Die Steuerung der Genaktivität bei Prokaryoten:
Genregulation (bei Bakterien) nach dem Modell von Jacob und Monod (1965 Nobelpreis)
Von den etwa 4000 Genen des Bakteriums E-coli sind nur ca. 600 "angeschaltet" d.h. werden transkribiert. Der Rest der genetischen Information wird - um Energie zu sparen - nur bei Bedarf abgelesen.
Def. adaptive Enzyme: Enzyme, die nur bei Bedarf produziert werden.
Def. konstitutive Enzyme: Enzyme, die für den Stoffwechsel unentbehrlich sind und permanent produziert werden.

1) Anschalten Genaktivität d.h. der Enzymproduktion durch das abzubauende Substrat: Substratinduktion
Problem: Wie "weiß" ein Gen, wann es aktiv werden muss, um ein Protein/Enzym synthetisieren zu lassen? 
Versuch: E-coli Bakterien leben normalerweise auf Glukose haltigem Substrat als Energiequelle. Sie könnten jedoch auch andere Zucker verwerten z.B. Milchzucker (=Laktose). Die zum Abbau zu Glukose notwendigen Enzyme werden jedoch nur dann produziert, wenn es "opportun" ist, d.h. die zugehörigen Gene sind also solange abgeschaltet (Energie!), bis das abzubauende Substrat im Nährmedium auftaucht. Sehr schnell (ca. 3min) nach Zugabe von Laktose zum Nährmedium lässt sich ein neues Enzym (beta-Galaktosidase) nachweisen. Nach Verbrauch der Laktose sinkt die Enzymkonzentration wieder auf den winzigen Ausgangswert zurück.
Deutung: Das Gen für das Enzym b-Galaktosidase wurde vom zugehörigen Substrat Laktose selbst angeschaltet - oder umgekehrt: Das Substrat Laktose induziert die Synthese "seines" Enzyms =  Substrat-Induktion 
Dies setzt voraus, dass das Gen für b-Galaktosidase zusätzlich zum Enzym codierenden DNA-Abschnitt = Strukturgen(e) noch "Regulierungsbereiche" enthalten muss. 
Man nennt diesen gesamten Komplex:  OPERON 
 
wichtige Definitionen:

Substratinduktion: "Anschalten" des Gens zur Synthese eines Enzyms durch das zugehörige Substrat.
Operon:
Strukturgene(S) + zugehörige Steuerungsregion: Promotor(P) und Operator-Gen(O)
Zu einem Operon gehören:  P+O+S

Regulatorgen:
DNA-Abschnitt, der für ein Repressor-Protein ("Repressor") codiert. (Muss nicht in der Nachbarschaft des Operons liegen)
Repressor:
Allosterisches Protein, das an die Operator- Region bindet, und so die RNA-Polymerase blockiert.
(frei diffundierbares Protein!)
Operator(gen):
Kontrolliert durch Bindung des Repressors die Transkription der Strukturgene (ohne selbst für Proteine zu codieren)
Promotor:
Hier ist der Startplatz für die RNA-Polymerase, die über den Operator zu den Strukturgenen gleitet.
Strukturgene:
Gene, die für die Synthese der benötigten Stoffwechsel-Enzyme codieren. (Hier: 3 Enzyme zur Laktose-Verwertung.)

Schema zur Substrat-Induktion am Beispiel des lac-Operons

2) Abschalten der Genaktivität d.h. der Enzymproduktion durch ein angehäuftes Endprodukt
Endproduktrepression
Problem: Wie "weiß" ein Gen, wann es inaktiv werden muss, um die Produktion eines Proteins/Enzyms  zu stoppen?
Beim einem Bakteriumstamm entdeckten Jacob und Monod 1953, dass in Gegenwart der Aminosäure Tryptophan die Produktion der Enzyme, die zur Bildung von Tryptophan nötig waren, eingeschränkt wurde. Durch das Endprodukt der Genwirkkette werden Gene dieser Kette abgeschaltet, (d.h. die Produktion von Enzymen als Genprodukte ).
Vorsicht: Nicht mit Endprodukthemmung bei allosterischen Enzymen verwechseln!
Unterschied: 
 Substratinduktion: Hier stellt das Regulator-Gen einen aktiven Repressor her, der allosterisch vom Substrat gehemmt wird. Diese Regulation startet einen abbauenden Stoffwechselweg.
Endproduktrepression: Hier stellt das Regulator-Gen einen inaktiven Repressor her, der allosterisch durch das Endprodukt der Stoffwechselkette aktiviert wird. Diese Regulation stoppt einen aufbauenden Stoffwechselweg.

