Lac-Operon

Das Lactose-Operon, kurz lac-Operon, ist ein Operon, das sowohl beim Transport, als auch beim Abbau von Lactose in Bakterien, beispielsweise Escherichia coli, eine wichtige Rolle spielt.

Aufbau des Operons

Das lac-Operon besteht aus einem Promotor (P), drei Operatoren (O) und drei Strukturgenen:

• Das lacZ-Gen codiert für das Enzym β-Galactosidase (LacZ). Sie hydrolysiert, das heißt spaltet Lactose in Galactose und Glucose, kann aber auch Lactose in Allolactose umwandeln.
• Das lacY-Gen codiert für ein Transportprotein namens β-Galactosid-Permease (LacY), welches die Aufnahme von Lactose in die Zelle ermöglicht
• Das lacA-Gen codiert für das Enzym β-Galactosid-Transacetylase. Es ist nicht für den Lactoseabbau notwendig, und seine Funktion ist nicht endgültig geklärt. Es gibt aber Hinweise darauf, daß die Acetylierung nichtabbaubarer β-Galactoside durch das Enzym eine Entgiftungsfunktion für die Zelle hat.^[1]

Regulation des Operons

Diese drei Proteine des lac-Operon werden allerdings erst dann exprimiert (hergestellt), wenn Lactose im Umgebungsmedium vorhanden ist und es keine für die Zelle günstigere Energiequelle gibt. Eine solche, vorzuziehende Energiequelle ist z.B. die Glucose. Ein System aus negativer und positiver Regulation steuert den Abbau der effizientesten Energiequelle.

Das lac-Operon wird sowohl negativ durch einen Repressor, als auch positiv durch einen Aktivator reguliert. Diese beiden Regulationen bewirken, dass Lactose erst dann, wenn es keine effizientere Alternative gibt, verstoffwechselt werden kann.

Negative Regulation

Die negative Regulation des lac-Operons erfolgt durch einen lac-Repressor, dem LacI-Protein. Dies ist ein homotetrameres Protein, welches an zwei der drei Operatoren binden kann, wodurch die DNA in Schleifenform gelegt wird. Sobald sich der Repressor an die DNA angelagert hat, ist eine Expression der nachfolgenden Strukturgene nicht mehr möglich. Der Repressor seinerseits wird von einem Regulatorgen, dem lacI-Gen, codiert. Dieses Gen liegt separat oberhalb des lac-Operons. Da der Repressor mit hoher Affinität an die Operatoren bindet, ist der Promotor nahezu ständig reprimiert. So kommt es, dass es in diesem Zustand kaum zur Genexpression kommt. Es wird nur so viel exprimiert, wie für eine zukünftige Induktion an Proteinen notwendig ist.

Der Vorteil dieser negativen Regulation besteht darin, dass, solange keine Lactose verstoffwechselt werden muss, auch keine Enzyme für ihren Abbau bereitgestellt werden müssen.

Positive Regulation

Verantwortlich für die positive Regulation des lac-Operons ist ein Aktivatorprotein, das CAP (catabolite activator protein). Allerdings ist die CAP-Aktivität von der Konzentration des cAMP direkt abhängig. Nur wenn diese beiden Stoffe aneinander binden, können sie die Genexpression positiv beeinflussen. Sie lagern sich an die DNA an und wechselwirken direkt mit der RNA-Polymerase. Dadurch wird die Affinität der RNA-Polymerase zum Promotor deutlich erhöht.

Einfluss der Lactose

Ist Lactose als Energielieferant das effizienteste Substrat in der Umgebung der Zelle, wird sie durch die β-Galactosid-Permease in die Zelle verbracht. Dort wird sie zu einem kleinen Teil durch β-Galactosidase in Allolactose umgewandelt. Dies bedeutet, dass die Gal-β-1,4-Glc-Bindung in eine Gal-β-1,6-Glc-Bindung überführt wird. In dieser Form ist nun eine Anlagerung an den Repressor LacI möglich. Durch diese Anlagerung verändert sich die Konformation des Repressors und er löst sich vom Operator. Nun kann die RNA-Polymerase mit der Transkription beginnen. Durch die nachfolgende Translation werden weitere Lactose-Transportproteine bzw. -Abbauenzyme bereitgestellt. So kann Lactose dauerhaft als Substrat genutzt werden, bis dieses aufgebraucht ist, oder eine bessere Energiequelle zur Verfügung steht.

