Das lac-Operon – ein induzierbares System

Das erste auf molekularer Ebene ausgearbeitete Kontrollsystem für die Enzymproduktion beschrieb die Steuerung von Enzymen, die als Reaktion auf das Vorhandensein des Zuckers Laktose in E. coli-Zellen produziert werden. Diese Arbeit wurde von Jacob und Monod durchgeführt, für die sie den Nobelpreis erhielten. Im Folgenden wird der Weg beschrieben, der zur Produktion von Glukose und Galaktose führt.

Lactose -----------------------------------> Glucose + Galactose
ß-galactosidase

Es gibt mehrere Proteine, die am Laktosestoffwechsel in der E. coli-Zelle beteiligt sind.Sie sind:

  • ß-Galaktosidase – wandelt Laktose in Glukose und Galaktose um
  • ß-Galaktosid-Permease – transportiert Laktose in die Zelle
  • ß-Galaktosid-Transacetylase – Funktion unbekannt

Die Forschung mit diesem System wurde durch die Verfügbarkeit konstitutiver Mutanten stark erweitert. Bei diesen Mutanten wurden die oben genannten Proteine ständig produziert, im Gegensatz zum Wildtyp, bei dem die Proteine nur in Anwesenheit von Laktose auftraten.

Bei diesen Mutanten muss es sich also um ein anderes Gen handeln als das, das für die Strukturgene verantwortlich ist.

Alle Gene, die an der Steuerung dieses Weges beteiligt sind, befinden sich nebeneinander auf dem E. coli-Chromosom. Zusammen bilden sie ein Operon, dessen genetische Struktur sich wie folgt darstellt.

Steuerkreis für das lac-Operon

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
lac-Operon-Gen Genfunktion

I

Gen für Repressorprotein

P

Promoter

O

Operator

lac Z

Gen für ß-Galactosidase

lac Y

Gen für ß-Galactosid-Permease

lac A

Gen für ß-Galaktosid-Transacetylase

Operon – ein Cluster von Strukturgenen, die als Gruppe exprimiert werden, und der dazugehörige Promotor und Operator

Wie funktioniert das System? Ohne Laktose in der Zelle bindet das Repressorprotein an den Operator und verhindert das Einlesen der RNA-Polymerase in die drei Strukturgene. Mit Laktose in der Zelle bindet die Laktose an den Repressor. Dies führt zu einer strukturellen Veränderung des Repressors und er verliert seine Affinität zum Operator. Dadurch kann die RNA-Polymerase an den Promotor binden und die Strukturgene transkribieren. In diesem System fungiert Laktose als Effektormolekül.

Effektormolekül – ein Molekül, das mit dem Repressor interagiert und die Affinität des Repressors für den Operator beeinflusst

Mit den oben genannten Informationen können wir nun vorhersagen, wie sich verschiedene Mutanten auf die Genexpression des Lac-Operons auswirken.

Mutiertes lac-Gen Mutierter Phänotyp

I-

Konstitutive Expression, da der Operator nie geschlossen wird

O-

konstitutive Expression, da das Repressorprotein nicht binden kann

P-

keine Expression des Operons, weil RNA-Polymerase nicht binden kann

lac Z-

keine Glucose- oder Galactoseproduktion aus Lactose

lac Y-

keine Induktion, da Laktose nicht in die Zelle aufgenommen wird

Katabolitenrepression des lac-Operons

Laktose ist nicht die bevorzugte Kohlenhydratquelle für E. coli. Wenn Laktose und Glukose vorhanden sind, verbraucht die Zelle die gesamte Glukose, bevor das lac-Operon eingeschaltet wird. Diese Art der Kontrolle wird alscatabolite repression bezeichnet. Um den Laktosestoffwechsel zu verhindern, gibt es eine zweite Ebene der Kontrolle der Genexpression. Der Promotor des Lac-Operons verfügt über zwei Bindungsstellen. Die eine Stelle ist die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase, die zweite Stelle ist die Bindungsstelle für einen Komplex zwischen dem Kataboliten-Aktivator-Protein (CAP) und zyklischem AMP (cAMP). Die Bindung des CAP-cAMP-Komplexes an die Promotorstelle ist für die Transkription des lac-Operons erforderlich. Das Vorhandensein dieses Komplexes ist eng mit dem Vorhandensein von Glukose in der Zelle verbunden. Wenn die Glukosekonzentration steigt, nimmt die Menge an cAMP ab. In dem Maße, wie das cAMP abnimmt, nimmt auch die Menge des Komplexes ab. Durch diese Abnahme des Komplexes wird der Promotor inaktiviert, und das lac-Operon wird ausgeschaltet. Da der CAP-cAMP-Komplex für die Transkription benötigt wird, übt der Komplex eine positive Kontrolle über die Expression des lac-Operons aus.