Gene Expression in a Prokaryotic System – RNA Basics

00:00 Jetzt wissen wir natürlich, dass RNA durch die Transkription der DNA, das Kopieren der DNA-RNA-Polymerase produziert wird.

00:08 Und wenn das gemacht wurde, um die Kodierung für ein Gen zu machen, dann denken wir natürlich über die Genexpression nach.

00:16 In prokaryotischen Systemen haben wir eine interessante Situation in Bezug auf die Anordnung der Gene.

00:21 Im prokaryontischen System liegen die Gene im Genom sehr eng beieinander.

00:27 Das heißt, wenn wir ein Gen an einer Stelle haben, dann ist das Ende des Gens nicht mehr weit entfernt vom Beginn des nächsten Gens. Sie sind also sehr nahe beieinander.

00:38 Und das ist anders als bei der Anordnung, die wir in eukaryotischen Systemen sehen, aufgrund dieses geringen Abstands nutzen Bakterien dies zu ihrem Vorteil und zwar auf eine interessante Weise, die Eukaryoten nicht tun.

00:51 In prokaryotischen Systemen sind die Gene üblicherweise in so genannten Operonen organisiert.

00:57 Ein Operon ist also eine Sequenz mit mehreren Genen, die unter der Kontrolle eines einzigen Promotors steht.

01:06 Und wenn dieser einzelne Promotor aktiviert wird, wie wie in der Abbildung auf der rechten Seite zu sehen ist, kopiert die RNA-Polymerase alle diese Gene auf eine einzige Boten-RNA.

01:18 Das ist ein Unterschied zum eukaryotischen System, wo bei den weit auseinanderliegenden eukaryotischen Gene, wenn die Transkription stattfindet, nur ein Gen in das endgültige Transkript kopiert wird. Also ist Anordnung der Operone in Bakterien einzigartig für Bakterien.

01:34 Operone werden transkribiert und übersetzt, wenn sie benötigt werden und diese Organisation bedeutet, dass es für ein bestimmtes Operon wichtig ist, dass die Gene, die dort vorhanden sind, verwandte Funktionen haben. Und wir werden das am Ende der Vorlesung an einem Beispiel sehen.

01:50 Die RNAs, die in Bakterien gebildet werden, entstehen durch Transkription und die Transkription, die in Bakterien gesteuert wird, verwendet sehr einfache Promotorelemente.

01:59 Wenn wir von Elementen sprechen, meinen wir eigentlich die DNA-Sequenz, aus der der Promotor besteht.

02:06 Die einfachen Bedürfnisse der Bakterien funktionieren also ziemlich gut, denn diese einfachen Kontrollen bedeuten, dass es nicht zu viele verschiedene Variationen gibt, die Bakterien bezüglich ihrer Lebensweise benötigen oder benutzen.

02:19 Bei den Prokaryonten würde ich Ihnen dies gerne an einem Beispiel eines Systems mit einer relativ einfachen Steuerung zeigen.

02:25 Es beinhaltet ein Operon genannt lac-Operon.

02:28 Nun ist das lac-Operon ein Segment des E-Coli-Genoms, das die Kodierung für drei Gene enthält, die für den Laktosestoffwechsel notwendig sind.

02:39 Laktose, wie wir bereits, in anderen Diskussionen besprochen haben, ist ein Disaccharid, das eine Energiequelle ist, denn es liefert Zucker.

02:48 Damit das Bakterium die Laktose nutzen kann, muss es in der Lage sein, sie aufzuspalten, denn Laktose enthält zwei Zucker.

02:55 Eines der Gene, die das im lac-Operon enthalten ist, enthält ein Gen namens Beta- Galaktosidase, das Laktose in Glukose und Galaktose spaltet, seine Zuckerbestandteile.

03:08 Glukose und Galaktose können dann über die Stoffwechselwege verstoffwechselt werden, die wir bereits besprochen haben.

03:16 Das Operon enthält die 3 Gene für den Laktosestoffwechsel, wie gesagt.

03:20 Dazu gehören das lacZ-Gen, das lacY-Gen und das lacA-Gen.

03:24 Für unsere Zwecke hier ist das einzige Gen, das wirklich wichtig ist, das lacZ-Gen, denn das ist die Beta- Galaktosidase, die Laktose abbaut.

03:33 Nichtsdestotrotz werden alle drei Gene im Organismus hergestellt und alle diese Gene werden für den richtigen Stoffwechsel und das ordnungsgemäße Funktionieren des des gesamten Laktose-Operons benötigt.

