Genregulation bei Eukaryoten & Prokaryoten

Damit Dein Körper funktioniert, besteht Dein Genom aus ca. unglaublichen $20 \,000$ Genen, aber auch das Genom von den kleinen Bakterien kann mehrere tausend Gene enthalten. Damit eine Zelle nur die Gene exprimiert, welche je nach Situation benötigt werden, werden Gene reguliert. Das heisst Gene können abgeschaltet werden, damit nicht unnötig Energie verschwendet wird für Gene die nicht benötigt werden. Bei Bedarf können Gene jedoch auch wieder angeschaltet werden oder ihre Aktivität kann erhöht werden. Das sind regulierte Gene. Es gibt jedoch auch Gene, die immer exprimiert werden, die konstitutiven Gene.

Genregulation bei Prokaryoten

Prokaryoten regulieren ihre Gene vor allem auf der Ebene der Transkription. Das heisst, sie haben ein komplexes System, das entscheidet, wann welche Gene exprimiert werden und wann nicht.

Verschiedene Sigma Faktoren

Die RNA Polymerase von Bakterien muss einen sogenannten Sigma-Faktor binden, um die Transkription an Genen zu starten. Dabei hat eine bakterielle Zelle verschiedene Sigma Faktoren. Je nachdem, welchen Sigma-Faktor die RNA Polymerase bindet, transkribiert sie andere Gene.

Operon

In Prokaryoten hat es oft Cluster im Genom, wo mehrere Gene unter der Kontrolle desselben Promotors liegen. Zusätzlich zu diesem Promotor für mehrere Gene hat es auch einen Operator. Der Operator ist ein zusätzlicher Kontrollmechanismus, der die Expression der Operongene verhindert oder aktiviert. Solch genetische Sequenz nennt sich Operon. Dabei sind die Gene eines Operons meist für eine Biosynthese oder einen Degradierungsweg. Zum Beispiel sind alle Gene des Trp-Operons dafür notwendig, um die Aminosäure Tryptophan zu synthetisieren. Die Gene des Lac-Operons sind dafür zuständig, dass die Zelle Lactose abbauen kann. So können Bakterien bei einem Nährstoffmangel oder beim Auftreten einer neuen Nahrungsquelle schnell reagieren.

Induzierbare Operone: Beispiel Lac-Operon

Induzierbare Operone sind typisch für Stoffabbauwege. Sodass, wenn der Stoff nicht vorhanden ist, keine Energie verschwendet wird, um Abbauproteine für ihn herzustellen.

Normalerweise konsumiert E. coli gerne Glucose. Hat es jedoch keine Glucose und dafür Lactose, so wird das Lac-Operon angeschaltet. Dieses besteht aus einem gemeinsamen Promotor, dem Operator und aus drei Genen, die für den Lactoseabbau gebraucht werden. Normalerweise sitzt ein Repressor Protein am Operator und blockiert das Andocken der RNA Polymerase. Somit kann das Operon nicht exprimiert werden, da die Transkription nicht starten kann. Nimmt das Bakterium aber Lactose auf, so passiert eine Substratinduktion (Substrat aktiviert den Abbau von sich selbst):

Der Repressor sitzt auf dem Operator und blockiert die Transkription. Er hat keine Lactose gebunden.
Lactose kommt in die Zelle und bindet an den Repressor. Durch dieses Andocken wird der Repressor inaktiv.
Der Repressor fällt von der DNA weg und die RNA Polymerase kann andocken.
Das Operon liegt unter Kontrolle desselben Promotors, weshalb alle drei Gene als eine m-RNA transkribiert werden.
Die Gene werden einzeln am Ribosom translatiert, da sie durch Start und Stopp Codons voneinander getrennt sind.
Die Proteine bauen Lactose ab zu Glucose und Galactose.

Biologie; Die genetische Information; 1. Gymi; Genregulation bei Eukaryoten & Prokaryoten — **A: Keine Lactose vorhanden**
1. Lac-Operon
2. Repressorgen
3. RNA Polymerase, blockiert
4. Gene um Laktose abzubauen
5. Transkription des Repressors
6. Translation des Repressors
7. Repressor, aktiv
8. Repressor dockt an Operator
9. Gene werden nicht exprimiert, da Repressor sie blockiert

**B: Lactose vorhanden**
10. Repressor bindet Lactose
11. Gebundener Repressor kann Operator nicht binden
12. RNA Polymerase kann nun Lac-gene transkribieren
13. Exprimierung der 3 Proteine, die nötig sind um Lactose abzubauen

Reprimierbare Operone: Beispiel Trp-Operon

Reprimierbare Operone sind typisch für Stoffaufbauwege. Sodass, wenn das Produkt des Aufbauweges bereits im Überschuss vorhanden ist, keine Energie verschwendet wird, um weiter Aufbauproteine für es herzustellen.