Schema zur Endproduktrepression am Beispiel der Synthese von Tryptophan (trp-Operon)
Genaktivierung bei Eukaryoten:
Beispiel:  Die Wirkung bestimmter Hormone

Als Gen-Regulatoren sind Hormone besonders wichtig. Das weibliche Geschlechthormon Östrogen bewirkt z.B. in Hühnern die Aktivierung des Gens zur Herstellung des Ovalbumins (= Haupt-Eiweißbestandteil im Hühnerei). Das Östrogen gehört chemisch zu den Steroidhormonen, deren besondere Eigenschaften ihre gute Fettlöslichkeit und Beständigkeit gegen Verdauungssäfte sind. Durch seine Fettlöslichkeit kommt das Östrogen leicht durch die Zellmembran hindurch und gelangt so ins Zellinnere der Zielzellen. Im Zellplasma verbindet sich das Hormon mit einem spezifischen Rezeptorprotein zu einem Hormon-Rezeptor-Komplex. Dieser Komplex gelangt durch die Kernporen in den Zellkern. Dort bindet er sich wiederum spezifisch an eine bestimmte Chromosomenregion im Startbereich bestimmter Gene. Die Folge ist eine Genaktivierung: Die Transkription des Gens für Ovalbumin wird stimuliert -> Synthese des Proteins Ovalbumin. Gibt man Hühnern zwei Wochen lang Östrogen ins Futter, dann findet man nach dieser Zeit  bis zu 48000 mRNA - Moleküle pro Zelle, die für Ovalbumin codieren. Stoppt man die Hormonzugabe, so findet man nach zehn Tagen nur noch vier mRNA-Moleküle pro Zelle.

Schema: (stark vereinfacht)

 
Übungsaufgaben:
1a) Durch Mutationen können die Kontrollmechanismen am lac-Operon außer Gefecht gesetzt werden. Welche Folge hat eine Mutation im Regulator-Gen (= i-Mutante), bzw. im Operator-Gen (= o-Mutante) für die Regelung der Enzymproduktion?

1b) Pflanzt man beiden Mutanten gentechnisch über ein Plasmid zusätzlich ein intaktes lac-Operon inklusive Repressor-Gen in die Zellen ein, dann kann man i-Mutanten von o-Mutanten experimentell unterscheiden: Eine der beiden Mutanten zeigt dann wieder ein normal regelbares lac-Operon. Welche Mutante ist das? Begründung mit Skizzen vom lac-Operon.
 
2) In dieser Grafik ist dargestellt, wie sich eine Bakterien-Mutante mit nicht mehr hemmbarer Tryptophanproduktion im Wettbewerb mit einer Wildform in der gleichen Nährlösung verhält.
a) Nennen Sie mögliche Ursachen der ungehemmten (konstitutiven) Enzymproduktion.
b) Beschreiben Sie die Kurve und deuten Sie die das Ergebnis der Konkurrenz mit dem Wildtyp.
3a) Welche Regulation bewirkt schneller die Hemmung des Stoffwechsel-Endprodukts D? 
3b) Begründen Sie die zwei unterschiedlichen Arten von Regulation auf verschiedenen Ebenen.
  4) Bakterien können die Aminosäure Arginin selbst herstellen, wenn sie nicht im Nährboden vorhanden ist. Die Grafik zeigt den Verlauf der Konzentration des zur Arginin-Synthese notwendigen Enzyms. Zum Zeitpunkt Null wurden die Bakterien auf einem Arginin freien Nährboden ausgebracht.
Erklären Sie beide Kurvenverläufe mit dem Jacob-Monod-Modell.
5) Die Zellteilung normaler Zellen wird durch Aktivierung bestimmter Gene gestartet. Im folgenden Schema ist die Regulierung der Genexpression, die zu normaler Zellteilung führt vereinfacht dargestellt.

a) Beschreiben und erklären Sie die Vorgänge, die eine Zellteilung starten.
b) Formulieren Sie eine Hypothese zur Entstehung einer Krebszelle, bei der es zu anhaltenden, unkontrollierten Zellteilungen kommt.

 
Lösungsvorschlag:

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