Lac-Operon

François Jacob und Jaques Monod, die Entdecker dieser Genregulation, definierten das Operon als Abschnitt auf der DNA mit folgenden Bestandteilen:

Promotor

• Ansatzstelle der RNA-Polymerase
• Das Enzym RNA-Polymerase ist für die Transkription der Strukturgene verantwortlich.

Operator

• tatsächlicher Schalter in Sachen Transkriptionsaktivität
• Am Operatorsequenzabschnitt findet sich eine Bindestelle für das aktive Regulatorprotein. Die Transkription durch die RNA-Polymerase kann durch diese Blockade verhindert werden.

Strukturgene

• Gene, die für die Enzyme (bzw. Proteine) codieren
• Diese Gruppe von Genen soll transkribiert und in Proteininformation übersetzt werden

Für die eigentliche Regulation verantwortlich ist das Regulator- oder Repressorprotein R. Das Gen für den Repressor (lacI) liegt außerhalb des Operons

Struktur des Operons: Promotor/Operatorregion ist den Strukturgenen vorgelagert. Das Gen des Repressors liegt außerhalb des Operons!

Das Lac-Operon wird durch das Substrat Lactose aktiviert. Man spricht von Substratinduktion. Die Abbildung zeigt das Lac-Operon mit den drei Strukturgenen lacZ, lac Y und lacA. Den Strukturgenen vorgelagert ist die Promotorsequenz, als Erkennungssignal für die RNA-Polymerase. Diese wird vom Operator überlappt, der Operator dient als Bindestelle für das Regulatorprotein (R). Gezeigt ist der Zustand „ZU“. Momentan wird keine mRNA der Gene lacZ, Y und A hergestellt. Die Ursache für diesen Transkriptionsstopp ist die Blockade durch das Repressor- oder Regulatorprotein, welches an der Operatorsequenz bindet. Die RNA-Polymerase kann die DNA-Information nicht ablesen. Das Repressorprotein bindet in seiner aktiven Form an den Promotor/Operator. Lac-Operon im Zustand „AUS": *aktives Regulatorprotein blockiert Operator *RNA-Polymerase kann diese Stelle nicht transkribieren.

Das Lactose-Operon im aktiven Zustand. Ist das Lactose-Operon im aktiven Zustand weden die Enzyme LacZ, Y, A erzeugt. Das Regulatorprotein kann in seiner Struktur und Aktivität verändert werden. Dies geschieht durch Binden eines Liganden in einer spezifischen Bindetasche. Wird die Bindestelle des Regulators mit dem passenden Liganden Lactose gefüllt, so verändert der Regulator seine Struktur. In dieser inaktiven Form kann er nicht mehr an die Operatorsequenz binden. Die Operatorsequenz liegt nun frei zugänglich für die RNA-Polymerase vor, die Geninformation kann abgeschrieben werden. Lac-Operon im Zustand „AN": *Ligandbindung führt zur Inaktivierung des Repressors.

Die Aufhebung der negativen Regulation des lac-Operons durch die Induktion ist nicht ausreichend für die maximale Genexpression.

Das Operon ist außerdem von einer Aktivierung abhängig. Dazu wird der Aktivator, das Produkt des Gens crp, an eine Bindestelle neben dem Promotor gebunden. Dies geschieht nur im Zusammenspiel mit cAMP. cAMP wirkt als Hungersignal in vielen Lebewesen.

Der Vorteil dieses scheinbar komplizierten Systems für die Zelle ist, dass sie entscheiden kann, ob die Induktion des Lactoseabbauwegs sinnvoll ist. Bei einer hohen Glukosekonzentration zum Beispiel bleibt das Lac-Operon ausgeschaltet. Dies spart der Zelle viel Energie. Bei der Verwendung von Glukose kommt es in der Zelle zur Abnahme der cAMP-Konzentration. Dadurch wird die Aktivierung der Transkription des Lac-Operons vermieden. Dieser Mechanismus wird daher „Glukoseeffekt" oder Katabolitrepression genannt.