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{{SEITENTITEL:lac-Operon}}
Das '''Lactose-Operon''', kurz '''''lac''-Operon''', ist ein [[Operon]] (eine Funktionseinheit der [[Desoxyribonukleinsäure]]), das in [[Bakterien]] für Import und Abbau von [[Lactose]] eine wichtige Rolle spielt. Das ''lac''-Operon, am Beispiel des [[Darmflora|Darmbakteriums]] ''[[Escherichia coli]]'', ist eines der klassischen Modellsysteme der Genregulation. Hierbei wird ein extrazelluläres Signal, nämlich die Verfügbarkeit einer bestimmten [[Disaccharide|Zuckerart]], durch das Anschalten der Strukturgene des Operons in eine energetisch günstige Anpassung des Zellstoffwechsels übersetzt.

== Aufbau des Operons ==
Das ''lac''-Operon besteht aus einem [[Promotor (Genetik)|Promotor]] (P), drei [[Operator (Genetik)|Operatoren]] (O1, O2 und O3) und drei [[Strukturgen]]en:
* Das ''lacZ''-[[Gen]] codiert für das [[Enzym]] [[β-Galactosidase]] (LacZ, {{EC|3.2.1.23}}). Sie hydrolysiert, das heißt spaltet Lactose in [[Galactose]] und [[Glucose]], kann aber auch Lactose in [[Allolactose]], ein [[Isomer]] der Lactose umwandeln.
* Das ''lacY''-Gen codiert für ein [[Transportprotein]] namens β-Galactosid-[[Permease]] (LacY), welches die Aufnahme von Lactose in die [[Zelle (Biologie)|Zelle]] ermöglicht.
* Das ''lacA''-Gen codiert für das Enzym β-Galactosid-Transacetylase ({{EC|2.3.1.18}}). Es ist nicht für den Lactoseabbau notwendig und seine Funktion ist nicht endgültig geklärt. Es gibt aber Hinweise darauf, dass die [[Acetylierung]] nichtabbaubarer β-Galactoside durch das Enzym eine Entgiftungsfunktion für die Zelle hat.<ref>S.L. Roderick (2005): ''The lac operon galactoside acetyltransferase.'' In: ''C. R. Biologies'' Bd. 328, S. 568–575. PMID 15950163</ref> Die β-Galactosid-Transacetylase-Aktivität hat Einfluss auf die Induktion des lac-Operons über [[Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid|IPTG]].<ref>{{Literatur |Autor=Anja Marbach, Katja Bettenbrock |Titel=lac operon induction in Escherichia coli: Systematic comparison of IPTG and TMG induction and influence of the transacetylase LacA |Sammelwerk=Journal of Biotechnology |Band=157 |Nummer=1 |Datum=2012-01 |ISSN=1873-4863 |DOI=10.1016/j.jbiotec.2011.10.009 |PMID=22079752 |Seiten=82–88}}</ref>

[[Datei:Lac operon1.png|mini|zentriert|hochkant=3|Schematischer Aufbau des ''lac''-Operons (nicht maßstabsgerecht)]]

== Regulation des Operons ==
Diese drei Gene des ''lac''-Operons werden erst dann [[Genexpression|exprimiert]], wenn Lactose im Umgebungsmedium vorhanden ist und es keine für die Zelle günstigere Energiequelle gibt. Eine solche vorzuziehende Energiequelle ist z. B. die Glucose. Ein System aus negativer und positiver Regulation steuert den Abbau der effizientesten Energiequelle.

Das ''lac''-Operon wird sowohl negativ durch einen Repressor, als auch positiv durch einen Aktivator [[Genregulation|reguliert]]. Zusätzlich kontrolliert der Mechanismus des Induktor-Ausschlusses (''inducer exclusion'') die Aktivität der Lac-Permease. Diese drei Regulationen bewirken, dass Lactose erst dann, wenn es keine effizientere Alternative gibt, verstoffwechselt werden kann.

