Die Grundlagen der Genregulation bei Eukaryoten und Prokaryoten

Die Genregulation bei Eukaryoten und Prokaryoten unterscheidet sich grundlegend in ihrer Komplexität und Funktion. Bei Prokaryoten dient die Genregulation hauptsächlich der Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen wie Sauerstoffgehalt, Nährstoffangebot, Temperatur, pH-Wert und osmotischen Druck.

Definition: Das Operon-Modell Prokaryoten ist eine funktionelle Einheit aus Promotor, Operator und Strukturgenen, die vom Regulatorgen gesteuert wird.

Die Genregulation erfolgt bei Prokaryoten häufig durch das Operon-System, wobei zwei wichtige Mechanismen unterschieden werden: Die positive und negative Regulation. Bei der positiven Regulation benötigt die RNA-Polymerase einen Aktivator zur Transkription. Bei der negativen Regulation verhindert ein Repressor durch Bindung an den Operator die Transkription.

Die Genregulation bei Eukaryoten ist komplexer, da sie weniger auf Umweltveränderungen reagieren muss, dafür aber die Entwicklung mehrzelliger Organismen steuert. Hierbei müssen in verschiedenen Zelltypen die richtigen Gene zum richtigen Zeitpunkt aktiviert werden.

Highlight: Aktivatoren und Repressoren sind Regulatorproteine, die von Regulatorgenen codiert werden und als Transkriptionsfaktoren fungieren.

Die Genregulation bei Eukaryoten: Spleißen und Transkription

Das Genregulation bei Eukaryoten ist ein komplexer Prozess, bei dem das Spleißen eine zentrale Rolle spielt. Das Spleißosom, bestehend aus snRNA und Proteinen, führt dabei präzise molekulare Operationen durch. In einem mehrstufigen Prozess wird das Intron zunächst zu einer charakteristischen Lassostruktur gebogen. An der Donorstelle (5'-Ende) erfolgt die erste Spaltung, wobei das Intron abgetrennt und zur Verzweigungsstelle transferiert wird. Der finale Schnitt geschieht an der Akzeptorstelle (3'-Ende).

Das Transkriptosom steuert die Genexpression durch spezifische Transkriptionsfaktoren, die als Aktivatoren fungieren. Diese werden durch externe Signale aktiviert und können die Expression entweder fördern oder hemmen. Der Präinitiationskomplex spielt dabei eine Schlüsselrolle - hier bindet das TATA-Box-Bindeprotein (TBP) an die TATA-Box. Die allgemeinen Transkriptionsfaktoren TFIID sind speziell für die RNA-Polymerase II zuständig.

Definition: Das Spleißosom ist ein Ribonukleoprotein-Komplex, der für das Herausschneiden von Introns und das Verbinden von Exons verantwortlich ist.

Der Ablauf bei Eukaryoten beginnt mit einem DNA-Strang, der verschiedene regulatorische Regionen enthält. Die Transkriptionseinheit bildet dabei den Hauptteil. Die TATA-Box und mögliche Enhancer-Sequenzen sind für die Regulation essentiell. TFIID als größter Transkriptionsfaktor initiiert den Prozess, indem seine TBP-Komponente an die TATA-Box bindet. Weitere Faktoren wie TFIIA und TFIIB komplettieren den Komplex und bereiten die DNA für die RNA-Polymerase vor.

Transkription bei Prokaryoten und das Operon-Modell Prokaryoten

Die Transkription bei Prokaryoten zeigt fundamentale Unterschiede zur eukaryotischen Genexpression. Die RNA-Polymerase, unterstützt durch den Sigma-Faktor, erkennt den Promotor und initiiert die Transkription. Dies führt zur Bildung der Transkriptionsblase, die den codogenen Strang zugänglich macht.

Beispiel: Die Substratinduktion beim Lac-Operon zeigt, wie Bakterien ihre Genexpression an verfügbare Nährstoffe anpassen.

Die Elongationsphase beginnt nach Ablösung des Sigma-Faktors. Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des DNA-Strangs in 3'-5'-Richtung, während der komplementäre mRNA-Strang in 5'-3'-Richtung synthetisiert wird. Eine Besonderheit ist der Einbau von Uracil statt Thymin in die mRNA, was eine wichtige Unterscheidungsmöglichkeit zwischen RNA und DNA darstellt.

Die Termination markiert das Ende der Transkription. Am Terminator, einer speziellen Basenabfolge am Ende des Gens, löst sich die RNA-Polymerase ab und setzt die fertige mRNA frei. Dieser Prozess ist bei Prokaryoten besonders effizient, da keine post-transkriptionellen Modifikationen wie bei Eukaryoten erforderlich sind.