E. coli kann die Aminosäure Tryptophan mithilfe von fünf Enzymen herstellen. All diese fünf Enzyme sind zusammen mit einem Operator und einem gemeinsamen Promotor im Trp-Operon codiert. Normalerweise ist dieses Gen angeschaltet und der Repressor ist inaktiv. Somit wird alles produziert, um Tryptophan herzustellen. Sobald jedoch zu viel Tryptophan vorhanden ist, bindet dieses an den Repressor. Es passiert eine Endproduktrepression (Produkt blockiert weitere Herstellung):

Das Trp-Operon wird als 1 m-RNA transkribiert und die Enzyme werden hergestellt. Der Repressor ist inaktiv.
Durch eine zu hohe Tryptophan Konzentration bindet dieses an den Repressor (Tryptophan wirkt hier als Co-Repressor). Durch die Bindung wird der Repressor aktiv.
Der Repressor bindet an den Operator. Nun werden die Synthesegene für Tryptophan nicht mehr transkribiert.

Biologie; Die genetische Information; 1. Gymi; Genregulation bei Eukaryoten & Prokaryoten — **A: Kein Tryptophan vorhanden**
1. Trp-Operon
2. Repressorgen
3. Gene um Tryptophan zu synthetisieren
4. Transkription des Repressors
5. RNA Polymerase, nicht blockiert
6. Operator, kein Repressor gebunden
7. RNA Polymerase, nachdem sie die Trp Gene transkribiert hat
8. Translation des Repressors
9. Repressor, inaktiv
10. Edukte
11. Fertiges Tryptophan

**B: Zuviel Tryptophan vorhanden**
12. RNA Polymerase, blockiert
13. Operator, Repressor gebunden
14. Repressor, inaktiv
15. Tryptophan (Corepressor)
16. Repressor, aktiv
17. Gene werden nicht exprimiert, da blockiert

Genregulation bei Eukaryoten

Die Regulierung von Genen kommt bei Eukaryoten auf mehreren Ebenen vor.

Epigenetik und Regulation der Transkription

Auch bei Eukaryoten wird die Transkription von Genen stark kontrolliert, jedoch mit anderen Methoden als bei Prokaryoten. Dadurch, dass die Transkription reguliert wird, stellt die Zelle nur die Proteine her, die sie auch wirklich benötigt. Ähnlich wie das Sigma-Faktor-System besitzen eukaryotische Zellen viele verschiedene Transkriptionsfaktoren. Dabei handelt es sich um Proteine, die Gene an regulatorischen Sequenzen aktivieren oder hemmen können. Solch regulatorische Sequenzen können auch weit weg vom Gen sein, das sie regulieren, indem sich die DNA nachher durch den Raum zum Gen hinbeugt. Die eukaryotische DNA besitzt viel mehr regulatorische Sequenzen als die prokaryotische DNA.

Epigenetische Veränderungen sind reversible Modifikationen an der DNA Struktur. Durch solche Veränderungen können Gene aktiviert oder deaktiviert werden. Ein Beispiel dafür ist die Histonmethylierung. Je nach Methylierung können die Histon Proteine die DNA so dicht einpacken, sodass die RNA Polymerase nicht mehr dazu kommt.

Biologie; Die genetische Information; 1. Gymi; Genregulation bei Eukaryoten & Prokaryoten — 1. DNA Beugungs Protein
2. Promotornahe regulatorische Elemente mit Transkriptionsfaktoren
3. DNA Loop
4. Promotorfernes regulatorisches Element
5. RNA Polymerase

Regulation durch alternatives Splicing

Eukaryoten können aus einer DNA-Sequenz verschiedene Produkte herstellen. Wie aber kann die Zelle aus einem Code verschiedene Produkte herstellen? Diese Fähigkeit haben Deine Zellen dank des alternativen Splicing, dabei wird die produzierte m-RNA nach der Transkription gesplicet. Das heisst, viele Enzyme oder andere RNA verändern die Struktur der frisch hergestellten m-RNA. Dabei können Abschnitte hinaus geschnitten werden, was der Zelle ermöglicht aus einer unreifen RNA Sequenz verschiedene reife m-RNAs herzustellen.

Biologie; Die genetische Information; 1. Gymi; Genregulation bei Eukaryoten & Prokaryoten — A: DNA, 1-4 : Exons
B: pre m-RNA
C: reife m-RNA
D: fertiges Protein

3: Transkription
4: Splicing
5: Translation

Somit kann ein DNA-Abschnitt viele Produkte hervorbringen, was unter anderem auch Teil der Genregulation ist. Einige Abschnitte werden eigentlich immer hinaus geschnitten, diese heissen Introns. Andere Abschnitte codieren für Peptide und können kombiniert werden, diese Abschnitte werden Exons genannt.

Regulation auf posttranslationaler Ebene

Eukaryotische Zellen können nach der Translation ihre Proteine modifizieren, mit sogenannten posttranslationalen Modifikationen. Dabei werden Proteine zum Beispiel phosphoryliert (+Phosphat) oder ubiquitiniert (+Ubiquitin, ein kleines Protein), was ihre Aktivität reguliert und beeinflusst. Die Vielfalt an Modifikationen ist gross und diese Ebene der Kontrolle ist zwar Energie ineffizient, aber dafür sehr schnell. Regulation der Transkription spart viel Energie, aber ist auch langsamer.