14.12: Operone

Die Genexpression in Prokaryoten kann durch Operons gesteuert werden. Die DNA-Sequenzen bestehen aus regulatorischen Elementen und geclusterten, funktionell verwandten proteinkodierenden Genen. Operons verwenden eine bestimmte Promotorsequenz, um die Transkription eines Gen-Clusters (d.h. einer Gruppe von Struktur-Genen) in ein einziges mRNA-Molekül zu initiieren. Die Terminatorsequenz beendet die Transkription. Eine Operatorsequenz welche sich zwischen dem Promotor und den Struktur-Genen befindet, verhindert die Transkriptionsaktivität des Operons, wenn es durch ein Repressorprotein gebunden ist. Insgesamt bilden der Promotor, der Operator, die Struktur-Gene und der Terminator den Kern eines Operons.

Operons sind in der Regel entweder induzierbar oder repressiv. Induzierbare Operons, wie z.B. das bakterielle Lac-Operon, sind normalerweise ausgeschaltet. Sie werden aber in Gegenwart eines kleinen Moleküls, dem sogenannten Induktor (z.B. Allolaktose), eingeschaltet. Wenn keine Glukose vorhanden ist, aber Lactose ist da, bindet die Allolactose und inaktiviert den Lac-Operon-Repressor. So kann das Operon Enzyme bilden, die für den Lactose-Stoffwechsel verantwortlich sind.

Repressive Operons, wie z.B. das bakterielle Trp-Operon, sind in der Regel eingeschaltet, werden aber in Gegenwart eines kleinen Moleküls, eines so genannten Korepressors (z.B. Tryptophan), ausgeschaltet. Wenn Tryptophan, eine essenzielle Aminosäure, im Überfluss vorhanden ist, bindet und aktiviert Tryptophan den TrpRepressor und verhindert, dass das Operon die für seine Synthese erforderlichen Enzyme produziert.

Operons können auch konstitutiv (d.h. kontinuierlich) aktiv sein. Beispielsweise sind bakterielle ribosomale RNA-Operone (rRNA) immer eingeschaltet, da rRNAs ständig für die Translation benötigt werden.

Weitere regulierende Elemente tragen ebenfalls zu einer koordinierten Genexpression der Operons bei. So kodieren regulatorische Gene für Transkriptionsaktivatoren oder Repressorproteine. Die LacI-und TrpR-Gene kodieren beispielsweise für ihre jeweiligen Operon-Repressoren. Zusätzliche regulatorische Sequenzen, wie die Bindungsstelle des CAP-Proteins (catabolite activator protein), bieten Bindungsstellen für andere Aktivatoren oder Repressoren. Wenn der Glukosegehalt gering ist, aktiviert beispielsweise ein Signalmolekül (d.h. ein zyklisches AMP) das CAP und ermöglicht ihm, die CAP-Bindungsstelle zu binden, die RNA-Polymerase zu rekrutieren und die Lac-Operon-Transkription zu initiieren.

In prokaryotischen Zellen ist ein Operon eine Gruppe genetischer Sequenzen, die regulatorische Elemente und mehrere proteinkodierende Gene enthalten, die Strukturgene, die zusammen transkribiert werden. Einer der am besten untersuchten Fälle ist das Lac-Operon in Bakterien, das die drei Gene lac-Z, lac-Y und lac-A enthält, diese kodieren die für den Stoffwechsel der Laktose notwendigen Enzyme sowie die Promotor-, Operator- und Terminatorsequenzen, die die Expression der lac-Gene regulieren. Wenn die Glukosekonzentration im Überfluss vorhanden ist, bindet das lac-Repressorprotein normalerweise fest an den Operator und verhindert die Transkription der lac-Gene, indem es die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor blockiert.

Der lac-Repressor ist konstitutiv exprimiert, was bedeutet, dass das Gen, das ihn codiert, standardmäßig aktiviert ist. Wenn die Glukosekonzentration sehr niedrig ist, verwendet die Zelle Laktose als Energiequelle. Einmal in der Zelle vorhanden, wird ein Teil der Lactose in eine modifizierte Version umgewandelt, die Allolactose genannt wird und als Induktor des lac-Operons bekannt ist, da sie an den Repressor bindet und diesen hemmt und so die Expression der lac-Gene auslöst.

Bei niedrigen Glukosespiegeln nimmt außerdem die Menge des Signalmoleküls cyclisches AMP zu und bindet an das Katabolitenaktivatorprotein oder CAP. Zusammen binden sie an eine regulatorische Sequenz, die sich ungefähr stromaufwärts des Promotors befindet und helfen bei der Rekrutierung der RNA-Polymerase, um die Transkription signifikant zu erhöhen. Während der Transkription wird ein einzelner mRNA-Strang produziert und freigesetzt, wenn die Polymerase die Terminatorsequenz erreicht. Aus dieser mRNA werden die drei Proteine übersetzt, die zur Verarbeitung von Lactose notwendig sind. ?-Galactosidase - Permease - Transacetylase