François Jacob und Jacques Monod entwickelten 1961 am Beispiel des Lactose-Operons von E. coli ein bahnbrechendes Modell zur Regulation prokaryotischer Gene. Für ihre Arbeiten erhielten sie 1965 den Nobelpreis. Das Modell erklärt, wie Bakterien Gene gezielt an- und abschalten und so flexibel auf Umweltbedingungen reagieren.
Mehrere funktionell zusammengehörende Strukturgene werden gemeinsam unter Kontrolle eines einzigen Promotors transkribiert. Ein solches Funktionscluster nennt man Operon. Die wichtigsten Komponenten sind:
• Strukturgene: codieren die Enzyme eines Stoffwechselwegs (z. B. lacZ-Y-A).
• Promotor (P): Bindestelle der RNA-Polymerase.
• Operator (O): regulatorische DNA-Sequenz, überlappt teilweise den Promotor.
• Regulatorgen: liegt außerhalb des Operons und codiert ein Regulatorprotein (Repressor oder Aktivator).
Ein Repressor bindet an den Operator und verhindert, dass die RNA-Polymerase den Promotor verlässt. Effektormoleküle können die Bindung modulieren:
• Induzierbares System (Substratinduktion, lac-Operon): Repressor ist standardmäßig aktiv. Ein Induktor (z. B. Allolactose) bindet allosterisch an ihn und löst ihn vom Operator → Operon AN.
• Reprimierbares System (Endproduktrepression, trp-Operon): Aporepressor ist allein inaktiv. Ein Korepressor (z. B. Tryptophan) macht ihn aktiv → Operon AUS.
Manche Operons werden zusätzlich durch Aktivatorproteine kontrolliert. Beim lac-Operon bindet das CAP-cAMP-Komplex an eine Aktivatorstelle vor dem Promotor und erleichtert das Andocken der RNA-Polymerase. Niedrige Glucose → viel cAMP → aktive CAP-Bindung → starke Transkription. Diese Katabolitrepression sorgt dafür, dass E. coli Glucose der Lactose vorzieht.
Jacob und Monod zeigten, dass Gene nicht ständig abgelesen werden, sondern an- und abschaltbar sind. Bakterien sparen so Energie und Bausteine. Das Modell ist Grundlage moderner Molekularbiologie und auch für das Verständnis der eukaryotischen Genregulation entscheidend, obwohl diese komplexer ist (Enhancer, Chromatinmodifikation, alternative Spleißung).
Operator und Promotor sind nicht identisch – der Operator ist die Bindestelle des Repressors, der Promotor die der RNA-Polymerase. Negative Regulation = Repressor blockiert; positive Regulation = Aktivator begünstigt.
Zusammenfassung: Operon = Promotor + Operator + Strukturgene. Regulation erfolgt über Repressoren (negativ) oder Aktivatoren (positiv), gesteuert von Effektormolekülen (Induktor/Korepressor).
Abitur-Tipp: Lerne ein Operon (lac) im Detail und vergleiche induzierbar (lac) vs. reprimierbar (trp) anhand der Effektorrolle.