Vor etwa 40 jahren berichteten Andre Lwoff und seine Kollegen yom Institut Pasteur in Paris, daB sie bei einem Stamm des gewohnlichen Darmbakteriums Escherichia coli eine faszinierende Eigenschaft entdeckt hatten: Bestrahlt man die Bakterien mit einer gemaBigten Dosis an ultraviolettem Licht, so horen sie auf zu wachsen. Ungefahr 90 min spater Iysieren, d. h. platzen sie und setzen groBe Virus mengen ins Kulturmedium frei. Solche Bakterienviren werden als Bakteriophagen - Bakterienfresser - oder einfach als Phagen bezeichnet; der von Andre Lwoff ent deckte Bakteriophage bekam den Namen A. Die…mehr
Vor etwa 40 jahren berichteten Andre Lwoff und seine Kollegen yom Institut Pasteur in Paris, daB sie bei einem Stamm des gewohnlichen Darmbakteriums Escherichia coli eine faszinierende Eigenschaft entdeckt hatten: Bestrahlt man die Bakterien mit einer gemaBigten Dosis an ultraviolettem Licht, so horen sie auf zu wachsen. Ungefahr 90 min spater Iysieren, d. h. platzen sie und setzen groBe Virus mengen ins Kulturmedium frei. Solche Bakterienviren werden als Bakteriophagen - Bakterienfresser - oder einfach als Phagen bezeichnet; der von Andre Lwoff ent deckte Bakteriophage bekam den Namen A. Die freigesetzten A-Phagen vermeh ren sich, wenn sie frische Bakterien infizieren konnen. Viele dieser infizierten Bak terien Iysieren bald und produzieren weitere Phagen. Einige Bakterien jedoch i. iberleben; sie beherbergen A als friedlich schlummernden Gast. Sie wachsen und teilen sich normal, bis die Kultur ein 2. Mal bestrahlt wird. Wie zu Anfang des Ver suches Iysieren dann die Bakterien dieser Generation vollstandig und setzen einen weiteren Schwung neuer A-Phagen frei. -Abb. I zeigt den Phagen und seinen Wirt. Lwoff und seine Kollegen Franc;:ois jacob und jacques Monod sahen in dem Umschalten von einem Zustand des Phagen zum anderen, von der ruhenden Form im sich teilenden Bakterium zur aktivierten Form im bestrahlten Bakterium, ein ein faches Beispiel fUr einen grundlegenden biologischen ProzeB: das An- und Abschalten von Genen. Gene bestimmen die Strukturen der Moleki. ile, aus denen sich lebende Zellen zusammensetzen.
Einführung.- 1 Die wichtigsten Elemente des Schalters und ihre Funktion.- 1.1 Elemente des Schalters.- DNA.- RNA-Polymerase.- Repressor.- Cro-Protein.- 1.2 Wirkungsweise von Repressor und Cro-Protein.- Negative Regulation.- Positive Regulation.- Kooperativer Effekt bei der Bindung des Repressors.- 1.3 Induktion: der Schalter springt um.- 1.4 Kooperativät: die Empfindlichkeit des genetischen Schalters.- 1.5 Autoregulation.- 1.6 Andere Beispiele.- 2 Regulation der Genexpression durch DNA-bindende Proteine.- 2.1 Operatoren.- 2.2 Repressor.- 2.3 Cro-Protein.- 2.4 Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren und Basenpaaren.- 2.5 Promotoren.- 2.6 Genregulation.- 3 Schalter und Regelkreise.- 3.1 Kurzer Überblick über den Vermehrungszyklus von ?.- Genkarte von ?.- Zirkularisierung.- Genexpression.- Integration.- 3.2 Regulation der Transkription.- Sehr frühe Ereignisse.- Frühe Ereignisse.- Späte Ereignisse im lytischen Programm.- Späte Ereignisse im lysogenen Programm.- 3.3 Der Entscheidungsprozeß.- 3.4 Regulation von Integration und Exzision.- Fall 1: Etablierung des lysogenen Zustandes.- Fall 2: Lytische Vermehrung.- Fall 3: Induktion.- 3.5 Andere Phagen.