=== Negative Regulation ===

Die negative Regulation des ''lac''-Operons erfolgt auf Transkriptionsebene durch den [[Lac-Repressor]]. Der Repressor ist ein homotetrameres [[Protein]], welches an jeweils zwei der Operatoren zugleich binden kann: O1 und O2 oder O1 und O3<ref name="Mackey">Santillán, M. und Mackey, MC. (2008): ''Quantitative approaches to the study of bistability in the lac operon of Escherichia coli''. In: ''J R Soc Interface'' 6;5 Suppl 1:S29–39; PMID 18426771; [http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/5/Suppl_1/S29.full.pdf+html PDF] (freier Volltextzugriff, engl.)</ref> Der Vorteil der negativen Regulation besteht darin, dass, solange keine Lactose verstoffwechselt werden muss, auch keine Enzyme für ihren Abbau bereitgestellt werden müssen. Die eigentliche Repression findet über die Bindung des Repressors an O1 statt. Die gleichzeitige Anlagerung an zwei Operatoren hat zur Folge, dass die zwischen den beiden Operatoren liegende [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] eine Schleifenform ausbildet. Dies wirkt sich auf die Stärke der Repression aus: Wenn der Repressor nur an O1 binden kann (in Mutanten, denen O2 und O3 fehlen), sinkt die Repression von etwa 1000-fach auf etwa 20-fach.<ref name="Mackey" /> Falls er aber entweder an O1 als auch O2 (in Mutanten, denen O3 fehlt) bzw. an O1 als auch O3 (in Mutanten, denen O2 fehlt) gleichzeitig bindet, werden die Gene des Operons um die Faktoren 700 bzw. 440 reprimiert.

Der Grund für den Abfall der Expressionsrate liegt darin, dass die dafür notwendige [[RNA-Polymerase]] nicht mehr effizient an die DNA binden kann. Damit wird der Ablesevorgang des Gens, die [[Transkription (Biologie)|Transkription]], unterbunden.

Der Repressor wird von einem [[Regulatorgen]], dem ''lacI''-Gen, codiert. Dieses Gen liegt separat direkt vor dem ''lac''-Operon (vgl. obiges Bild) und wird von einem eigenen, konstitutiven Promoter exprimiert. Da der Operator O3 mit dem 5'-Ende des ''lacI''-Gens überlappt, kann es, wenn dieser Operator in einer DNA-Schleife mit O1 mit hoher [[Affinität (Biochemie)|Affinität]] von Lac Repressor gebunden wird, zu einer Behinderung der RNA-Polymerase kommen. Sie kann nicht mehr bis zum Ende des Gens gelangen und fällt von der DNA ab. Damit ist die mRNA des ''lacI''-Gens unvollständig, es fehlt beispielsweise das [[Stopcodon]]. Wird die unvollständige RNA dann [[Translation (Biologie)|translatiert]], bleiben [[Ribosomen]] hängen, da ohne Stopcodon die üblicherweise freisetzenden Faktoren der [[Translation (Biologie)#Termination bei Prokaryoten|Termination]] (''release factor'' RF) nicht wirksam werden. In der Bakterienzelle werden solche verharrenden Ribosomen durch [[tmRNA]] befreit (''trans''-Translation) und dabei das unvollständige LacI-Protein für den Abbau markiert.<ref name="Keiler">Keiler, KC. (2008): ''Biology of trans-translation''. In: ''Annu Rev Microbiol''. 62; 133–151; PMID 18557701; [[doi:10.1146/annurev.micro.62.081307.162948]]</ref> Dieser Prozess der ''trans''-Translation ist ein wichtiger Prozess in der Regulation des lac-Operons; ohne tmRNA entstünden unvollständige lacI-Repressoren, die immer noch teilweise aktiv wären.<ref>Abo, T. ''et al''. (2000): ''SsrA-mediated tagging and proteolysis of LacI and its role in the regulation of lac operon''. In: ''[[EMBO J]].'' 19(14); 3762–3769; PMID 10899129; {{PMC|313975}}</ref>