Einfluss der Glucose

Wie bereits erwähnt, ist es für die Zelle von Vorteil, die Glucose der Lactose als Substrat vorzuziehen. Folglich muss die Präsenz von Glucose den Abbau der Lactose hemmen. Dies geschieht allerdings nicht direkt durch die Glucose selbst. Beim Transport der Glucose in die Zelle wird ein Phosphat vom Transportprotein IIA^Glcauf die Glucose übertragen. Ohne dieses Phosphat ist das Protein nicht mehr in der Lage, die Adenylatcyclase, welche cAMP herstellt, zu aktivieren. Somit sinkt die cAMP-Konzentration allmählich ab. Ohne cAMP kann CAP das Operon nicht positiv regulieren. So kommt es auch bei Anwesenheit von Lactose kaum zur Genexpression. Die Glucose wird demzufolge bevorzugt abgebaut.

Geschichte

1961 wurde von den französischen Wissenschaftlern François Jacob und Jacques Monod das Operon-Modell der Genregulation anhand des lac-Operons von Escherichia coli entwickelt.^[2] Für diese Arbeiten erhielten sie 1965 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.^[3]

Besonderheiten des Lac-Operon

Generell wird Lactose im Dünndarm des Menschen aufgenommen, jedoch ist E. coli im Dickdarm zu finden. Das heißt, dass Lactose als Nahrungsquelle normalerweise nicht für E. coli im Darm zur Verfügung steht. Tatsächlich dient das Lactose-Operon eher dazu, Glyceryl-Galactoside abzubauen. Diese entstehen im allgemeinen durch den Abbau aus Fetten tierischer Zellen und in diesem Fall, wenn die Zellen die den Dickdarm auskleiden abgestoßen werden und zerfallen. Glyceryl-Galactoside dienen hier sowohl als Induktor für das LacI-Protein (Repressor) und als Substrat für die ß-Galactosidase, die Glyceryl-Galactoside in Glycerin und Galactose spaltet.

Weiterhin kann das Lac-Operon nicht in Salmonella und verschiedenen anderen Darmbakterien (Enterobakterien), die relativ nah verwandt sind mit E. coli, nachgewiesen werden. Es ist wahrscheinlich, dass dieses Segment evolutionär gesehen relativ neu im E. coli-Genom ist und ursprünglich außerhalb der Enterobakterien entstand. ^[4]

Einzelnachweise

1. ↑ S.L. Roderick (2005): The lac operon galactoside acetyltransferase. In: C. R. Biologies Bd. 328, S. 568-575. PMID 15950163
2. ↑ F. Jacob & J. Monod (1961): Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. In: J. Mol. Biol. Bd. 3, S. 318–356. PMID 13718526
3. ↑ Informationen der Nobelstiftung zur Preisverleihung 1965 an Francois Jacob und Jacques Monod (englisch)
4. ↑ David P. Clark (2006): Molecular Biology, 1. Aufl. 2006, Elsevier GmbH, p. 248

Literatur

• Benno Müller-Hill (2001): Bacterial Transcription Regulation. In: Encyclopedia of Life Sciences. doi:10.1038/npg.els.0003828 PDF
• Agnes Ullmann (2001): Escherichia coli Lactose Operon. In: Encyclopedia of Life Sciences. doi:10.1038/npg.els.0000849 PDF
• Nancy Trun & Janine Trempy (2003): Gene Expression and Regulation. In: Fundamental Bacterial Genetics. ISBN 0632044489 PDF
• Robert Schleif (1993): Genetics and Molecular Biology. 2.Auflage, The Johns Hopkins University Press, Baltimore and London, ISBN 0-8018-4673-0.
• Wilhelm Seyffert (Hrsg.): Lehrbuch der Genetik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg und Berlin 2003, ISBN 3-8274-1022-3.
• D. Voet, J. G. Voet, C. W. Pratt (2002): Lehrbuch der Biochemie. Wiley-VCH, Weinheim
• David P. Clark (2006): Molecular Biology, 1. Aufl. 2006, Elsevier GmbH, p. 248

Siehe auch

• Operon
• Katabolitrepression
• cAMP in Bakterien
• IPTG
• XGal
• ONPG

Weblinks

• lac-Operon (Video)
• Proteopedia: Lac repressor (engl.)