OPERONS: ATKLĀJUMS, MODELIS, KLASIFIKĀCIJA, PIEMĒRI - BIOLOĢIJA - 2025

Operon sastāv no grupas, secīgi pasūtīto gēnu, kas regulē viens otru, ka kodē olbaltumvielas, kas funkcionāli saistītas, un ka ir atrodami visā genomā baktēriju un "senču" genomu.

Šo regulējošo mehānismu aprakstīja F. Jēkabs un J. Monods 1961. gadā - fakts, kas viņiem 1965. gadā piešķīra Nobela prēmiju fizioloģijā un medicīnā. Šie pētnieki ierosināja un parādīja operonu darbību caur gēniem, kas kodē fermenti, kas nepieciešami Escherichia coli laktozes izmantošanai.

DNS virziena grafiskā diagramma ar gēniem, kas satur laktozes operonu (Promoter, Operators, lacZ, lacY, lacA un terminators) (Avots: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Operoni ir atbildīgi par olbaltumvielu sintēzes koordinēšanu atbilstoši katras šūnas vajadzībām, tas ir, tie tiek ekspresēti tikai olbaltumvielu ģenerēšanai tajā laikā un precīzi vietā, kur tie nepieciešami.

Gēni, kas atrodas operonos, parasti ir strukturāli gēni, kas nozīmē, ka tie kodē svarīgus fermentus, kas tieši iesaistīti metabolisma ceļos šūnā. Tās var būt aminoskābju sintēze, enerģija ATP formā, ogļhidrāti utt.

Operoni parasti ir sastopami arī eikariotu organismos, tomēr, atšķirībā no prokariotu organismiem, eikariotos operona reģions netiek transkribēts kā viena Messenger MNS molekula.

Atklājums

Pirmais svarīgais sasniegums attiecībā uz operoniem, ko veica Fransuā Džeikobs un Žaks Monods, bija pievērsties "fermentatīvās adaptācijas" problēmai, kas sastāvēja no īpaša fermenta parādīšanās tikai tad, kad šūna atradās substrāta klātbūtnē.

Šāda šūnu reakcija uz substrātiem baktērijās tika novērota daudzus gadus. Tomēr pētnieki prātoja, kā šūna precīzi noteica, kuru enzīmu tai vajadzēja sintezēt, lai metabolizētu šo substrātu.

Jēkabs un Monods novēroja, ka baktēriju šūnas galaktozei līdzīgu ogļhidrātu klātbūtnē ražoja 100 reizes vairāk β-galaktozidāzes nekā normālos apstākļos. Šis ferments ir atbildīgs par β-galaktozīdu sadalīšanu, lai šūna tos izmantotu metaboliski.

Tāpēc abi pētnieki sauca galaktozīdu tipa ogļhidrātus par "induktoriem", jo viņi bija atbildīgi par β-galaktozidāzes sintēzes palielināšanās stimulēšanu.

Tāpat Jēkabs un Monods atrada ģenētisko reģionu ar trim gēniem, kuri tika koordinēti kontrolēti: Z gēns, kas kodē fermentu β-galaktozidāzi; Y gēns, kas kodē enzīmu laktozes permeāzi (galaktozīdu transportēšana); un gēns A, kas kodē enzīmu transacetilāzi, kas ir būtiska arī galaktozīdu asimilācijā.

Veicot turpmākās ģenētiskās analīzes, Jēkabs un Monods noskaidroja visus laktozes operona ģenētiskās kontroles aspektus, secinot, ka Z, Y un A gēnu segments veido vienotu ģenētisku vienību ar koordinētu izpausmi, ko viņi definēja kā “operonu”.

Operona modelis

Operona modeli pirmo reizi precīzi aprakstīja Jēkabs un Monods 1965. gadā, lai izskaidrotu gēnu regulējumu, kas tiek transkribēti un tulkoti fermentiem, kas nepieciešami Escherichia coli, lai metabolizētu laktozi kā enerģijas avotu. .

Šie pētnieki ierosināja, ka gēnu vai gēnu kopas, kas atrodas secīgi, stenogrammas regulē divi elementi: 1) regulējošais gēns vai represora gēns 2) un operatora gēns vai operatora sekvence.

Operatora gēns vienmēr atrodas blakus strukturālajam gēnam vai gēniem, kuru ekspresiju tā ir atbildīga par regulēšanu, savukārt represora gēns kodē olbaltumvielu, ko sauc par “represoru”, kas saistās ar operatoru un novērš tā transkripciju.

Transkripcija tiek represēta, kad represors ir saistīts ar operatora gēnu. Tādā veidā netiek izteikta gēnu ģenētiskā ekspresija, kas kodē fermentus, kas nepieciešami laktozes asimilēšanai, un tāpēc tie nevar metabolizēt minēto disaharīdu.