- 3.6 SOS-Antwort.- 3.7 ? als Modell für die Zelldifferenzierung.- Regulatorgene.- Genetische Schalter.- Genexpression und Musterbildung.- Mechanismen.- 4 Woher wir das alles wissen: die entscheidenden Experimente.- 4.1 Die Repressoridee.- ? clear- und ?vir-Mutanten.- Immunität und Heteroimmunität.- Bakterienkreuzung mit einem lysogenen Partner.- 4.2 Das Repressorproblem in den frühen 60er Jahren.- 4.3 Isolierung des Repressors und Untersuchung seiner DNA-Bindung.- 4.4 Isolierung des Repressors im präparativen Maßstab.- 4.5 Die wesentlichen Aussagen aus Kap. 1 und 2.- Der Repressor besteht aus 2 globulären Domänen, verbunden durch eine Proteinbrücke von 39 Aminosäuren.- Der Repressor bildet Dimere, die v.a. durch Wechselwirkungskräfte zwischen den Carboxyldomänen zusammengehalten werden.- Ein Repressordimer bindet mit seinen Aminodomänen an ein 17 Basenpaare langes Operatorelement.- Pro Operatorelement kann nur 1 Repressordimer binden.- Das Repressordimer bildet sich vor der Bindung an die DNA.- Die Aminodomänen stellen den Kontakt zur DNA her.- Im Bereich des rechten Operators gibt es 3 Bindungsstellen von 17 Basenpaaren Länge. Die Bindung des Repressors und des Cro-Proteins an diese Stellen findet auf derselben Seite der Doppelhelix statt.- Chemische Untersuchungsmethoden.- Mutationen in der Operator-DNA.- Bindung des Repressors an ringförmige und an lineare DNA.- Der Repressor bindet an die 3 oR-Operatorelemente mit alternative paariger Kooperativität. Dieser kooperative Effekt kommt durch Wechselwirkungen zwischen den Carboxyldomänen benachbarter Dimere zustande.- In einem lysogenen Bakterium sind die Bindungsplätze oR1 und oR2 normalerweise vollständig mit Repressor besetzt. Das Protein schaltetdadurch die rechtsgerichtete Transkription des cro-Gens ab und stimuliertzugleich die linksgerichtete Transkription des cl-Gens. Wennseine Konzentration steigt, bindet der Repressor zusätzlich an oR3 undschaltet seine eigene Transkription ab.- Cro bindet zuerst an oR3, dann an oR1 bzw. oR2und schaltet dadurch nacheinander pRM und pRab.- Entdeckung von Cro, dem ?-Antirepressor.- Cro-Protein in vivo.- Cro-Protein in vitro.- RecA spaltet den Repressor und löst damit die Induktion des Phagen aus.- Bindung des Cro-Proteins an oR3 läßt den Genschalter in die andere Stellung springen.- Wie Repressor und Cro-Protein an den Operator binden, ist in Abb. 2.6, 2.8 und 2.10 dargestellt.- Kristallographische Untersuchungen.- Austausch von Erkennungshelix-Segmenten zweier unterschiedlicher Repressorproteine.- Der Arm des ?-Repressors.- Spezifische Kontakte zwischen Aminosäuren und Basenpaaren.- Der Repressor aktiviert die Transkription von cl, indem er an oR2 bindet und mit seiner Aminodomäne Kontakt zur Polymerase herstellt.- Repressormutanten mit einem Defekt in der positiven Genregulation.- Positive Regulation in vitro.- 4.6 Schlußbemerkung.- Anhang 1: Konstruktion eines wirksamen DNA-bindenden Proteins.- Übersicht.- Spezifische und unspezifische Bindung.- Steigerung der Spezifität.- Erhöhung der Proteinkonzentration.- Direkte Erhöhung der Spezifität.- Ausnutzen der Kooperativität.- DNA-Protein-Wechselwirkung in Eukaryoten.- Anhang 2: Starke und schwache Wechselwirkungen.- Anhang 3: Regulation der Transkription in Eukaryoten und Prokaryoten: ein gemeinsamer Mechanismus.
