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Biologie · Molekulare Genetik
Wie Zellen Gene gezielt an- und abschalten: das Operon der Prokaryoten mit Lac- und Trp-Beispiel, Transkriptionsfaktoren und Regulationsebenen der Eukaryoten.
Zellen lesen nur die Gene, die sie gerade brauchen. Bei Bakterien schaltet ein Repressor ein ganzes Operon, bei Eukaryoten steuern Transkriptionsfaktoren jedes Gen einzeln.
Fast alle Körperzellen haben dieselbe DNA und nutzen doch verschiedene Gene: Hämoglobin bilden nur Vorläufer der roten Blutkörperchen. So entstehen verschiedene Zelltypen.
Bei Prokaryoten liegen zusammengehörige Gene oft in einem Operon: ein Promotor (Startstelle der RNA-Polymerase), ein Operator (Bindestelle des Repressors) und mehrere Strukturgene. Sie werden gemeinsam in eine polycistronische mRNA abgeschrieben. Beim Menschen ist diese Organisation untypisch.
Der Repressor sitzt am Operator und blockiert die RNA-Polymerase. Aktivatoren fördern die Transkription. Ein Regulatorgen mit eigenem Promotor codiert den Repressor (beim Lac-System lacI).
Ohne Lactose sitzt der Repressor LacI am Operator, die Abbau-Gene sind aus. Kommt Lactose in die Zelle, wandelt β-Galactosidase einen Teil in Allolactose um. Sie ist der Induktor: Sie bindet an LacI, der sich vom Operator löst und nicht abgebaut wird.
Stark abgelesen wird erst, wenn auch Glucose knapp ist: Dann ist viel cAMP da, und CAP–cAMP hilft der RNA-Polymerase beim Start.
| Lactose |
|---|
| Transkription |
|---|
| fehlt | egal | aus: LacI sitzt am Operator |
| da | viel | schwach: Repressor weg, aber kein CAP–cAMP |
| da | wenig | stark: Repressor weg, CAP–cAMP aktiv |
Die Gene werden auch ohne Lactose abgelesen, weil nichts die RNA-Polymerase blockiert.
Der Trp-Repressor ist von sich aus inaktiv. Erst Tryptophan bindet als Co-Repressor, dann sitzt er am Operator und stoppt die Gene für die Tryptophan-Synthese. Bei wenig Tryptophan bleibt der Repressor inaktiv, und die Gene werden abgelesen.
Lac (Substratinduktion): Der Repressor ist von Haus aus aktiv, Allolactose nimmt ihn weg. Trp (Endproduktrepression): Der Repressor ist von Haus aus inaktiv, erst Tryptophan schaltet ihn scharf.
| Merkmal | Prokaryoten | Eukaryoten |
|---|---|---|
| Gene | im Operon gebündelt | jedes mit eigenem Promotor |
| Steuerstellen | Operator | Enhancer, Silencer |
| Regulatoren | Repressor, CAP | Transkriptionsfaktoren |
Transkriptionsfaktoren binden an cis-Elemente, DNA-Abschnitte auf demselben Molekül wie das Gen. Allgemeine Faktoren sitzen am Promotor und holen die RNA-Polymerase. Spezifische Faktoren binden an Enhancer (verstärken) oder Silencer (dämpfen), auch weit entfernt: Die DNA bildet dafür eine Schleife.
→ Ausführlich in: Aufbau eukaryotischer Gene
Es gibt sechs Ebenen, die erste ist die wichtigste:
DNA-Methylierung an CpG-reichen Promotoren hemmt meist die Transkription, RNA-Interferenz blockiert die Translation oder fördert den mRNA-Abbau. → Ausführlich in: Epigenetik
Schrittfolge
Deine AufgabeVergleiche LacI am Operator, Enthemmung durch Allolactose und zusätzliche Aktivierung durch CAP–cAMP. Verfolge dieselbe DNA-Karte in vier kompakten Zuständen und im Gesamtüberblick.
Schritt 1 von 5
Interaktives Modell
Deine AufgabeStelle alle vier Kombinationen von Lactose und Glucose ein: Bei welcher wird stark transkribiert, und welches Molekül ist jeweils der Grund?
