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50. Jubiläum des Operon-Modells von Jacob und Monod

Zum 50. Jubiläum des Operon-Konzeptes von Jacob und Monod trafen sich führende Molekularbiologen aus aller Welt zu einer von der European Molecular Biology Organisation (EMBO) und dem Institut Pasteur veranstalteten Konferenz. Sie diskutierten Konzepte und Forschungsergebnisse, die, ausgehend vom Operon-Modell, zu unseren heutigen Vorstellungen hochkomplexer Wechselwirkungen zwischen der Regulation von Genfunktionen und phänotypischer Ausprägung geführt haben.

François Jacob (geb. 1920), Nobelpreisträger, bei seiner Ernennung zum Mitglied der Académie Française 1996. © Académie Française

Im Juni 1961 erschien im Journal of Molecular Biology ein Artikel von François Jacob und Jacques Monod unter dem Titel „Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesis of Proteins“, in dem sie ein Konzept der Genregulation vorstellten, das als Operon-Modell bekannt wurde und die Entwicklung der damals im Entstehen begriffenen Molekularbiologie entscheidend prägte. Zum 50. Jahrestag dieser Publikation organisierte die European Molecular Biology Organisation (EMBO) zusammen mit dem Institut Pasteur in Paris eine Konferenz „The Operon Model and its impact on Modern Molecular Biology“. Allein die Sprecherliste der Konferenz vom 17. bis 20. Mai liest sich wie ein „Who is Who“ der Zell- und Molekularbiologie der letzten Jahrzehnte. Selbst das ehrwürdige Institut Pasteur hat selten eine vergleichbare Versammlung berühmter Wissenschaftler - darunter die Nobelpreisträger Elizabeth Blackburn, François Jacob, Paul Nurse, Christiane Nüsslein-Volhard, Philip Sharp und Ada Yonath - gesehen.

Vom Lac-Operon zu genetischen Netzwerken

Jacques Monod (1910-1976), Résistance-Kämpfer, Nobelpreisträger, Offizier der Ehrenlegion, Direktor des Institut Pasteur © Nobelpreiskomitee

Mit dem für das lacZ-Gen der β-Galactosidase von E. coli formulierten Operon-Modell wurde erstmals gezeigt, dass eine Regulation von Genen auf der Ebene der Transkription durch Regulatorgene und ihre Produkte (RNA oder Proteine) erfolgt und dass diese Regulatoren auf Stoffwechseländerungen und Umwelteinflüsse reagieren. In ihrem Modell hoben Jacob und Monod auch die Rolle einer kurz zuvor entdeckten neuen Klasse von RNA (der messenger-RNA) als Vermittler zwischen den Genen und ihren Proteinprodukten hervor. Nicht von ungefähr wurde das Konferenzzentrum von EMBO und dem Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) in Heidelberg „Operon“ getauft.

Das Programm der Tagung, das von einem wissenschaftlichen Komitee zusammengestellt war, dem neben Margaret Buckingham vom Institut Pasteur und Lucy Shapiro von der Stanford University auch Hermann Bujard (siehe BIOPRO-Artikel „Grundlagenforscher aus Leidenschaft“ vom 12.02.2008 ), der frühere EMBO-Direktor und Gründungsdirektor des Zentrums für Molekulare Biologie Heidelberg, angehörte, spannte sich von den historischen Perspektiven über die Mechanismen der Transkription, Epigenetik, Zelldifferenzierung, -wachstum und -teilung bis hin zu den neuesten Konzepten der Regulation durch Mikro-RNAs und genetische Netzwerke. Während die jetzige EMBO-Direktorin Maria Leptin aus Heidelberg (siehe BIOPRO-Artikel „Maria Leptin – eine Wissenschaftlerin an der europäischen Spitze“ vom 14.11.2010 ) die Konferenzteilnehmer, unter denen sehr viele mit EMBO bzw. EMBL verbunden sind oder waren, am Anfang in die Thematik einführte, war es Bujard vorbehalten, am Schluss die vielen Entwicklungsstränge, die vom Operon-Modell ihren Ausgang genommen haben, zusammenzufassen.

Emotionaler Höhepunkt der Konferenz war der Vortrag des über 90-jährigen François Jacob, in dem er an die entscheidenden Experimente und die Zusammenarbeit mit Jacques Monod erinnerte, für die beide 1965 den Nobelpreis für Medizin erhalten hatten. Monod war bereits 1976 an Leukämie verstorben, aber anwesend an der Konferenz war sein Schüler Jean-Pierre Changeux, der auch wesentlichen Anteil an der Entwicklung des Operon-Modells hatte.

Das Operon-Modell hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die herrschenden Vorstellungen über Gene. Neben den „Strukturgenen“, den Trägern der Strukturinformation für die Herstellung von Proteinen, gibt es danach auch „Regulatorgene“, welche die Strukturinformation aktivieren oder inhibieren. Als drittes Element auf der DNA kommen noch Signalsequenzen hinzu, die das Stoffwechselsignal erkennen, das die Regulation auslöst. (Später hatte man als weiteres Element die Promotorsequenzen gefunden, also die Ansatzstelle für die RNA-Polymerase).

