Histonmodifikation und Chromatinstruktur in der Genregulation

Die Histonmodifikation spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation der Genexpression in eukaryotischen Zellen. Histone sind stark positiv geladene Proteine, die als grundlegende Bausteine der Chromatinstruktur dienen. Der Prozess der Histonmodifikation ermöglicht es der Zelle, die Zugänglichkeit bestimmter DNA-Abschnitte präzise zu kontrollieren.

Die fundamentale Struktureinheit des Chromatins ist das Nukleosom, das aus einem Oktamer von acht Histonproteinen besteht. Um diesen Proteinkomplex wickelt sich der DNA-Faden in etwa zwei Windungen, wodurch eine kompakte und organisierte Struktur entsteht. Diese Verpackung ist essentiell für die räumliche Organisation des Genoms im Zellkern.

Definition: Das Nukleosom ist die grundlegende Verpackungseinheit der DNA, bestehend aus acht Histonproteinen und etwa 146 Basenpaaren DNA, die sich darum wickeln.

Bei der Histonmodifikation werden durch spezifische Enzyme verschiedene chemische Gruppen an bestimmte Aminosäuren der Histone angeheftet. Eine besonders wichtige Modifikation ist die Acetylierung, die von Histonacetyltransferasen (HATs) durchgeführt wird. Die Acetylierung führt zu einer Auflockerung der Chromatinstruktur und bildet das sogenannte Euchromatin, in dem Gene aktiv abgelesen werden können.

Highlight: Die Acetylierung der Histone führt zur Bildung von Euchromatin, während die Deacetylierung zur Bildung von transkriptionell inaktivem Heterochromatin führt.

Die Histonmodifikation Methylierung ist ein weiterer wichtiger Mechanismus der Genregulation. Im Gegensatz zur Acetylierung kann die Methylierung sowohl aktivierende als auch reprimierende Effekte haben, abhängig von der Position und dem Grad der Methylierung. Diese epigenetischen Markierungen bilden einen komplexen "Histon-Code", der die Genexpression feinreguliert.

Genregulation bei Prokaryoten: Das Lac-Operon

Das Lac-Operon ist ein Paradebeispiel für die Genregulation bei Prokaryoten durch Substratinduktion. Es zeigt, wie Bakterien ihre Genexpression an die Verfügbarkeit von Nährstoffen anpassen.

Ohne Substrat (Lactose):

• Das Regulatorgen codiert für ein Repressorprotein
• Das Repressorprotein bindet an den Operator und blockiert die Transkription
• Die RNA-Polymerase kann die Strukturgene nicht ablesen

Mit Substrat (Lactose):

• Lactose gelangt als Effektor in die Zelle
• Der Effektor bindet an das Repressorprotein und inaktiviert es
• Das inaktivierte Repressorprotein löst sich vom Operator
• Die RNA-Polymerase kann nun die Strukturgene für den Lactoseabbau transkribieren

Vocabulary: Operon - Eine funktionelle Einheit aus Promotor, Operator und kontrollierten Genen

Definition: Substratinduktion - Die Aktivierung der Genexpression durch das Vorhandensein eines spezifischen Substrats

Example: Die lactoseabbauenden Enzyme spalten Lactose in Glucose und Galactose, die vom Bakterium weiter verwertet werden können

Highlight: Das Lac-Operon funktioniert wie ein molekularer Schalter für den Lactoseabbau, der nur bei Bedarf aktiviert wird