Lac operon je skupina strukturních genů, jejichž funkcí je kódem pro proteiny zapojené do metabolismu laktózy. Jsou to geny, které jsou postupně uspořádány v genomu téměř všech bakterií a byly studovány se zvláštním úsilím v „modelové“ bakterii Escherichia coli.
Lac operon byl model používaný Jacobem a Monodem v roce 1961 pro navrhování genetických uspořádání ve formě operonu. Ve své práci tito autoři popsali, jak lze expresi jednoho nebo více genů „zapnout“ nebo „vypnout“ v důsledku přítomnosti molekuly (například laktózy) v růstovém médiu.
Obecné schéma lac operonu. Tereseik. Derivační práce obrazu G3pro. Španělský překlad od Alejandra Porto.
Bakterie, které rostou v růstovém médiu bohatém na uhlíkaté sloučeniny nebo cukry jiné než laktóza, jako je glukóza a galaktóza, mají velmi malá množství proteinů nezbytných pro metabolizaci laktózy.
Poté, v nepřítomnosti laktózy, je operon "vypnut", což brání RNA polymerase v transkripci genového segmentu odpovídající lac operonu. Když buňka „snímá“ přítomnost laktózy, aktivuje se operon a tyto geny se přepisují normálně, což se nazývá „zapnutí“ operonu.
Všechny geny operonu jsou převedeny do jediné molekuly messengerové RNA, a proto jakýkoli faktor, který reguluje transkripci této messengerové RNA lac operonu, bude přímo regulovat transkripci jakéhokoli genu, který k němu patří.
Objev
Teorie Jacoba a Monoda se vyvinula v kontextu, kde o struktuře DNA bylo známo jen velmi málo. A je to tak, že teprve osm let před tím, než Watson a Crick předložili svůj návrh na strukturu DNA a RNA, takže messengerové RNA byly jen stěží známy.
Jacob a Monod v 50. letech již ukázali, že metabolismus bakteriální laktózy byl geneticky regulován dvěma velmi specifickými podmínkami: přítomností a nepřítomností laktózy.
Oba vědci pozorovali, že protein s charakteristikami podobnými alosterickým enzymům byl schopen detekovat přítomnost laktózy v médiu a že jakmile byl detekován cukr, byla stimulována transkripce dvou enzymů: laktosová permeáza a galaktosidáza.
V současné době je známo, že permeáza má funkce při transportu laktózy do buňky a že galaktosidáza je nezbytná pro „rozbití“ nebo „rozříznutí“ molekuly laktózy na glukózu a galaktosu, takže buňka může využít tohoto disacharidu ve svých základních částech.
Šedesátými léty bylo již stanoveno, že laktózová permeáza a galaktosidáza byly kódovány dvěma sousedními genetickými sekvencemi, Z oblastí a Y oblastí.
Lac operon je součástí genomu bakterie Escherichia coli. Zdroj: NIAID, prostřednictvím Wikimedia Commons
V roce 1961 Jacob a Monod představili genetický model složený z pěti genetických prvků:
- Propagátor
- Provozovatel a
- geny Z, Y a A.
Všechny tyto segmenty jsou přeloženy do jediné messengerové RNA a obsahují základní části, které definují prakticky jakýkoli bakteriální operon v přírodě.
Genetická analýza a experimenty
Jacob, Monod a jejich spolupracovníci provedli mnoho experimentů s bakteriálními buňkami, které měly mutace, které způsobily, že kmeny nemohly metabolizovat laktózu. Takové kmeny byly identifikovány názvem kmene a odpovídající mutací, kterou vlastnily.
Tímto způsobem vědci dokázali identifikovat, že mutace v genech lacZ, které kódují β-galaktosidázu, a lacY, které kódují laktózovou permeázu, produkují bakterie lac - typu, tj. Bakterie neschopné metabolizovat laktózu..
Z „genetického mapování“ pomocí restrikčních enzymů bylo následně určeno umístění genů v různých kmenech, což umožnilo stanovit, že tři geny lacZ, lacY a lacA se nacházejí (v tomto pořadí) na bakteriálním chromozomu v skupina sousedních genů.
Existence jiného proteinu, nazývaného represorový protein, který nemusí být nutně považován za „část“ operonu, byl objasněn mutacemi v genu zvaném lacI-. Kóduje protein, který se váže na "operátorskou" oblast v operonu a zabraňuje transkripci genů pro β-galaktosidázu a laktózovou permeazi.
Říká se, že tento protein není součástí genů, které tvoří lac operon, protože jsou ve skutečnosti umístěny "proti proudu" a jsou přepisovány do různých messengerových RNA.
Schéma lac operonu (Zdroj: Barbarossa na nizozemské Wikipedii přes Wikimedia Commons)
Bakteriální kmeny, které mají mutaci lacI „konstitutivně“ exprimují geny lacZ, lacY a lacA, které se vyskytují bez ohledu na přítomnost nebo nepřítomnost laktózy v extracelulárním prostředí.
Mnoho z těchto pozorování bylo potvrzeno přenosem lacI + a lacZ + genů do bakteriální buňky, která neprodukovala proteiny kódované těmito geny v médiu bez laktózy.
Protože bakterie „transformované“ tímto způsobem produkovaly pouze enzym p-galaktosidázu v přítomnosti laktózy, experiment potvrdil, že gen lacI byl důležitý pro regulaci exprese lac operonu.
Funkce
Lac operon reguluje transkripci genů, které jsou nezbytné pro bakterie, aby asimilovaly laktózu jako zdroj uhlíku a energie. K transkripci těchto genů však dochází, pouze pokud hlavní zdroj energie odpovídá uhlohydrátům galaktosidového typu.
V bakteriálních buňkách existují mechanismy, které regulují expresi lac operonových genů, když jsou v přítomnosti glukózy nebo jiného cukru, který je snadněji metabolizovatelný.
Metabolizace těchto cukrů zahrnuje jejich transport do vnitřku buňky a jejich následné štěpení nebo zpracování.
Laktóza se používá jako alternativní zdroj energie pro bakterie a pomáhá jim přežít i poté, co jsou vyčerpány další zdroje energie v prostředí, jako je glukóza.
Lac operonový model byl první genetický systém svého druhu, který byl objasněn, a tak sloužil jako základ pro popis mnoha dalších operonů v genomu různých typů mikroorganismů.
Studiem tohoto systému bylo dosaženo velkého pokroku v porozumění fungování proteinů typu "represorů", které se vážou na DNA. Rovněž došlo k pokroku v porozumění alosterických enzymů a v tom, jak působí selektivně při rozpoznávání jednoho nebo druhého substrátu.
Dalším důležitým pokrokem, který vyplynul ze studia lac operonu, bylo stanovení klíčové úlohy, kterou hrají messengerové RNA při překladu instrukcí nalezených v DNA, a také jako předběžný krok k syntéze proteinů.
Reference
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Úvod do genetické analýzy. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE a Aquadro, CF (2008). Genetika: od genů k genomům (str. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery a lac Operon. Journal of molekulární biologie, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Lac operon (str. 66-67). New York:: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Deterministická a stochastická simulace a analýza biochemických reakčních sítí: Příklad laktonového operonu. In Methods in enzymology (svazek 487, str. 371-395). Academic Press.