7. Regulation der Genexpression

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1 7. Regulation der Genexpression

2 7.1 Regulation der Enzymaktivität Stoffwechselreaktionen können durch Kontrolle der Aktivität der Enzyme, die diese Reaktionen katalysieren, reguliert werden Feedback-Hemmung das Endprodukt eines Biosyntheseweges hemmt rückwirkend das erste für diesen Weg spezifische Enzym Kovalente Modifikation ist ein Regulationsmechanismus, der vorübergehend ein spezifisches Enzym inaktiviert

3 Überblick über Mechanismen, die bei Regulation verwendet werden können.

4 Feedback-Hemmung der Enzymaktivität Aktivität des 1. Enzyms eines Biosyntheseweges wird durch das Endprodukt gehemmt, wodurch die Herstellung des Endprodukts kontrolliert wird.

5 Mechanismus der Enzymhemmung durch allosterischen Effektor

6 Feedback-Hemmung in einem verzweigten Biosyntheseweg

7 Synthese aromatischer Aminosäuren (DAHP 3-Desoxy-D-arabino-heptulosonat-7-phosphat)

8 7.2 Regulation der Transkription Menge eines Enzyms in einer Zelle lässt sich kontrollieren, indem Menge der das Enzym codierenden mrna erhöht (Induktion) oder erniedrigt (Repression) wird. Regulation auf Transkriptionsebene umfasst Regulatorproteine, die sich an DNA und an Effektoren binden. Für einen Typ stellt das Regulatorprotein einen Repressor dar, der mrna-synthese inhibiert.

9 Repression von Enzymen, die an der Argininsynthese beteiligt sind, durch Zugabe von Arginin zum Medium. Rate der Gesamtproteinsynthese bleibt unverändert.

10 Induktion des Enzyms ß-Galactosidase nach Zugabe von Lactose zum Medium. Rate der Gesamtproteinsynthese bleibt unverändert.

11 Enzymrepression

12 Enzyminduktion mit Hilfe eines Repressors

13 7.3 Regulation der Transkription: Positive Kontrolle Positive Transkriptionsregulatoren sind Aktivatorproteine. Sie binden sich an Aktivatorbindungsstellen auf DNA und stimulieren Transkription durch RNA-Polymerase. Aktivatoraktivität wird wie bei Repressoraktivität durch Effektoren modifiziert. Für positive Kontrolle der Enzyminduktion fördert der Effektor die Bindung des Aktivators und stimuliert so die mrna-synthese.

14 Positive Kontrolle der Enzyminduktion

15 Aktivatorproteine interagieren mit RNA-Polymerase

16 7.4 DNA-bindende Proteine Viele solcher Proteine sind Dimere, die sich spezifisch auf DNA binden. Die spezifische DNA-Sequenz, die mit dem Protein interagieren, sind umgekehrte Sequenzwiederholungen (inverted repeats). Nucleotidsequenz des Operatorgens des Lactoseoperons ist abgebildet, und umgekehrten Sequenzwiederholungen, also Stellen, an denen der lac-repressor mit DNA in Kontakt kommt (grüne Kästen).

17 Helix-Turn-Helix-Struktur einiger DNA-bindender Proteine. a) einfaches Modell von Helix-Turn-Helix- Elementen. b) Computermodell des Repressors vom Bacteriophagen λ, eines typ. Helix-Turn-Helix-Proteins, das an sein Operatorgen gebunden ist. Eine UE des dimeren Repressors ist braun dargestellt, die andere dunkelgelb. Jede UE weist die Helix- Turn-Helix-Struktur auf.

18 Proteinunterstrukturen, die in eukaryotischen DNA-bindenden Proteinen vorkommen α-helices sind durch Zylinder dargestellt. Erkennungshelices sind die Domänen, die an der DNA-Bindung beteiligt sind. Zinkfingerstruktur Von den AS, die das Zn 2+ -Ion halten, besitzen mindestens zwei einen Cysteinrest (C), außerdem kommen noch Histone (H) vor. Struktur des Leucin-Zippers oder Leucinreißverschlusses Leucinreste (gelb) befinden sich immer genau an jeder siebten AS. Die WW der Leucinseitenketten hilft, die zwei Helices zusammenzuhalten.