=== Positive Regulation ===
Verantwortlich für die positive Regulation des ''lac''-Operons ist ein Aktivatorprotein: CAP (''catabolite activator protein''), der bestuntersuchte Effektor der [[Katabolitrepression]]. Die CAP-Aktivität ist direkt von der Konzentration des [[Cyclisches Adenosinmonophosphat|cAMP]] abhängig. Die Anlagerung von cAMP an CAP bewirkt eine Konformationsänderung in dem regulatorischen Protein, die seine spezifische DNA-Bindung stark erhöht. Der CAP-cAMP-Komplex lagert sich an eine Bindungsstelle der DNA an und interagiert von dort direkt mit der RNA-Polymerase. Dadurch wird die Affinität der RNA-Polymerase zum Promotor deutlich erhöht. Es sind also drei Elemente für diese positive Regulation des ''lac''-Promotors notwendig: das CAP-Protein, cAMP und eine CAP-Bindungsstelle im ''lac''-Promotor. Mutationen, die entweder zur Abwesenheit des CAP-Proteins oder zur Abwesenheit von cAMP oder zur Inaktivierung der CAP-Bindungstelle führen, haben den gleichen Effekt auf das ''lac''-Operon. Seine Expression sinkt etwa 50-fach. Bei der Mutante [[lacUV5|''lac''UV5]] ist die Katabolitrepression abwesend, weshalb sie für die [[Überexpression]] bakterieller [[Rekombinantes Protein|rekombinanter Proteine]] verwendet wird.<ref>A. E. Silverstone, R. R. Arditti, B. Magasanik: ''Catabolite-insensitive revertants of lac promoter mutants.'' In: ''[[Proceedings of the National Academy of Sciences]].'' Band 66, Nummer 3, Juli 1970, S. 773–779, PMID 4913210, {{PMC|283117}}.</ref>

=== Einfluss der Lactose ===
Ist Lactose als Energielieferant das effizienteste Substrat in der Umgebung der Zelle, wird sie durch die β-Galactosidpermease in die Zelle gebracht. Dort wird sie teilweise durch β-Galactosidase in [[Allolactose]] umgewandelt. Dies bedeutet, dass die Gal-β-1,4-Glc-Bindung in eine Gal-β-1,6-Glc-Bindung überführt wird. In dieser Form ist nun eine Anlagerung an den Lac-Repressor möglich.

Durch diese Anlagerung verändert sich die Konformation des Repressors und er löst sich vom Operator. Nun kann die RNA-Polymerase mit der [[Transkription (Biologie)|Transkription]] beginnen. Durch die nachfolgende [[Translation (Biologie)|Translation]] werden weitere Moleküle Permease und β-Galactosidase bereitgestellt.
So kann Lactose dauerhaft als Substrat genutzt werden, bis dieses aufgebraucht ist oder eine bessere Energiequelle zur Verfügung steht.

=== Einfluss der Glucose ===
Für die Zelle ist es von Vorteil, Glucose anstatt Lactose als Substrat vorzuziehen. Folglich muss Glucose vor Lactose abgebaut werden. Damit dies geschieht, muss Glucose den Abbau von Lactose verzögern. Dies geschieht allerdings nicht direkt durch die Glucose selbst. Beim Transport der Glucose in die Zelle wird das [[Phosphotransferasesystem]] genutzt. Hierbei wird der [[Phosphat]]rest des [[Phosphoenolpyruvat]]es über das Transportprotein E IIA auf die Glucose übertragen. Das unphosphorylierte E IIA hemmt nun die Lactose-Permease<ref>Nelson S.O., Wright J.K. & Postma P.W. ''The mechanism of inducer exclusion. Direct interaction between purified IIIGlc of the phosphoenolpyruvate:sugar phosphotransferase system and the lactose carrier of Escherichia coli.'' In: ''EMBO J.'' Bd. 2, S. 715–720. {{PMC|555175}}</ref>, wodurch keine Lactose in die Zelle transportiert wird und das ''lac''-Operon inaktiviert bleibt. Dieser Vorgang wird als Induktorausschluss bezeichnet. So kommt es auch bei Anwesenheit von Lactose kaum zur Genexpression, und die Glucose wird bevorzugt abgebaut.

Viele Schulbücher führen eine Verringerung der cAMP-Konzentration als Grund für den Einfluss der Glucose auf die Expression des ''lac'' Operons an. Diese Annahme ist jedoch heute überholt. Es wurde festgestellt, dass die cAMP-Konzentrationen in Anwesenheit von Lactose etwa gleich ist wie in Anwesenheit von Glucose oder beider Zucker zugleich.<ref>Inada T., Kimata K. & Aiba H. (1996): ''Mechanism responsible for glucose-lactose diauxie in Escherichia coli: challenge to the cAMP model.'' In: ''Genes Cells'' Bd. 1, S. 293–301. PMID 9133663</ref><ref>{{Literatur |Autor=Anthony JF Griffiths, Jeffrey H. Miller, David T. Suzuki, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart |Titel=Catabolite repression of the lac operon: positive control |Datum=2000 |Online=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22065/ |Abruf=2018-01-04}}</ref>