Laktozes operona funkcionālā shēma caur dažādiem vadības elementiem. Šis ir "modeļa" operons, ko bioloģijas skolotāji izmanto, lai mācītu šo gēnu darbību (Avots: Tereseik. Darbs iegūts no G3pro attēla. Alejandro Porto tulkojums spāņu valodā. Via Wikimedia Commons)

Pašlaik ir zināms, ka represora saistīšanās ar operatoru ar steriskiem mehānismiem novērš iespēju, ka RNS polimerāze saistās ar promotora vietu tā, ka tā sāk transkribēt gēnus.

Reklamētāja vietne ir "vietne", kuru RNS polimerāze atpazīst, lai saistītu un transkribētu gēnus. Tā kā tas nevar saistīties, tas nevar transkribēt nevienu no gēniem secībā.

Operatora gēns atrodas starp sekvences ģenētisko reģionu, kas pazīstams kā promotors, un strukturālajiem gēniem. Tomēr Jēkabs un Monods savā laikā šo reģionu neidentificēja.

Tagad ir zināms, ka pilnīga secība, kas ietver strukturālo gēnu vai gēnus, operatoru un promotoru, būtībā ir tā, kas veido "operonu".

Operonu klasifikācija

Operonus klasificē tikai trīs dažādās kategorijās, kas ir atkarīgas no to regulēšanas veida, tas ir, daži tiek izteikti nepārtraukti (konstitutīvi), citiem ir nepieciešama kāda noteikta molekula vai faktors, lai tos aktivizētu (inducējami), un citi tiek izteikti nepārtraukti, līdz ka induktors ir izteikts (represīvs).

Trīs operonu veidi ir:

Neizraisāms operons

Šāda veida operonus vidē regulē molekulas, piemēram, aminoskābes, cukuri, metabolīti utt. Šīs molekulas ir zināmas kā induktori. Ja molekula, kas darbojas kā induktors, nav atrasta, operona gēni netiek aktīvi transkribēti.

Induktīvos operonos brīvais represors saistās ar operatoru un novērš operonā atrodamo gēnu transkripciju. Kad induktors saistās ar represoru, veidojas komplekss, kas nevar saistīties ar represoru, un tādējādi tiek tulkoti operona gēni.

Represīvais Operons

Šie operoni ir atkarīgi no īpašām molekulām: aminoskābēm, cukuriem, kofaktoriem vai transkripcijas faktoriem, cita starpā. Tie ir pazīstami kā kodolspiedēji un darbojas pilnīgi pretēji induktoriem.

Tikai tad, kad serdepresors saistās ar represoru, transkripcija apstājas un tādējādi operonā esošo gēnu transkripcija nenotiek. Tad represīva operona transkripcija apstājas tikai ar galvenā kompresora klātbūtni.

Konstitutīvs operons

Šie operonu veidi nav reglamentēti. Tie tiek nepārtraukti aktīvi transkribēti, un, ja rodas jebkādas mutācijas, kas ietekmē šo gēnu secību, var tikt ietekmēta to šūnu dzīve, kuras tos satur, un kopumā tas var izraisīt ieprogrammētu šūnu nāvi.

Piemēri

Agrākais un visplašāk atzītais operona funkcijas piemērs ir lac (laktozes) operons. Šī sistēma ir atbildīga par laktozes, disaharīda pārveidošanu monosaharīdu glikozē un galaktozē. Šajā procesā darbojas trīs fermenti:

- β-galaktozidāze, kas atbild par laktozes pārvēršanu glikozē un galaktozē.

- laktozes permeāze, kas atbild par laktozes transportēšanu no ārpusšūnu barotnes uz šūnas iekšpusi, un

- Transcetilāze, kas pieder sistēmai, bet kurai nav zināma funkcija

Trp (triptofāna) operons no Escherichia coli kontrolē triptofāna sintēzi, kura priekšgājējs ir horsmiskābe. Šajā operonā ir piecu olbaltumvielu gēni, kurus izmanto trīs enzīmu ražošanai:

- Pirmais enzīms, ko kodē gēni E un D, ​​katalizē pirmās divas triptofāna ceļa reakcijas un ir pazīstams kā antranilāta sintetāze

- Otrais enzīms ir glicerofosfāts un katalizē nākamos posmus, lai iegūtu antratilēzes sintetāzi

- Trešais un pēdējais enzīms ir triptofāna sintetāze, kas atbild par triptofāna ražošanu no indola-glicerīna fosfāta un serīna (šis ferments ir B un A gēnu produkts)

Atsauces

1. Blumenthal, T. (2004). Operoni eikariotos. Ziņojumi funkcionālā ģenikā, 3 (3), 199–211.
2. Gardners, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, un Santana Calderón, A. (2000). Ģenētikas principi. Ģenētikas principi.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operoni. Šūnu un molekulārās dzīvības zinātnes, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Tīras lac operona DNS izolēšana. Daba, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT, un Griffiths, AJ (1976). Ievads ģenētiskajā analīzē. WH Freeman un uzņēmums.