03:42 Nun spaltet lacZ, wie gesagt, Laktose in Glukose und Galaktose.

03:47 Und die Zelle hat wirklich das Bedürfnis dies zu tun. Aber es ist wichtig, dass die Zelle dieses Operon nur dann bildet, wenn es gebraucht wird, denn die Zellen haben nicht die Energie, Energie in Dinge zu stecken, die sie nicht brauchen.

04:01 Und die Synthese von Proteinen, die Synthese von RNAs ist ein sehr energieintensiver Prozess.

04:09 Im Idealfall macht die Zelle also nur Gene, wenn es die Gene braucht und im Fall eines lac-Operons, bildet die Zelle dieses Operon idealerweise nur, wenn Laktose vorhanden ist und wenn die Zelle es braucht.

04:24 Also wird die Transkription des lac- Operons von mehreren Proteinen kontrolliert.

04:29 Es ist nicht sehr kompliziert, aber es ist nicht einfach nur eine RNA-Polymerase.

04:35 Das erste Protein, das hier eine Funktion ausübt, ist der Lac-Repressor.

04:39 Dies ist ein Protein, das sich an der Stelle auf dem lac-Operon, die O-Stelle befindet und diese ist auf der DNA hervorgehoben.

04:49 Die O-Stelle ist der Teil des gesamten Promotors oder der Kontrollsequenz für das Operon.

04:55 Wir werden sehen, dass die Kontrollsequenz für das Operon aus mehreren Komponenten besteht und diese werden von den einzelnen Proteinen verwaltet.

05:02 Die Funktion des lac-Repressors besteht darin, an die O-Stelle zu binden.

05:07 Und wenn es sich an die O-Stelle bindet, verhindert es die Transkription.

05:12 Nun werden wir sehen, dass es Zeiten gibt, in denen es binden kann und andere Zeiten, in denen es nicht binden kann.

05:19 Das zweite Protein, das bei dieser Transkription eine Rolle spielt, wird CAP genannt.

05:24 Das CAP ist also ein Protein, das an die CAP-Stelle bindet und der CAP-Bereich, wie Sie sehen können, befindet sich in der Nähe des Bereiches O.

05:33 Die Funktion des CAP besteht darin, an die CAP-Stelle zu binden und dadurch die Bindung der RNA-Polymerase zum Bereich P zu erleichtern, der, wie Sie sehen können, neben dem CAP-Bereich liegt.

05:46 Lac-Repressor und CAP haben also entgegengesetzte Funktionen.

05:50 Lac-Repressor dient zur Blockierung der Transkription und CAP zur Aktivierung der Transkription.

05:57 Die RNA-Polymerase bindet natürlich an die P-Stelle, die wir hier als Promoter beschreiben. Obwohl dieser gesamte Bereich technisch gesehen ein Promotor ist.

06:05 Nun die Faktoren, die beeinflussen, ob die Bindung dieser Proteine an den Kontrollstellen auf der DNA auftreten oder nicht, werden durch kleine Moleküle vermittelt.

06:17 Eines der kleinen Moleküle, das hier eine Rolle spielt, ist das zyklische AMP.

06:22 Zyklisches AMP wird durch CAP gebunden.

06:26 Und wenn zyklisches AMP an CAP bindet, kann CAP an die CAP-Stelle binden.

06:32 Und wenn kein zyklisches AMP vorhanden ist, kann CAP nicht an die CAP-Stelle binden.

06:39 Allolaktose ist mit Laktose verwandt und für unsere Zwecke können wir sie wie Laktose betrachten.

06:44 Aber das Wichtigste an Allolaktose ist, dass sie an den Lac-Repressor bindet.

06:50 Allolaktose ist vorhanden, wenn Laktose vorhanden ist.

06:55 Das bedeutet also, dass, wenn Laktose vorhanden ist, Allolaktose an den Lac-Repressor bindet.

07:00 Die Bedeutung davon ist, dass wenn Allolaktose an den Lac-Repressor gebunden ist, kann der lac-Repressor nicht an die O-Stelle binden.

07:09 Wenn jedoch keine Allolaktose vorhanden ist, wie wenn keine Laktose vorhanden ist, dann bindet der lac-Repressor an die O-Stelle und stoppt die Transkription.

07:21 Wir haben hier also wirklich zwei Szenarien.

07:22 Ein Szenario, in dem wir die Transkription aktivieren, wenn zyklisches AMP vorhanden ist.

07:28 Und ein Szenario, in dem wir die Transkription stoppen und das ist, wenn Laktose fehlt.