== Geschichte ==
1961 wurde von den französischen Wissenschaftlern [[François Jacob]] und [[Jacques Monod (Biologe)|Jacques Monod]] das [[Operon]]-Modell der [[Genregulation]] anhand des ''lac''-Operons von ''Escherichia coli'' entwickelt.<ref>F. Jacob & J. Monod (1961): ''Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins.'' In: ''J. Mol. Biol.'' Bd. 3, S. 318–356. PMID 13718526</ref> Für diese Arbeiten erhielten sie 1965 den [[Nobelpreis für Physiologie oder Medizin]].<ref>{{Nobel-med|1965|Francois Jacob und Jacques Monod}}</ref>

== Besonderheiten des Lac-Operon ==
Generell wird Lactose im Dünndarm des Menschen aufgenommen, jedoch ist ''E. coli'' vor allem im Dickdarm zu finden. Infolgedessen steht Lactose als Nahrungsquelle normalerweise nicht oder nur in geringen Mengen für ''E. coli'' im Dickdarm zur Verfügung. Tatsächlich dient das Lactose-Operon eher dazu, Glyceryl-Galactoside abzubauen. Diese entstehen im Allgemeinen durch den Abbau aus Fetten tierischer Zellen und in diesem Fall, wenn die Zellen, die den Dickdarm auskleiden, abgestoßen werden und zerfallen. Glyceryl-Galactoside dienen hier sowohl als Induktor für das LacI-Protein (Repressor) und als Substrat für die β-Galactosidase, die Glyceryl-Galactoside in [[Glycerin]] und Galactose spaltet.

Weiterhin kann das Lac-Operon nicht in [[Salmonellen]] und verschiedenen anderen Darmbakterien ([[Enterobakterien]]), die relativ nah verwandt sind mit ''E. coli'', nachgewiesen werden. Es ist wahrscheinlich, dass dieses Segment evolutionär gesehen relativ neu im ''E. coli''-Genom ist und ursprünglich außerhalb der Enterobakterien entstand.<ref>David P. Clark (2006): Molecular Biology, 1. Aufl. 2006, Elsevier GmbH, S. 248</ref>

== Literatur ==
* [[Benno Müller-Hill]] (2001): ''Bacterial Transcription Regulation.'' In: ''[[Encyclopedia of Life Sciences]].'' [[doi:10.1038/npg.els.0003828]] [http://mrw.interscience.wiley.com/emrw/9780470015902/els/article/a0000848/current/pdf PDF]
* Agnes Ullmann (2001): ''Escherichia coli Lactose Operon.'' In: ''[[Encyclopedia of Life Sciences]].'' [[doi:10.1038/npg.els.0000849]] [http://mrw.interscience.wiley.com/emrw/9780470015902/els/article/a0000849/current/pdf PDF]
* Nancy Trun & Janine Trempy (2003): ''Gene Expression and Regulation.'' In: ''Fundamental Bacterial Genetics.'' ISBN 0-632-04448-9 [http://www.blackwellpublishing.com/trun/pdfs/Chapter12.pdf PDF]
* Robert Schleif (1993): ''Genetics and Molecular Biology''. 2. Auflage, The Johns Hopkins University Press, Baltimore and London, ISBN 0-8018-4673-0.
* Wilhelm Seyffert (Hrsg.): ''Lehrbuch der Genetik''. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg und Berlin 2003, ISBN 3-8274-1022-3.
* Donald Voet, Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt: ''Lehrbuch der Biochemie''. Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30519-X.
* David P. Clark: ''Molecular Biology''. 1. Aufl. Elsevier Spektrum, Heidelberg 2006 S. 248, ISBN 978-3-8274-1696-4.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Siehe auch ==
* [[Katabolitrepression]]
* [[Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid|IPTG]]
* [[5-Brom-4-chlor-3-indoxyl-β-D-galactopyranosid|XGal]]
* [[O-Nitrophenyl-β-D-galactopyranosid|ONPG]]

== Weblinks ==
* Proteopedia: [http://proteopedia.org/wiki/index.php/Lac_repressor Lac repressor] (engl.)

[[Kategorie:Genexpression]]

Lac-Operon - Versionsgeschichte

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