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.