Zellwachstum reguliert genetische Schaltkreise

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Veränderungen innerhalb der Zelle wirken sich auf mehrere Arten auf die Konzentration an Proteinen aus. So sind in schneller wachsenden Zellen mehr RNA-Polymerasen für die Transkription von Genen vorhanden. Auf diese Weise kann das Gen häufiger ausgelesen werden. Gleichzeitig steht aber weniger Zeit zur Verfügung, um das Protein vor der nächsten Zellteilung anzureichern. Zudem sind schneller wachsende Zellen größer, was bei gleicher Anzahl von Proteinmolekülen eine geringere Konzentration zur Folge hat. Die Wissenschaftler integrierten alle Informationen in ihr theoretisches Modell und konnten so vorhersagen, wie die Wachstumsgeschwindigkeit der Bakterien die Proteinkonzentration beeinflusst. Demnach sinkt die Proteinkonzentration mit steigender Wachstumsrate - ein Ergebnis, das gut mit experimentellen Daten zu unregulierten Genen übereinstimmt.

Dass die Aktivität von Genen und genetischen Schaltkreise davon abhängt, wie schnell die Zellen wachsen, erschwert das Vermessen genetischer Schaltkreise erheblich. Denn die verschiedenen Messgrößen, die für die Charakterisierung der Aktivität von Genen benutzt werden, wie z.B. mRNA- und Proteinkonzentrationen, hängen auf unterschiedliche Weise von der Wachstumsrate ab. „Erhöht sich die Konzentration einer bestimmten Boten-RNA (mRNA) um einen Faktor drei im Vergleich zu einer anderen Messung, geht man normalerweise davon aus, dass die Genexpression hochreguliert wurde“ erklärt Stefan Klumpp. „Wenn aber die Zellen mit dem höheren mRNA-Level auch schneller wachsen, könnte sich trotzdem die entsprechende Proteinkonzentration verringert haben.“ Veränderte Proteinkonzentrationen sind darüber hinaus nicht zwangsläufig eine Folge von regulierter Genexpression. Solche Schwankungen können auch auf verlangsamtes oder beschleunigtes Zellwachstum zurückgehen.

Feedback zwischen regulierten Genen und Zellwachstum

Die Untersuchungen zeigen zudem, wie diese Wachstumseffekte mit der Genregulierung zusammenwirken. Zum Beispiel wird die Proteinkonzentration unabhängig vom Größenwachstum, wenn ein Gen durch negative Rückkopplung kontrolliert wird: In diesem Fall wird die Proteinsynthese gestoppt, wenn eine bestimmte Zielkonzentration erreicht wird. Wächst die Zelle weiter, sinkt die Proteinkonzentration zunächst, so dass weiteres Protein bis zur Zielkonzentration gebildet wird. Das Wachstum von Zellen kann aber auch selbst zu Rückkopplungen führen: Dann nämlich, wenn das Zellwachstum von der Konzentration eines bestimmten Proteins abhängt, die wiederum an das Zellwachstum gekoppelt ist. Wirkt beispielsweise die Proteinkonzentration hemmend auf die Wachstumsrate und stellen langsamer wachsende Zellen gleichzeitig mehr von diesem Protein her (positives Feedback), kann ein Teil einer Population genetisch identischer Zellen schneller wachsen als der Rest. Dies beruht allein darauf, dass ein Zellwachstum hemmendes Protein in manchen Zellen etwas häufiger gebildet wird. Dadurch wachsen diese Zellen langsamer, was wiederum die Konzentration des Proteins steigen lässt und das Wachstum weiter verlangsamt.

Die Forscher nehmen an, dass diese Wachstumseffekte in der Natur aktiv genutzt werden, denn für Bakterien sind sie möglicherweise sogar hilfreich. Wenn sie neue Fähigkeiten erwerben, wie z.B. neue Stoffwechselfunktionen oder Toleranz gegenüber Antibiotika, können die neuen Eigenschaften auch ohne direkte Genregulierung allein durch die Wachstumseffekte reguliert werden. Daraus könnte sich dann ein regulativer Schaltkreis entwickeln.

Originalveröffentlichung: Stefan Klumpp, Zhongge Zhang, Terence Hwa, „Global growth-rate dependent effects on gene expression in bacteria“, Cell 139, 1366-1375 (2009)

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