19 7.5 Attenuation Attenuation: Mechanismus, der Genexpression (typischerweise auf Transkriptionsebene) nach Initiation der RNA-Synthese steuert. Meisten Attenuationsmechanismen wirken über eine Kopplung von Transkription und Translation und können daher nur in Prokaryoten stattfinden.

20 Struktur des Tryptophanoperons sowie von Tryptophan- u.a. Leader-Peptiden in E. coli

21 Transkriptionskontrolle von Tryptophanoperon-Strukturgenen durch Attenuation in E. coli

22 7.6 Globale Kontrolle Zellen müssen oft viele Gene als Antwort auf ein einziges Umweltsignal regulieren. Solche regulatorischen Reaktionen werden als globale Kontrolle bezeichnet. Beteiligten Gene können zusätzlich der Kontrolle anderer regulatorischer Schaltkreise unterliegen. Katabolitrepression ist ein Beispiel einer globalen Kontrolle und dient der effektiven Ausnutzung von Kohlenstoffquellen durch die Zelle.

23

24 Diauxisches Wachstum auf einer Mischung von Glucose und Lactose. Glucose unterdrückt die Synthese von β-galactosidase. Nachdem Glucose verbraucht ist, tritt eine Pause ein, bis β-galactosidase synthetisiert wird. Erst dann kann das Wachstum auf Lactose fortgesetzt werden.

25 camp wird aus ATP durch Enzym Adenylatcyclase gebildet

26 Genetische Elemente, die an Regulation des Lactoseoperons beteiligt sind.

27 Quorum sensing Bestimmte Bakterien besitzen Regulationswege, die von der Zelldichte ihrer eigenen Population kontrolliert werden. Diese Art der Kontrolle wird Quorum sensing genannt. Jedes Bakterium mit diesem Reaktionsmechanismus besitzt ein Enzym, das ein spezifisches acyliertes Homoserinlacton (AHL) synthetisiert. AHL-Moleküle sind der Induktor, der sich an einen Aktivator bindet. Quorum sensing wurde zuerst als eine Art der Regulation der Biolumineszenz bei einigen Bakterien entdeckt.

28 Andere globale Kontrollnetzwerke Gene, die zu globalen Kontrollsystemen gehören, werden nicht alle durch eine einfache Kombination von Repressor oder Aktivator reguliert. Zahlreiche Regulons werden über alternative Sigma-Faktoren gesteuert. In diesen Fällen wird die Regulation durch eine Änderung der Menge oder der Aktivität dieser Faktoren erreicht.

29 7.7 Signaltransduktion und Zweikomponenten-Regulationssysteme Signaltransduktionssysteme übermitteln Umweltsignale an Zelle. In Prokaryoten wirkt Signaltransduktion über Zweikomponentensysteme, die aus Sensorprotein in Membran und cytoplasmatischen Responseregulator bestehen. Sensorprotein ist eine Kinase. Aktivität des Responseregulators hängt von seinem Phosphorylierungszustand ab. Meisten Zweikomponentensysteme regulieren Transkription, aber das, welches bakterielle Chemotaxis reguliert, wirkt auf Ebene der Proteinaktivität.

30 Kontrolle der Genexpression durch ein Zweikomponentensystem Die Sensorkinase in der Zellmembran phosphoryliert sich als Antwort auf ein Umweltsignal selbst. Die Phophorylgruppe wird dann auf einen Responseregulator übertragen, der hier als Repressor dient. Außerdem muss es eine Phophatase geben, um den Kreislauf des Responseregulators zu schließen.

31

32 Wechselwirkung zwischen Transduktoren, Chemotaxisproteinen (Che) und Geißelmotor in der bakteriellen Chemotaxis Der Transduktor (MCP) bildet Komplex mit Sensorkinase CheA und Kopplungsprotein CheW. Das führt zur ignalregulierten Autophosphorylierung von CheA zu CheA-P. CheA-P kann daraufhin die Responseregulatoren CheB und CheY phosphorylieren. Phosporyliertes CheY (CheY-P) interagiert direkt mit Geißelmotorschalter. CheZ dephosphoryliert CheY-P. CheR überträgt kontinuierlich Methylgruppen auf den Transduktor. CheB-P entfernt sie. Der Grad der Methylierung der Transduktoren kontrolliert ihre Fähigkeit, auf Lock- und Schreckstoffe zu reagieren und führt zur Adaptation.

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