Operonu lac jest grupą geny strukturalne, których zadaniem jest kodujących białka zaangażowane w metabolizm laktozy. Są to geny, które są uporządkowane kolejno w genomie prawie wszystkich bakterii i zostały przebadane ze szczególnym wysiłkiem na „modelowej” bakterii Escherichia coli.
Operon lac był modelem zastosowanym przez Jacoba i Monoda w 1961 r. Do zaproponowania układów genetycznych w postaci operonu. W swojej pracy autorzy ci opisali, jak można „włączyć” lub „wyłączyć” ekspresję jednego lub większej liczby genów w wyniku obecności cząsteczki (na przykład laktozy) w pożywce wzrostowej.
Ogólny schemat operonu lac. Tereseik. Praca pochodna obrazu G3pro. Hiszpański przekład Alejandro Porto.
Bakterie, które rosną w pożywkach wzrostowych bogatych w związki węglowe lub cukry inne niż laktoza, takie jak glukoza i galaktoza, posiadają bardzo małe ilości białek niezbędnych do metabolizmu laktozy.
Następnie, przy braku laktozy, operon jest „wyłączany”, uniemożliwiając polimerazie RNA transkrypcję segmentu genu odpowiadającego operonowi lac. Kiedy komórka „wyczuwa” obecność laktozy, operon jest aktywowany i te geny są normalnie transkrybowane, co jest znane jako „włączanie” operonu.
Wszystkie geny operonu ulegają translacji do pojedynczej cząsteczki informacyjnego RNA, a zatem każdy czynnik regulujący transkrypcję tego informacyjnego RNA operonu lac będzie bezpośrednio regulował transkrypcję dowolnego genu, który do niego należy.
Odkrycie
Teoria Jacoba i Monoda rozwinęła się w kontekście, w którym niewiele wiedziano o budowie DNA. I jest to fakt, że zaledwie osiem lat wcześniej Watson i Crick przedstawili swoją propozycję dotyczącą struktury DNA i RNA, tak że informacyjne RNA były prawie nieznane.
Jacob i Monod już w latach pięćdziesiątych wykazali, że metabolizm bakteryjnej laktozy jest regulowany genetycznie przez dwa bardzo specyficzne warunki: obecność i brak laktozy.
Obaj naukowcy zaobserwowali, że białko o właściwościach podobnych do enzymu allosterycznego było w stanie wykryć obecność laktozy w pożywce i że po wykryciu cukru stymulowano transkrypcję dwóch enzymów: permeazy laktozy i galaktozydazy.
Dziś wiadomo, że permaza odgrywa rolę w transporcie laktozy do komórki i że galaktozydaza jest niezbędna do „rozbicia” lub „cięcia” cząsteczki laktozy na glukozę i galaktozę, tak aby komórka może skorzystać z tego disacharydu w jego częściach składowych.
Już w latach sześćdziesiątych XX wieku ustalono, że permaza laktozy i galaktozydaza były kodowane przez dwie sąsiednie sekwencje genetyczne, odpowiednio region Z i region Y.
Operon lak jest częścią genomu bakterii Escherichia coli. Źródło: NIAID, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Wreszcie w 1961 roku Jacob i Monod zaprezentowali model genetyczny składający się z pięciu elementów genetycznych:
- promotor
- Operator i
- geny Z, Y i A.
Wszystkie te segmenty są tłumaczone na pojedynczy informacyjny RNA i zawierają podstawowe części do zdefiniowania praktycznie każdego operonu bakteryjnego w naturze.
Analiza genetyczna i eksperymenty
Jacob, Monod i ich współpracownicy przeprowadzili wiele eksperymentów z komórkami bakteryjnymi, które miały mutacje uniemożliwiające szczepom metabolizowanie laktozy. Takie szczepy identyfikowano na podstawie nazwy szczepu i odpowiadającej im mutacji, którą posiadały.