Während sich das Modell noch am Genbegriff der klassischen neodarwinistischen Genetik orientierte, nach dem sich ein Gen in einer Eigenschaft des Phänotyps manifestiert und diese Eigenschaft einen Angriffspunkt für die evolutionäre Selektion darstellt, bedeutete es zugleich eine Erweiterung, die Entwicklungen anstieß, die heute die klassischen Vorstellungen grundsätzlich in Frage stellen. Jacob selbst hat auf die Komplexität verwiesen, dass die drei Elemente – Strukturgen, Regulatorgen und Signalsequenz – ein hierarchisch aufgebautes genetisches Programm darstellen, das von seiner eigenen Realisierung abhängt, denn „die einzelnen Elemente, die die genetische Botschaft interpretieren können, sind selbst Produkte dieser Botschaft“ (zitiert aus: F. Jacob: „Die Logik des Lebenden“, S. Fischer, 2002).

Die Komplexität der Genexpression

Nachdem man sich komplexeren Organismen als Bakterien zugewandt hatte, sah man, dass die Beziehungen zwischen Genen und ihren phänotypischen Ausprägungen viel komplizierter sind, als man je ahnen konnte. Die Konferenz dokumentierte diese Komplexität in ihrer ganzen Vielfalt: Die von Barbara McClintock entdeckten „springenden Gene“ und Transposons deuteten darauf hin, dass Gene in ständiger Bewegung sind. Die Strukturgene im Jacob-Monod‘schen Sinne erwiesen sich bei Eukaryonten meist als Kombinationen von Modulen aus Exons und Introns. Unterschiedliche Spleißung dieser Module auf der Ebene der Transkription kann zu ganz unterschiedlichen Proteinprodukten führen.

Verschiebungen genetischen Materials und unterschiedliche modulare Kombinationen in somatischen Zellen ermöglichen es den Wirbeltieren, Antikörper in solch enormer Vielzahl zu konstruieren, dass kein Genom groß genug wäre, um dafür Platz zu schaffen. Es gibt sich wiederholende Genverdoppelungen, durch die große Genfamilien entstehen, bei denen einzelne Gene für ganz unterschiedliche Funktionen herangezogen werden können, andere dagegen stillgelegt und als Pseudogene weitervererbt werden.

Wieder andere unterscheiden sich nur geringfügig voneinander und erzeugen unterschiedliche Isoformen von Proteinen. Hatte man früher als Grundlage der Variabilität und der evolutionären Selektion vor allem Punktmutationen in den Genen ins Auge gefasst, so zeigt sich heute, dass es darüber hinaus ein ganzes Arsenal von Mechanismen gibt, mit denen auf der Ebene des ganzen Genoms ein „genetisches Basteln“ („tinkering“, wie Jacob es nannte) erfolgt.

Das Lac-Operon, Schema © C.Courts, 15.04.11

Entwicklungsgene wie sie unter anderem von Nüsslein-Volhardt erforscht worden sind – zum Beispiel die Hox- und Pax-Genfamilien, die als Hauptschalter die Embryonal- und Organentwicklung vielzelliger Tiere steuern - lassen sich mit den Regulatorgenen des Operon-Modells vergleichen. Es gibt allerdings einen wichtigen Unterschied, auf den Müller-Wille und Rheinberger hingewiesen haben: Während die Regulatorgene die Strukturgene unter ihrer Kontrolle reversibel an- oder abschalten können, setzen die Entwicklungsgene irreversible Differenzierungsprozesse in Gang.

Regulationsmechanismen durch Epigenetik, die auf der Konferenz breiten Raum einnahmen, haben die alten Vorstellungen der Vererbung durch Gene weiter kompliziert. Epigenetische Genexpressionsmuster (beispielsweise durch den Histon-Code und DNA-Methylierungen) können sogar über Generationen von sich sexuell fortpflanzenden Organismen festgelegt werden und ermöglichen (in begrenztem Umfang) eine Vererbung erworbener Eigenschaften, die einen schon wieder an Lamarck denken lässt.

Auflösung von Dogmen

Die Entdeckung der reversen Transkriptase hatte gezeigt, dass das von Francis Crick formulierte „Zentrale Dogma der Molekularbiologie“ (genetische Information fließt nur von DNA zu RNA zu Protein, aber niemals zurück) nicht uneingeschränkt Gültigkeit hat. Inzwischen heben einige Forscher hervor, dass die Synthese funktionstüchtiger dreidimensionaler Proteine aus eindimensionalen Gensequenzen nur möglich ist, wenn Zellen die ganze hochkomplexe Translationsmaschinerie (Ribosomen, t-RNAs und hunderte von Enzymen) und womöglich noch die Chaperone „geerbt“ hat, also Informationen außer von der DNA und mRNA auch aus der molekularen Umgebung notwendig sind. Daraus hat Susan Oyama ihre Entwicklungssystemtheorie (developmental systems theory) abgeleitet, die sich von den herkömmlichen Vorstellungen, was Gene seien, ganz löst und stattdessen von Entwicklungssystemen spricht. Dieses Denkmodell stellt mit seiner Logik zwar manche Philosophen zufrieden, kaum aber die Molekularbiologen, die zum Beispiel an die Gentechnologie denken, die mit Konzepten von einzelnen funktionalen Genen große Erfolge in der Anwendung und Kommerzialisierung erzielt hat.

