Katabolitrepression

Bei der Katabolitrepression wird die Expression bestimmter Stoffwechselkomponenten (katabolische, also verstoffwechselnde Enzyme) einer Zelle so lange unterdrückt, wie ein bestimmtes Stoffwechselprodukt (Katabolit) in signifikanter Menge vorhanden ist. Dieser Kontrollmechanismus wird auch als Positivkontrolle bezeichnet, während reprimierbare und induzierbare Systeme die Negativkontrolle vornehmen.

Erstmals gezeigt wurde dieser Mechanismus am Beispiel der Glucose, weshalb er früher auch Glucoseeffekt genannt wurde. Aber auch andere Kohlenstoffquellen können für Katabolitrepression verantwortlich sein.

Lactose-Operon: cAMP als Hungersignal in Bakterien. Zum Überleben bei Glucose (Glc-) Mangelsituationen besitzt das Bakterium (Escherichia coli) eine kontrollierbare Gen-Einheit (Operon), die bei Bedarf die Aufnahme und Verwertung von Lactose (Lac) ermöglicht. Dieser Vorgang erfordert zwei Signale:
1. cAMP aktiviert bei Glc-Mangel das CAP-Protein, welches direkt am Promotor (p) bindet und dessen Aktivierung unterstützt;
2. Lac bindet an ein Repressorprotein (REP); dieses löst sich daraufhin von der Operator-Sequenz (o) und gibt die Transkription der Geneinheit lacZYA frei.
Bei Verfügbarkeit von Glc sinkt der cAMP-Spiegel durch Inhibition der Adenylylzyklase (AC). Die Rolle eines Glucose-Transportproteins (TP) bei diesem Vorgang wird im Text beschrieben.

Man bemerkte, dass bestimmte Stoffwechselwege eines Bakteriums gehemmt waren (also die Synthese bestimmter Enzyme ausblieb), wenn Glucose im Medium vorhanden war. Bei Abwesenheit bzw. nach Verbrauch der Glucose wurden die vorher reprimierten Enzyme exprimiert. Besonders deutlich wird dies beim Wachstum von Escherichia coli in einem Medium, welches Lactose und Glucose enthält. Zunächst wächst die Kultur relativ schnell und verbraucht die Glucose, es schließt sich eine kurze Phase ohne Wachstum (lag-Phase oder Latenzphase) an, und anschließend geht das Wachstum unter Lactoseverbrauch weiter, allerdings langsamer. Beim Wachstum auf Lactose wird bei E. coli das Lactose-Operon induziert. Zunächst unterblieb diese Induktion jedoch zugunsten der Verwertung der im Medium vorhandenen Glucose. Die kurze lag-Phase zwischen vollständiger Verwertung der Glucose und Beginn der Lactoseverwertung beschreibt somit den Zeitraum, in dem das Lactose-Operon induziert wurde und die lactoseverwertenden Enzyme gebildet wurden. Ein solches Wachstumsverhalten mit zwei getrennten exponentiellen Phasen wird auch diauxisches Wachstum oder kurz Diauxie genannt.

Der Mechanismus, der diesem Phänomen zugrunde liegt, ist die Katabolitrepression. Glucose hemmt die Adenylatcyclase, ein Enzym, welches aus ATP cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) synthetisiert. cAMP ist ein universeller intrazellulärer Botenstoff bzw. Signalmolekül (second messenger) und reguliert viele zelluläre Vorgänge. Eine wichtige Funktion von cAMP im hier beschriebenen Kontext ist die Bindung an CAP (Katabolit-Aktivatorprotein), auch CRP (cAMP Rezeptorprotein) genannt. Bei katabolitreprimierten Enzymen kann die RNA-Polymerase nur dann an die DNA binden und die Transkription einleiten, wenn vorher an die DNA CAP gebunden wurde. Diese Anlagerung kann nur bei einer vorherigen Bindung an cAMP stattfinden. Verursacht also ein Katabolit ein Absinken der intrazellulären cAMP-Konzentration, so können CAP-abhängige Enzyme nicht gebildet werden. Das Lactose-Operon unterliegt ebendiesem Kontrollmechanismus, es ist aber bei weitem nicht das einzige. Da einerseits viele Operons mittels des cAMP-Levels kontrolliert werden, andererseits jedes Operon seine eigenen Regulatoren besitzt (im Falle des lac-Operons: Lactose und der lac-Repressor), ermöglicht dieses einfache Regulationssystem eine globale Modulation des Zellstoffwechsels.

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