Einführung.- 1 Die wichtigsten Elemente des Schalters und ihre Funktion.- 1.1 Elemente des Schalters.- DNA.- RNA-Polymerase.- Repressor.- Cro-Protein.- 1.2 Wirkungsweise von Repressor und Cro-Protein.- Negative Regulation.- Positive Regulation.- Kooperativer Effekt bei der Bindung des Repressors.- 1.3 Induktion: der Schalter springt um.- 1.4 Kooperativät: die Empfindlichkeit des genetischen Schalters.- 1.5 Autoregulation.- 1.6 Andere Beispiele.- 2 Regulation der Genexpression durch DNA-bindende Proteine.- 2.1 Operatoren.- 2.2 Repressor.- 2.3 Cro-Protein.- 2.4 Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren und Basenpaaren.- 2.5 Promotoren.- 2.6 Genregulation.- 3 Schalter und Regelkreise.- 3.1 Kurzer Überblick über den Vermehrungszyklus von ?.- Genkarte von ?.- Zirkularisierung.- Genexpression.- Integration.- 3.2 Regulation der Transkription.- Sehr frühe Ereignisse.- Frühe Ereignisse.- Späte Ereignisse im lytischen Programm.- Späte Ereignisse im lysogenen Programm.- 3.3 Der Entscheidungsprozeß.- 3.4 Regulation von Integration und Exzision.- Fall 1: Etablierung des lysogenen Zustandes.- Fall 2: Lytische Vermehrung.- Fall 3: Induktion.- 3.5 Andere Phagen.- 3.6 SOS-Antwort.- 3.7 ? als Modell für die Zelldifferenzierung.- Regulatorgene.- Genetische Schalter.- Genexpression und Musterbildung.- Mechanismen.- 4 Woher wir das alles wissen: die entscheidenden Experimente.- 4.1 Die Repressoridee.- ? clear- und ?vir-Mutanten.- Immunität und Heteroimmunität.- Bakterienkreuzung mit einem lysogenen Partner.- 4.2 Das Repressorproblem in den frühen 60er Jahren.- 4.3 Isolierung des Repressors und Untersuchung seiner DNA-Bindung.- 4.4 Isolierung des Repressors im präparativen Maßstab.- 4.5 Die wesentlichen Aussagen aus Kap. 1 und 2.- Der Repressor besteht aus 2 globulären Domänen, verbunden durch eine Proteinbrücke von 39 Aminosäuren.- Der Repressor bildet Dimere, die v.a. durch Wechselwirkungskräfte zwischen den Carboxyldomänen zusammengehalten werden.- Ein Repressordimer bindet mit seinen Aminodomänen an ein 17 Basenpaare langes Operatorelement.- Pro Operatorelement kann nur 1 Repressordimer binden.- Das Repressordimer bildet sich vor der Bindung an die DNA.- Die Aminodomänen stellen den Kontakt zur DNA her.- Im Bereich des rechten Operators gibt es 3 Bindungsstellen von 17 Basenpaaren Länge. Die Bindung des Repressors und des Cro-Proteins an diese Stellen findet auf derselben Seite der Doppelhelix statt.- Chemische Untersuchungsmethoden.- Mutationen in der Operator-DNA.- Bindung des Repressors an ringförmige und an lineare DNA.- Der Repressor bindet an die 3 oR-Operatorelemente mit alternative paariger Kooperativität. Dieser kooperative Effekt kommt durch Wechselwirkungen zwischen den Carboxyldomänen benachbarter Dimere zustande.- In einem lysogenen Bakterium sind die Bindungsplätze oR1 und oR2 normalerweise vollständig mit Repressor besetzt. Das Protein schaltetdadurch die rechtsgerichtete Transkription des cro-Gens ab und stimuliertzugleich die linksgerichtete Transkription des cl-Gens. Wennseine Konzentration steigt, bindet der Repressor zusätzlich an oR3 undschaltet seine eigene Transkription ab.- Cro bindet zuerst an oR3, dann an oR1 bzw. oR2und schaltet dadurch nacheinander pRM und pRab.- Entdeckung von Cro, dem ?-Antirepressor.- Cro-Protein in vivo.- Cro-Protein in vitro.- RecA spaltet den Repressor und löst damit die Induktion des Phagen aus.- Bindung des Cro-Proteins an oR3 läßt den Genschalter in die andere Stellung springen.- Wie Repressor und Cro-Protein an den Operator binden, ist in Abb. 2.6, 2.8 und 2.10 dargestellt.- Kristallographische Untersuchungen.- Austausch von Erkennungshelix-Segmenten zweier unterschiedlicher Repressorproteine.- Der Arm des ?-Repressors.- Spezifische Kontakte zwischen Aminosäuren und Basenpaaren.- Der Repressor aktiviert die Transkription von cl, indem er an oR2 bindet und mit seiner Aminodomäne Kontakt zur Polymerase herstellt.- Repressormutanten mit einem Defekt in der positiven Genregulation.- Positive Regulation in vitro.- 4.6 Schlußbemerkung.- Anhang 1: Konstruktion eines wirksamen DNA-bindenden Proteins.- Übersicht.- Spezifische und unspezifische Bindung.- Steigerung der Spezifität.- Erhöhung der Proteinkonzentration.- Direkte Erhöhung der Spezifität.- Ausnutzen der Kooperativität.- DNA-Protein-Wechselwirkung in Eukaryoten.- Anhang 2: Starke und schwache Wechselwirkungen.- Anhang 3: Regulation der Transkription in Eukaryoten und Prokaryoten: ein gemeinsamer Mechanismus.
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