Lac operon je skupina štruktúrnych génov, ktorých funkciou je kódom pre proteíny zapojené do metabolizmu laktózy. Sú to gény, ktoré sú usporiadané postupne v genóme takmer všetkých baktérií a boli študované so zvláštnym úsilím v „modelovej“ baktérii Escherichia coli.
Lac operón bol modelom, ktorý použili Jacob a Monod v roku 1961 na navrhovanie genetických usporiadaní vo forme operónu. Vo svojej práci opísali autori, ako je možné „zapnúť“ alebo „vypnúť“ expresiu jedného alebo viacerých génov v dôsledku prítomnosti molekuly (napríklad laktózy) v rastovom médiu.
Všeobecná schéma lac operónu. Tereseik. Derivačná práca obrazu G3pro. Španielsky preklad Alejandro Porto.
Baktérie, ktoré rastú v rastových médiách bohatých na uhlíkaté zlúčeniny alebo cukry iné ako laktóza, ako je glukóza a galaktóza, majú veľmi malé množstvo proteínov potrebných na metabolizáciu laktózy.
Potom, v neprítomnosti laktózy, sa operón „vypne“, čím sa zabráni RNA polymeráze v transkripcii génového segmentu zodpovedajúceho lac operónu. Keď bunka „sníma“ prítomnosť laktózy, aktivuje sa operón a tieto gény sa transkribujú normálne, čo je známe ako „zapínanie“ operónu.
Všetky gény operónu sú translatované do jedinej molekuly messengerovej RNA, a preto akýkoľvek faktor, ktorý reguluje transkripciu tejto messengerovej RNA lac operónu, priamo reguluje transkripciu akéhokoľvek génu, ktorý k nemu patrí.
objav
Teória Jacoba a Monoda sa rozvinula v kontexte, kde o štruktúre DNA bolo známe len veľmi málo. A to je len to, že iba osem rokov predtým, ako Watson a Crick predložili svoj návrh na štruktúru DNA a RNA, bolo málo známe RNA messengerov.
Jacob a Monod v 50-tych rokoch už ukázali, že metabolizmus bakteriálnej laktózy bol geneticky regulovaný dvoma veľmi špecifickými podmienkami: prítomnosťou a neprítomnosťou laktózy.
Obaja vedci pozorovali, že proteín s charakteristikami podobnými alosterickým enzýmom bol schopný detegovať prítomnosť laktózy v médiu a že po zistení cukru sa stimulovala transkripcia dvoch enzýmov: laktóza-permeáza a galaktozidáza.
Dnes je známe, že permeáza hrá úlohu pri transporte laktózy do bunky a že galaktozidáza je nevyhnutná na „rozbitie“ alebo „rozštiepenie“ molekuly laktózy na glukózu a galaktózu, takže bunka môže využiť tento disacharid vo svojich podstatných častiach.
V 60. rokoch sa už zistilo, že laktóza permeáza a galaktozidáza boli kódované dvoma susednými genetickými sekvenciami, Z oblasťou a Y oblasťou.
Lac operón je súčasťou genómu baktérie Escherichia coli. Zdroj: NIAID, prostredníctvom Wikimedia Commons
V roku 1961 Jacob a Monod predstavili genetický model pozostávajúci z piatich genetických prvkov:
- Promótor
- prevádzkovateľ a
- gény Z, Y a A.
Všetky tieto segmenty sú translatované do jedinej mediátorovej RNA a obsahujú základné časti na definovanie prakticky akéhokoľvek bakteriálneho operónu v prírode.
Genetická analýza a experimenty
Jacob, Monod a ich spolupracovníci uskutočnili veľa experimentov s bakteriálnymi bunkami, ktoré mali mutácie, ktoré spôsobili, že kmene nemohli metabolizovať laktózu. Takéto kmene boli identifikované názvom kmeňa a zodpovedajúcou mutáciou, ktorú vlastnili.
