Operon

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Ein Operon ist eine Funktionseinheit auf der DNA, bestehend aus Promotor, Operator und (Struktur-)Genen, die für ein oder mehrere Proteine codieren. Je nach Operon können verschiedene von der Zelle aufgenommene oder in der Zelle gebildete Stoffe (Repressormoleküle) mit dem Operator in Wechselwirkung treten und dadurch die Transkription der Gene im Operon an- oder abschalten. Auf diese Weise wird die Synthese der betreffenden Proteine (Translation) aktiviert oder gehemmt.

Das Operon-Modell der Genregulation wurde 1961 von den französischen Wissenschaftlern François Jacob und Jacques Monod anhand des lac-Operons von E. coli entwickelt. Für ihre Arbeiten auf diesem Gebiet erhielten sie 1965 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Operi spielen auch eine wichtige Rolle in der Gentechnik. Durch Einführung gewünschter Gene in ein Operon kann man sie unter die Kontrolle des Operators stellen und z.B. im Falle des lac-Operons durch Zugabe von Lactose gezielt aktivieren.

[Bearbeiten] Genregulation am Beispiel des Lactose-Operons

Übersicht über Bau und Funktion des lac-Operons

Das Repressorprotein, welches von einem außerhalb des lac-Operons liegenden DNA-Abschnitt codiert wird, bindet an den Operator und blockiert damit für die RNA-Polymerase den Zugang zum Promotor.
Das Enzym RNA-Polymerase kann nicht mehr an den Promotor binden, damit wird die Synthese der mRNA (Transkription) verhindert und damit auch die Synthese der Proteine.
Ist jedoch Lactose vorhanden, wird diese in einer Nebenreaktion der β-Galaktosidase zu Allolaktose umgesetzt. Die Allolaktose bindet an den Repressor, welcher dadurch seine Proteinstruktur reversibel ändert und nicht länger in der Lage ist, an den Operator zu binden.
Dadurch kann die RNA-Polymerase an den Promotor binden und die Transkription der Gene im Operon findet statt. Anschließend können die Enzyme des Lactose-Abbaus synthetisiert werden.

Sinn: Durch diese Regulation kann das Bakterium die für den Abbau von Lactose notwendigen Enzyme genau dann synthetisieren, wenn sie auch tatsächlich gebraucht werden: wenn außer Lactose keine andere Energiequelle in der Umgebung vorhanden ist.

Praktische Bedeutung erhält das Lactose-Operon für das Bakterium auch dann, wenn es unter verschiedenen möglichen Energiequellen nur die Optimale verwertet, aber später auch auf andere Nährstoffe zurückgreifen muss. In Laborexperimenten wird dies beim diauxischen Wachstum deutlich. Sind im Medium z.B. Glucose und Lactose vorhanden, verwertet das Bakterium zunächst die 'bessere' Energiequelle Glucose. Zwar wird unter diesen Bedingungen der Lactose-Repressor abgeschaltet, jedoch unterbleibt die Expression der Gene des Lactose-Operons. Ursache dafür ist, dass anwesende Glucose die Konzentration an intrazellulärem cAMP niedrig hält. Für die Transkription der Gene ist aber die Bindung eines positiven Regulators, dem CRP (cAMP-Rezeptorprotein), auch als CAP (Katabolit-Aktivatorprotein) bezeichnet, unerlässlich. Dieses benötigt jedoch cAMP für seine Funktion. Erst wenn die Glucose verbraucht ist, kann der Spiegel an intrazellulärem cAMP wieder ansteigen, CRP an das Operon binden und im Falle eines durch Lactose inaktivierten Repressors die Expression des Lactose-Operons einleiten. Der Vorteil dieses Mechanismus: Lactose ist als Kohlenstoff- und Energiequelle weniger effektiv verwertbar als Glucose. In einer Zellkultur würde man auf Lactose ein langsameres Wachstum verzeichnen als auf Glucose. Der Organismus gewährleistet somit die für ihn optimale Nährstoffnutzung, indem er zunächst die bessere Nahrung verwertet.

Dieser Mechanismus beschreibt demnach einen Regulationsvorgang, dessen Ergebnis sowohl von den äußeren Bedingungen (Nährstoffangebot), als auch von Status der Zelle abhängt. Die Genexpression wird somit auf zwei Ebenen kontrolliert:

Positive Regulation: cAMP vorhanden, damit Bindung von CRP an den Operator (Katabolitrepression)
Negative Regulation: Lactose vorhanden, damit Unterbleiben der Bindung des Repressors an den Operator