Genregulation: Operon-Modell, lac-Operon und trp-Operon

Genregulation bedeutet, dass eine Zelle steuert, welche ihrer Gene wann und wie stark abgelesen werden. Jede Körperzelle enthält das vollständige Erbgut, aber sie braucht nie alle Gene gleichzeitig. Eine Leberzelle stellt andere Proteine her als eine Nervenzelle, und ein Bakterium muss nur dann einen Zucker abbauen, wenn er auch vorhanden ist. Die Genregulation sorgt dafür, dass Proteine nur dann entstehen, wenn sie gebraucht werden.

Das spart Energie und Material. Die Herstellung eines Proteins ist aufwendig. Würde eine Bakterienzelle ständig Enzyme für Zucker bilden, der gar nicht vorhanden ist, würde sie Ressourcen verschwenden und im Wettbewerb mit anderen Bakterien verlieren. Regulierte Gene sind deshalb ein Überlebensvorteil.

Gesteuert werden kann an vielen Stellen. Am häufigsten greift die Zelle bei der Transkription ein, also beim Umschreiben der DNA in mRNA. Das erste und bekannteste Modell dafür ist das Operon-Modell, das François Jacob und Jacques Monod 1961 für Bakterien aufstellten.

Ein Operon ist eine Funktionseinheit der DNA bei Bakterien, in der mehrere Gene gemeinsam reguliert werden. Es besteht aus mehreren Teilen. Die Strukturgene codieren die Enzyme eines Stoffwechselwegs und liegen hintereinander. Der Promotor ist die Startstelle, an der die RNA-Polymerase bindet. Zwischen Promotor und Strukturgenen liegt der Operator, eine kurze Bindestelle für ein Regulatorprotein.

Das Regulatorgen liegt meist an anderer Stelle der DNA und gehört nicht zum Operon. Es codiert den Repressor, ein Protein, das am Operator bindet. Sitzt der Repressor dort, kann die RNA-Polymerase nicht weiterlaufen, und die Strukturgene werden nicht abgelesen. Der Operator wirkt damit wie ein Schalter, der Repressor wie der Finger auf dem Schalter.

Weil alle Strukturgene eines Operons gemeinsam in eine einzige mRNA umgeschrieben werden, werden die zugehörigen Enzyme auch gemeinsam gebildet. Das ist praktisch, denn ein Stoffwechselweg braucht in der Regel alle seine Enzyme zugleich.

Das lac-Operon des Darmbakteriums Escherichia coli enthält die Gene für den Abbau von Milchzucker, der Lactose. Es ist ein Beispiel für die Substratinduktion. Ohne Lactose ist das Operon abgeschaltet: Der Repressor ist aktiv, bindet an den Operator und blockiert die RNA-Polymerase. Die Enzyme werden nicht gebildet, was sinnvoll ist, denn ohne Lactose wären sie nutzlos.

Gelangt Lactose in die Zelle, wird ein kleiner Teil davon zu Allolactose umgewandelt. Dieses Molekül wirkt als Induktor. Es bindet an den Repressor und verändert dessen Raumstruktur. Der Repressor passt dann nicht mehr an den Operator und löst sich von der DNA. Jetzt kann die RNA-Polymerase die Strukturgene ablesen, und die Enzyme für den Lactoseabbau entstehen, darunter die Beta-Galactosidase.

Ist die Lactose verbraucht, fehlt der Induktor, der Repressor wird wieder aktiv, bindet den Operator, und das Operon schaltet sich ab. Ein Substrat schaltet also die Gene für seinen eigenen Abbau ein. Daran liegt der Name Substratinduktion. Zusätzlich liest die Zelle das lac-Operon kaum ab, wenn Glucose vorhanden ist, weil diese der bevorzugte Energielieferant ist.

Das Gegenstück zur Substratinduktion ist die Endproduktrepression. Sie lässt sich am trp-Operon zeigen, das die Gene zur Herstellung der Aminosäure Tryptophan enthält. Hier ist das Operon normalerweise angeschaltet, denn das Bakterium braucht Tryptophan für die Proteinbiosynthese. Der Repressor ist ohne Tryptophan inaktiv und bindet nicht an den Operator.

Sammelt sich viel Tryptophan in der Zelle, wirkt es als Corepressor. Es bindet an den Repressor und macht ihn aktiv. Der aktive Repressor bindet nun an den Operator und schaltet das Operon ab. Die Zelle stellt kein Tryptophan mehr her, solange genug vorhanden ist. Sinkt die Menge, fällt der Corepressor weg, und das Operon wird wieder abgelesen.

Der Unterschied zum lac-Operon ist grundsätzlich. Beim lac-Operon ist der Repressor ohne Signalstoff aktiv, und der Induktor macht ihn unwirksam. Beim trp-Operon ist der Repressor ohne Signalstoff inaktiv, und das Endprodukt macht ihn wirksam. Das erste System regelt Abbauwege, das zweite Aufbauwege.

Der häufigste Fehler ist, die beiden Systeme zu vertauschen. Beim lac-Operon schaltet das Substrat Lactose, genauer sein Umwandlungsprodukt Allolactose, die Gene an, indem es den Repressor unwirksam macht. Beim trp-Operon schaltet das Endprodukt Tryptophan die Gene aus, indem es den Repressor wirksam macht. Wer diese Logik umdreht, beantwortet fast jede Aufgabe falsch.

Ein zweiter Fehler ist die Vorstellung, der Induktor binde an die DNA oder an die RNA-Polymerase. Er bindet an den Repressor und verändert dessen Form. Der Repressor ist ein Protein und kein Gen. Das Regulatorgen codiert ihn, es liegt aber außerhalb des Operons.

Drittens wird das Operon-Modell oft auf alle Lebewesen übertragen. Es gilt für Bakterien. Bei Zellen mit Zellkern, also Eukaryoten, läuft die Genregulation komplizierter ab, mit Transkriptionsfaktoren, Enhancern und epigenetischen Markierungen.

Genregulation begegnet dir an vielen Stellen. Alle Zellen deines Körpers tragen dieselbe DNA, trotzdem gibt es Haut-, Muskel- und Nervenzellen. Der Grund ist die Genregulation: In jedem Zelltyp sind andere Gene angeschaltet. So entsteht aus einer befruchteten Eizelle ein ganzer Mensch mit sehr unterschiedlichen Geweben.

Auch bei der Milchverdauung spielt Genregulation eine Rolle. Das Enzym Lactase spaltet Milchzucker im Dünndarm. Bei vielen Menschen wird das Lactase-Gen im Erwachsenenalter weniger abgelesen. Dann fehlt das Enzym, und es kommt zur Laktoseintoleranz.

In der Biotechnologie wird die Genregulation genutzt, um Bakterien gezielt Proteine produzieren zu lassen. Ein Fremdgen wird hinter einen regulierbaren Promotor gesetzt und lässt sich dann durch Zugabe eines Induktors anschalten. So werden zum Beispiel Insulin und andere Wirkstoffe hergestellt.