Die Entwicklungssystemtheorie dagegen kann bisher kaum experimentelle Ansätze zu ihrer Prüfung bieten. Allerdings zeigt die genauere Analyse der gentechnologischen Erfolge, dass sie oft nur in erster Annäherung die Funktionen von Genen widerspiegeln. In den meisten Fällen beruhen die phänotypischen Ausprägungen von Genen auf komplexen Wechselwirkungen und Netzwerken von genetischen Programmen, wie sie in einem einfachen bakteriellen System erstmals vor einem halben Jahrhundert von Jacob und Monod postuliert worden waren.

Literatur:
Staffan Müller-Wille und Hans-Jörg Rheinberger: Das Gen im Zeitalter der Postgenomik. Edition Unseld 25, Suhrkamp, Frankfurt am Main, 2009

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Exon ist ein Bereich eines eukaryotischen Gens, der über die mRNA exprimiert wird (s.a. Intron) und ein funktionelles Protein entstehen lässt.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Intron ist ein zusammengesetztes und verkürztes Wort, das intervening sequence bedeutet. Ein Intron ist der Bereich eines Gens, der in der eukaryotischen Zelle aus der mRNA herausgeschnitten wird. Aus diesen Introns wird folglich kein Protein synthetisiert.
  • Ein Operon ist eine Funktionseinheit der prokaryontischen DNA, die der Transkriptionsregulation der dahinter liegenden Gene dient. Dadurch kontrolliert es die Synthese der Proteine, die durch diese Gene codiert werden.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Der Phänotyp beinhaltet alle sichtbaren Eigenschaften eines Organismus. Er wird vom Genotyp (der genetischen Ausstattung) und der Umwelt bestimmt.
  • Ein Promotor ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Expression der dahinter liegenden Gene reguliert. Dies geschieht, indem DNA-bindende Proteine, so genannte Transkriptionsfaktoren, an den Promotor binden und so ein Startsignal für die RNA-Polymerase geben, welche eine mRNA-Kopie der Gene anfertigt.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Regulatorgene regulieren die Expression eines anderen Gens.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • Strukturegene ist die generelle Bezeichnung für Gene, deren Genprodukte (Proteine oder RNA) keine regulatorischen Aufgaben bei der Genexpression haben.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Translation im biologischen Sinn ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins übersetzt (translatiert) wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt. Nach der Vorlage eines einzigen mRNA-Moleküls können zahlreiche Proteinmoleküle synthetisiert werde
  • Ein Transposon ist ein springendes Gen, also ein DNA-Abschnitt, der sich selbst in verschiedene Genom-Abschnitte einbauen kann.
  • Die Transfer-RNA (t-RNA) ist eine RNA mit L-förmiger Raumstruktur, die in der Translationsphase der Proteinbiosynthese (Übersetzung des RNA-Codes in eine Aminosäuresequenz) als Adaptermolekül dient. Jede t-RNA verfügt dazu einerseits über eine Bindestelle für eine spezifische Aminosäure und andererseits über ein spezifisches Basentriplett, das sog. Anticodon, das komplementäre Codons auf der m-RNA erkennen und binden kann. Dadurch wird der Einbau der jeweils richtigen Aminosäure in das entstehende Protein sichergestellt.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Eine Punktmutation ist eine Genmutation bei der nur wenige oder ein einzelnes Basenpaar betroffen sind.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Leukämie ist eine bösartige Erkrankung (Krebs) des blutbildenden Systems. Durch die vermehrte Bildung entarteter weißer Blutkörperchen und ihrer Vorstufen wird die Blutbildung im Knochenmark gestört. Andere Blutbestandteile werden verdrängt und es kommt dadurch zu Anämie (Blutarmut), Infektionen und Blutungen, die letztlich zum Tod führen, wenn die Leukämie nicht behandelt wird.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Histone sind Eiweiße, die der geordneten Verpackung der DNA-Helix in Form von Chromosomen dienen. Dabei wird die lange DNA-Helix um die Histone herum gewunden. Diese Komplexe aus DNA und Histonen werden Nukleosomen genannt und bilden die Untereinheit der Chromosomen.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Methylierung ist die Einführung von Methylgruppen in organische Verbindungen.
  • Messenger-RNA (Abk.: mRNA) ist eine Ribonukleinsäure, die eine Kopie eines kurzen DNA-Stücks darstellt und als Vorlage für die Synthese eines spezifischen Proteins dient.
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