespart.
Die Genregulation kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Proteinbiosynthese (Proteinherstellung) stattfinden. Sie ist vor (1), während (2) und nach der Transkription (3) sowie während (4) und nach der Translation (5) möglich.
Der Begriff Genregulation bezeichnet die Regulation der Genexpression, also die Steuerung der Genaktivität. Sie legt fest, ob und in welcher Menge ein in einem Gen codiertes Protein hergestellt wird. Dabei findet sie 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 (Bakterien/Archaeen)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 am 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 eine Wechselwirkung mit der RNA-Polymerase.
- Operator: Er reguliert die Transkription durch die Bindung von Regulationsfaktoren (Repressor/Aktivator).
- Strukturgene: Das sind Gene im Operon, die Proteine codieren. Sie enthalten also den Protein-Bauplan.
Etwas vom Operon entfernt befindet sich außerdem das Regulatorgen. Es codiert Aktivatoren und Repressoren (Regulationsfaktoren).
Merke: Das Operon-Modell ist ein Modell, mit dessen Hilfe sich die Genregulation bei Prokaryoten leichter verbildlichen und nachvollziehen lässt.
Die Genregulation der Prokaryoten ist vor allem bei der Anpassung an veränderte Umweltbedingungen bedeutend. Damit die Bakterien dauerhaft überleben können, müssen sie sich nämlich an veränderte Nähr- oder Sauerstoffkonzentrationen anpassen können. Dabei gilt: Ein Organismus nutzt nur Gene, die er gerade braucht. So kann er Energie sparen.
Substratinduktion und Endproduktrepression bei Prokaryoten
Am Operon-Modell lassen sich jetzt zwei verschiedene Arten der Genregulation bei den Prokaryoten erkennen:
- Genregulation durch Substratinduktion
Hier induziert das Substrat die Genexpression. Dazu bindet es an den Repressor und deaktiviert ihn. Wie genau das abläuft, zeigt das Beispiel des Lac-Operons.
- Genregulation durch Endproduktrepression
Bei der Endproduktrepression (auch Produktrepression) verhindert das Endprodukt die Transkription von Strukturgenen. Das funktioniert durch die Aktivierung eines Repressors. Eine Genregulation durch Produktrepression siehst du beispielsweise beim trp-Operon.
Lac-Operon (Substratinduktion)
Das Beispiel des Lactose-Operons (Lac-Operons) im Bakterium E. coli zeigt, wie bei Prokaryoten 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. Die RNA-Polymerase kann dann nämlich nicht den DNA-Strang ablesen.
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. Die Lactose induziert also 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 bei Prokaryoten 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.
Es folgt also: Je höher die Tryptophan Konzentration ist, desto mehr inhibiert es seine eigene Synthese.
Genregulation bei Eukaryoten
Im Gegensatz zum Operon Modell bei Prokaryoten, steuert die Genregulation bei Eukaryoten hauptsächlich die Entwicklung von Zellen. Dafür muss dein Körper regulieren, wann welche Zelle welches Gen verwendet.
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
Die Methylierung ist eine chemische Modifikation, die ebenfalls bei der Regulierung der Genaktivität helfen kann. Dabei wird die DNA dicht verpackt.
Generell ist die DNA um spezielle Proteine (Histone) gewickelt. Du nennst dieses Gebilde Chromatin. Während der Methylierung wird die Struktur dieses Chromatins verändert. Das macht die DNA für die RNA-Polymerase unzugänglich, sie kann also nicht abgelesen werden.
Eine weitere Möglichkeit sind Enzyme, die direkt Basen in der DNA methylieren. Das verhindert die Transkription und führt dazu, dass diese Gene sozusagen „stummgeschaltet“ sind.
Übrigens: Auch die Histone können methyliert werden. Das führt dann ebenfalls zu einer kompakteren DNA-Struktur.
Transkriptionsfaktoren
Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die an die DNA binden. So können sie Gene an- und ausschalten und die Genexpression regulieren. Die Bindung an einen sogenannten Enhancer beschleunigt dabei die Transkription. Dagegen wirkt die Bindung an einen Silencer auf die Transkription verlangsamend.
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.
Genregulation — häufigste Fragen
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Was ist die Genregulation einfach erklärt?
Die Genregulation ist ein Mechanismus, dank dem sich Organismen an Umweltveränderungen anpassen können. Er kontrolliert die Proteinbiosynthese und sorgt dafür, dass Zellen die richtige Menge an benötigten Proteinen bilden.
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Was ist der Unterschied zwischen Substratinduktion und Endproduktrepression?
Die Substratinduktion und die Endproduktrepression sind beides Arten der Genregulation bei Prokaryoten. Während bei der Substratinduktion das Substrat die Genaktivität beeinflusst, ist dafür bei der Endproduktrepression das Produkt der Enzymreaktion verantwortlich.
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Was ist Genregulation?
Der Vorgang der Genregulation steuert die Aktivität von Genen und Genabschnitten. Er beeinflusst also, welche Proteine produziert werden und steigert und verringert ihre Menge (Konzentration) innerhalb einer Zelle.
Proteinbiosynthese Abiwissen
Super, jetzt kennst du dich mit der Genregulation aus! Wie genau Proteine während der Proteinbiosynthese hergestellt werden und wie dabei die mRNA stabiler gemacht wird, zeigen wir dir in diesem Video!
