Die experimentelle Entschlüsselung der Genregulation

Hallo. Bestimmt hast du schon einmal gehört, dass in jedem Organismus viel mehr Gene vorhanden sind, als gerade abgelesen werden. Beim Bakterium Escherichia coli sind das unter spezifischen Umweltbedingungen teilweise nur 600 von 4000 Genen. Einige Proteine werden also immer vom Stoffwechsel benötigt. Andere nur bei Bedarf. Die Steuerung der Aktivität von Genen, also die Steuerung der Genexpression, bezeichnet man als Genregulation. Sie legt fest, ob, wann und wie Proteine synthetisiert werden. In diesem Video geht es, um die Entschlüsselung der Genregulation. Wir schauen und die Experimente von den Nobelpreisträgern François Jacob und Jacques Monod an und diskutieren die Ergebnisse. Außerdem beschäftigen wir uns näher mit dem lac-Operon bei Prokaryoten und erklären den evolutionären Nutzen der Genregulation. In den 50er-Jahren führten François Jacob und Jacques Monod verschiedene Experimente durch, die ihnen 1965 den Nobelpreis bescherten. Zunächst stellten sie fest, dass Escherichia coli Bakterien sich normalerweise von Glucose ernähren. Sie nutzen die bei der Spaltung in Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehende Energie, um zu leben. Ist keine Glucose vorhanden, ernähren sie sich von Laktose, also Milchzucker. Lactose ist ein Zweifachzucker, der aus Galactose und Glucose besteht. Escherichia coli ist also in der Lage, das Enzym β-Galactosidase zur Spaltung dieses Zuckers zu synthetisieren. Monod und Jacob verwendeten die Anzahl der Bakterien als Messzahl für die Nahrungsaufnahme. Hier siehst du ein Diagramm, dass die Wachstumsrate der Bakterienpopulation pro Zeit zeigt. Beim Wechsel von Glucose zur Lactoselösung siehst du einen Wachstumsstillstand, bevor die Wachstumsrate erneut ansteigt. Außerdem ist nach circa drei Minuten erstmals das Enzym β-Galactosidase nachweisbar. In einem weiteren Experiment beschäftigten sich Jacob und Monod mit der Aminosäure Tryptophan. Sie machten folgende Beobachtung: Ist Tryptophan in der Nährlösung enthalten, werden von Escherichia coli Bakterien weniger Enzyme produziert, die für die Produktion dieser Aminosäure notwendig sind. Ist kein Tryptophan im Substrat vorhanden, sind viel mehr für die Synthese von Tryptophan notwendige Enzyme nachweisbar. Wie lassen sich diese Ergebnisse erklären? Schauen wir uns als erstes die Umstellung von Glucose auf Lactose an. Die Produktion des Enzyms β-Galactosidase wird durch die Zugabe von Lactose hervorgerufen. Das Ablesen des zugehörigen Gens wird durch das Substrat Lactose angeschaltet, also induziert. Dieser Vorgang heißt Substratinduktion. Die RNA-Polymerase dockt an einen Promotor an. Normalerweise bindet ein Repressor an dem Abschnitt dahinter, dem Operator. Erst Lactose sorgt dafür, dass der Repressor inaktiviert wird. Dadurch ändert sich die Struktur des Operators und die dahinterliegenden, kodierenden Strukturgene für das Enzym β-Galactosidase können abgelesen werden. Der gesamte Komplex aus Promotor, Operator und Strukturgenen heißt Operon. Der zweite Versuch zielt eher auf das Abschalten eines Gens ab. Ist viel Tryptophan im Nährmedium vorhanden, stellen die Escherichia coli Bakterien die Produktion dieser Aminosäure ein. Das Endprodukt der eigenen Stoffwechselkette, hier Tryptophan, aktiviert also einen Repressor. Das nennt man Endproduktrepression. Evolutionär gesehen nutzt diese Genregulation den Prokaryoten. Durch die Steuerung der Proteinbiosynthese, werden nur Proteine produziert, die von den Bakterien unbedingt gebraucht werden. Somit sparen sie Energie. Außerdem können sie sich viel schneller an wechselnde Umgebungen anpassen. Das ist wichtig, da sie sich nicht so gut aktiv von schlechten Lebensbedingungen wegbewegen können. Durch Genregulation passen sich Bakterien zum Beispiel an ein vermindertes Sauerstoffangebot oder wechselnde Nährstoffangebote an. Eukaryoten regeln das oft langfristiger, zum Beispiel über Hormone. Fassen wir noch einmal zusammen: François Jacob und Jacques Monod erhielten 1965 den Nobelpreis, weil sie die Vorgänge der Genregulation bei Prokaryoten entschlüsselten. Sie beobachteten, dass Escherichia coli Bakterien ihre Ernährung von Glucose auf Lactose umstellen können, wenn keine Glucose im Nährmedium vorhanden ist. Lactose inaktiviert den Repressor am Operator des Gens, das für die Produktion der β-Galactosidase kodiert. Der Komplex aus Promotor, Operator und Strukturgenen heißt: Operon. Die Genaktivierung wird als Substratinduktion bezeichnet. Dem gegenüber steht die Endproduktrepression. Dabei wird ein Gen durch die Aktivierung eines Repressors durch das entstehende Endprodukt abgeschaltet. Jacob und Monod beobachteten dies am Beispiel der Aminosäure Tryptophan und Escherichia coli. Die Genregulation ist wichtig, damit sich Prokaryoten an wechselnde Umweltbedingungen anpassen können und Energie sparen. Ich hoffe, du hast viel gelernt. Tschüss