W ten sposób naukowcy byli w stanie zidentyfikować, że mutacje w genach lacZ, które kodują β-galaktozydazę i lacY, które kodują permeazę laktozy, wytwarzają bakterie typu lac, czyli bakterie niezdolne do metabolizowania laktozy. .
Na podstawie „mapowania genetycznego” przy użyciu enzymów restrykcyjnych określono następnie lokalizację genów w różnych szczepach, co umożliwiło ustalenie, że trzy geny lacZ, lacY i lacA znajdują się (w tej kolejności) na chromosomie bakteryjnym w grupa sąsiadujących genów.
Istnienie innego białka, zwanego białkiem represorowym, które niekoniecznie jest uważane za „część” operonu, zostało wyjaśnione poprzez mutacje w genie zwanym lacI-. Koduje białko, które wiąże się z regionem „operatora” w operonie i zapobiega transkrypcji genów β-galaktozydazy i permeazy laktozy.
Mówi się, że białko to nie jest częścią genów tworzących operon lac, ponieważ są one faktycznie zlokalizowane „w górę” tego ostatniego i są przepisywane na różne informacyjne RNA.
Schemat operonu lac (źródło: Barbarossa w holenderskiej Wikipedii za pośrednictwem Wikimedia Commons)
Szczepy bakteryjne, które posiadają mutację lacI „konstytutywnie” wyrażają geny lacZ, lacY i lacA, które występują niezależnie od obecności lub braku laktozy w środowisku zewnątrzkomórkowym.
Wiele z tych obserwacji zostało potwierdzonych przez przeniesienie genów lacI + i lacZ + do komórki bakteryjnej, która nie wytwarzała białek kodowanych przez te geny w pożywce bez laktozy.
Ponieważ bakterie „transformowane” w ten sposób wytwarzały enzym β-galaktozydazę tylko w obecności laktozy, doświadczenie potwierdziło, że gen lacI był ważny dla regulacji ekspresji operonu lac.
Funkcjonować
Operon lac reguluje transkrypcję genów niezbędnych bakteriom do asymilacji laktozy jako źródła węgla i energii. Jednak transkrypcja tych genów zachodzi tylko wtedy, gdy głównym źródłem energii są węglowodany typu galaktozydowego.
W komórkach bakteryjnych istnieją mechanizmy, które regulują ekspresję genów operonu lac w obecności glukozy lub innego cukru, który jest łatwiejszy do metabolizowania.
Metabolizacja tych cukrów polega na ich transporcie do wnętrza komórki i późniejszym ich rozkładzie lub przetworzeniu.
Laktoza jest wykorzystywana jako alternatywne źródło energii dla bakterii, pomagając im przetrwać nawet po wyczerpaniu innych źródeł energii w środowisku, takich jak glukoza.
Model operonu lac był pierwszym tego typu systemem genetycznym, który został wyjaśniony i tym samym posłużył jako podstawa do opisu wielu innych operonów w genomie różnych typów mikroorganizmów.
Dzięki badaniu tego systemu dokonano znacznego postępu w zrozumieniu funkcjonowania białek typu „represor”, które wiążą się z DNA. Nastąpił również postęp w zrozumieniu enzymów allosterycznych i ich selektywnego działania podczas rozpoznawania jednego lub drugiego substratu.
Innym ważnym postępem, który wyłonił się w badaniach operonu lac, było ustalenie kluczowej roli, jaką informacyjne RNA odgrywają w tłumaczeniu instrukcji zawartych w DNA, a także jako poprzedni krok w syntezie białek.
Bibliografia
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT i Miller, JH (2005). Wprowadzenie do analizy genetycznej. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE i Aquadro, CF (2008). Genetyka: od genów do genomów (str. 978-0073227382). Nowy Jork: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery i lac Operon. Journal of Molecular biology, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Operon lac (str. 66-67). Nowy Jork :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N. i Kazanci, C. (2011). Deterministyczna i stochastyczna symulacja i analiza sieci reakcji biochemicznych: Przykład operonu laktozy. W Methods in enzymology (Vol. 487, str. 371–395). Academic Press.