Týmto spôsobom vedci dokázali identifikovať, že mutácie v génoch lacZ, ktoré kódujú β-galaktozidázu, a lacY, ktoré kódujú laktázovú permeázu, produkujú baktérie lac - typu, to znamená baktérie, ktoré nie sú schopné metabolizovať laktózu. ,
Z „genetického mapovania“ pomocou reštrikčných enzýmov sa následne určilo umiestnenie génov v rôznych kmeňoch, čo umožnilo preukázať, že tri gény lacZ, lacY a lacA sa nachádzajú (v tomto poradí) na bakteriálnom chromozóme v skupina susedných génov.
Existencia iného proteínu, nazývaného represorový proteín, ktorý sa nemusí nevyhnutne považovať za „súčasť“ operónu, sa objasnil mutáciami v géne nazývanom lacI-. Kóduje proteín, ktorý sa viaže na operátorovú oblasť v operóne a zabraňuje transkripcii génov pre ß-galaktozidázu a laktózovú permeabilitu.
Hovorí sa, že tento proteín nie je súčasťou génov, ktoré tvoria lac operón, pretože sú v skutočnosti lokalizované "proti prúdu" a sú transkribované do rôznych messengerových RNA.
Schéma lac operónu (Zdroj: Barbarossa na holandskej Wikipédii prostredníctvom Wikimedia Commons)
Bakteriálne kmene, ktoré majú mutáciu lacI „konštitutívne“, exprimujú gény lacZ, lacY a lacA, ktoré sa vyskytujú bez ohľadu na prítomnosť alebo neprítomnosť laktózy v extracelulárnom prostredí.
Mnohé z týchto pozorovaní boli potvrdené prenosom génov lacI + a lacZ + do bakteriálnej bunky, ktorá neprodukovala proteíny kódované týmito génmi v médiu bez laktózy.
Pretože baktérie „transformované“ týmto spôsobom produkovali iba enzým p-galaktozidázu v prítomnosti laktózy, experiment potvrdil, že gén lacI bol dôležitý pre reguláciu expresie lac operónu.
funkcie
Lac operón reguluje transkripciu génov, ktoré sú potrebné pre baktérie, aby asimilovali laktózu ako zdroj uhlíka a energie. K transkripcii týchto génov však dochádza iba vtedy, keď hlavný zdroj energie zodpovedá sacharidom galaktozidového typu.
V bakteriálnych bunkách existujú mechanizmy, ktoré regulujú expresiu lac operónových génov, keď sú v prítomnosti glukózy alebo iného cukru, ktorý sa ľahšie metabolizuje.
Metabolizácia týchto cukrov spočíva v ich transporte do vnútra bunky a ich následnom rozklade alebo spracovaní.
Laktóza sa používa ako alternatívny zdroj energie pre baktérie a pomáha im prežiť aj po vyčerpaní iných zdrojov energie v prostredí, ako je napríklad glukóza.
Lac operónový model bol prvý genetický systém svojho druhu, ktorý bol objasnený, a teda slúžil ako základ pre opis mnohých ďalších operónov v genóme rôznych typov mikroorganizmov.
Štúdiom tohto systému sa dosiahol značný pokrok v porozumení fungovania proteínov typu "represor", ktoré sa viažu na DNA. Pokrok sa dosiahol aj v porozumení alosterických enzýmov a v tom, ako pôsobia selektívne pri rozpoznávaní jedného alebo druhého substrátu.
Ďalším dôležitým pokrokom, ktorý vyplynul zo štúdie lac operónu, bolo stanovenie kľúčovej úlohy, ktorú hrajú messengerové RNA pri prekladaní inštrukcií nájdených v DNA, a tiež ako predbežný krok k syntéze proteínov.
Referencie
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, a Miller, JH (2005). Úvod do genetickej analýzy. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE a Aquadro, CF (2008). Genetika: od génov k genómom (s. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery a lac Operon. Journal of molekulárna biológia, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B. & Oehler, S. (1996). Lac operón (str. 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Deterministická a stochastická simulácia a analýza biochemických reakčných sietí: Príklad laktónového operónu. In Methods in enzymology (zväzok 487, str. 371 až 395). Academic Press.