Molekulare Struktur und Regulation prokaryotischer Gene

Überblick

Nach der Entdeckung der DNA und der Aufklärung der Mechanismen, nach denen Gene in ihr kodiert und dem Zellstoffwechsel verfügbar gemacht werden, stellt sich die Frage nach der Feinstruktur der Gene und nach den Regulationsmechanismen, die die differenzielle Expression von Genen in der Zelle steuern. Die ersten Einsichten in Genfunktionen wurden an prokaryotischen Genen, vor allem an stoffwechselregulierten Genen von E. coli gewonnen. Bei diesen Genen handelt es sich im allgemeinen um Genkomplexe, die aus mehreren enzymkodierenden Sequenzabschnitten des Genoms bestehen. Man konnte hierfür zwei unterschiedliche Regulationsmöglichkeiten — die der positiven Induktion durch ein Induktormolekül und die der negativen Regulation durch ein Repressormolekül — aufklären.

Die genetische Analyse der Regulation mehrerer Gene des Lactosestoffwechsels bei E. coli ergab, daß diese Gene eine besondere Kontrollregion besitzen, die als Operatorregion bezeichnet wird. Wird an ihr ein Repressormolekül gebunden, kann in dem ihm folgenden Genkomplex keine RNA-Synthese stattfinden, da der Weg der RNA-Polymerase, die im Promoter an die DNA bindet, durch den zwischen Promoter und Genbereich liegenden Operator mit daran gebundenem Repressormolekül behindert wird. Erst bei Hinzutreten eines Induktors, der den Repressor von der DNA zu entfernen vermag, wird die RNA-Synthese freigegeben. Die Polymerase ist in diesem Fall in der Lage, mehrere hintereinanderliegende Gene zu transkribieren. Man bezeichnet einen in dieser Form regulierten Genbereich als ein Operon.

Auch für andere prokaryotische Gene und für die Regulation des Genoms des Phagen Lambda erwiesen sich DNA-bindende Proteine als wichtige Regulationselemente. Verschiedene solcher Regulationsproteine sind als Dimere (oder Tetramere) wirksam und haben eine vergleichbare Grundstruktur, die durch zwei miteinander verbundene α-Helixbereiche gekennzeichnet ist. Je einer dieser α-Helixbereiche der beiden ein Dimer formenden Proteinmoleküle reagiert mit dem α-Helixbereich des zweiten Proteinmoleküls, während der andere sequenzspezifisch mit der DNA in Kontakt tritt. Dieses Prinzip der DNA-Protein-Interaktion hat sich als ein allgemeines Prinzip auch in Eukaryoten erwiesen.