Lac operon ir grupa no strukturālo gēnu, kuru funkcija ir kods, kas iesaistītas metabolismā laktozes proteīniem. Tie ir gēni, kas pēc kārtas tiek pasūtīti gandrīz visu baktēriju genomā, un ar īpašām pūlēm ir pētīti Escherichia coli baktēriju "modelī".
Lak operons bija modelis, kuru Jēkabs un Monods izmantoja 1961. gadā, ierosinot ģenētiskus izkārtojumus operona formā. Savā darbā šie autori aprakstīja, kā viena vai vairāku gēnu ekspresiju var “ieslēgt” vai “izslēgt” molekulas (piemēram, laktozes) klātbūtnes dēļ barotnē.
Lac operona vispārējā shēma. Terēzeiks. G3pro attēla atvasinātais darbs. Alejandro Porto tulkojums spāņu valodā.
Baktērijās, kas aug augšanas vidē, kas bagāta ar oglekļa savienojumiem vai cukuriem, kas nav laktoze, piemēram, glikozei un galaktozei, ir ļoti mazs olbaltumvielu daudzums, kas nepieciešams laktozes metabolizēšanai.
Pēc tam, ja nav laktozes, operons tiek "izslēgts", neļaujot RNS polimerāzei pārrakstīt gēna segmentu, kas atbilst lac operonam. Kad šūna “uztver” laktozes klātbūtni, operons tiek aktivizēts un šie gēni tiek transkribēti normāli, ko sauc par operona “ieslēgšanu”.
Visi operona gēni tiek tulkoti vienā Messenger MNS molekulā, un tāpēc jebkurš faktors, kas regulē šī lac operona messenger RNS transkripciju, tieši regulēs jebkura gēna, kas tam pieder, transkripciju.
Atklājums
Jēkaba un Monoda teorija attīstījās apstākļos, kad par DNS struktūru bija zināms ļoti maz. Un tas ir tas, ka tikai astoņus gadus pirms Vatsons un Kriks bija izteikuši savu priekšlikumu par DNS un RNS struktūru, tā ka kurjeru RNS nebija diez vai zināmas.
Jēkabs un Monods piecdesmitajos gados jau parādīja, ka baktēriju laktozes metabolismu ģenētiski regulēja divi ļoti specifiski apstākļi: laktozes klātbūtne un neesamība.
Abi zinātnieki bija novērojuši, ka proteīns, kura īpašības ir līdzīgas alosterīnam enzīmam, varēja noteikt laktozes klātbūtni barotnē un ka pēc cukura noteikšanas tika stimulēta divu enzīmu transkripcija: laktozes permeāze un galaktozidāze.
Mūsdienās ir zināms, ka permeāzei ir funkcijas laktozes transportēšanā šūnā un ka galaktozidāze ir nepieciešama, lai “sadalītu” vai “sagrieztu” laktozes molekulu glikozē un galaktozē, lai šūna var izmantot šo disaharīdu tā sastāvdaļās.
Līdz 1960. gadiem jau bija noteikts, ka laktozes permeāzi un galaktozidāzi kodē attiecīgi divas blakus esošās ģenētiskās sekvences - attiecīgi Z reģions un Y reģions.
Lac operons ir daļa no baktērijas Escherichia coli genoma. Avots: NIAID, izmantojot Wikimedia Commons
Visbeidzot, 1961. gadā Jēkabs un Monods iesniedza ģenētisko modeli, kas sastāv no pieciem ģenētiskiem elementiem:
- veicinātājs
- Operators un
- Z, Y un A gēni.
Visi šie segmenti tiek pārveidoti vienā Messenger MNS, un tie satur būtiskas daļas, lai dabiski definētu jebkuru baktēriju operonu.
Ģenētiskā analīze un eksperimenti
Jēkabs, Monods un viņu līdzstrādnieki veica daudzus eksperimentus ar baktēriju šūnām, kurām bija mutācijas, kuru dēļ celmi nespēja metabolizēt laktozi. Šādus celmus identificēja pēc celma nosaukuma un atbilstošās mutācijas, kas viņiem piederēja.
Tādā veidā pētnieki spēja noteikt, ka gēnu lacZ, kas kodē β-galaktozidāzi, un lacY, kas kodē laktozes permeāzi, mutācijas radīja lac tipa baktērijas, tas ir, baktērijas, kuras nespēj metabolizēt laktozi. .
Pēc "ģenētiskās kartēšanas", izmantojot restrikcijas enzīmus, vēlāk tika noteikta gēnu atrašanās vieta dažādos celmos, kas ļāva noteikt, ka trīs gēni lacZ, lacY un lacA ir atrodami (šādā secībā) baktēriju hromosomā kādā blakus esošo gēnu grupa.
Cita proteīna, ko sauc par represora proteīnu, esamība, kas nebūt nav uzskatāma par operona "daļu", tika noskaidrota gēna, ko sauc par lacI-, mutāciju rezultātā. Tas kodē olbaltumvielu, kas saistās ar “operatora” reģionu operonā un novērš β-galaktozidāzes un laktozes permeāzes gēnu transkripciju.
Mēdz teikt, ka šis proteīns neietilpst gēnos, kas veido lac operonu, jo tie faktiski atrodas "augšpus" pēdējiem un tiek pārrakstīti dažādās kurjeru RNS.
Lac operona shēma (Avots: Barbarossa holandiešu Vikipēdijā, izmantojot Wikimedia Commons)
Baktēriju celmi, kam piemīt lacI mutācija "konstitutīvi" ekspresē lacZ, lacY un lacA gēnus, kas rodas neatkarīgi no laktozes klātbūtnes vai neesamības ārpusšūnu vidē.
Daudzi no šiem novērojumiem tika apstiprināti, nododot lacI + un lacZ + gēnus baktēriju šūnā, kas neražoja šo gēnu kodētos proteīnus barotnē, kas nesatur laktozi.
Tā kā baktērijas, kas "pārveidojās" šādā veidā, laktozes klātbūtnē ražoja tikai fermentu β-galaktozidāzi, eksperiments apstiprināja, ka lacI gēns bija svarīgs lac operona ekspresijas regulēšanai.
Funkcija
Lac operons regulē gēnu transkripciju, kas nepieciešami baktērijām, lai asimilētu laktozi kā oglekļa un enerģijas avotu. Tomēr šo gēnu transkripcija notiek tikai tad, ja galvenais enerģijas avots atbilst galaktozīdu tipa ogļhidrātiem.
Baktēriju šūnās ir mehānismi, kas regulē lac operona gēnu ekspresiju, kad tie atrodas glikozes vai jebkura cita cukura, kas ir vieglāk metabolizējams, klātbūtnē.
Šo cukuru metabolizēšana ietver to transportēšanu uz šūnas iekšpusi un sekojošu sadalīšanos vai pārstrādi.
Laktozi izmanto kā alternatīvu enerģijas avotu baktērijām, palīdzot tām izdzīvot pat pēc citiem enerģijas avotiem vidē, piemēram, glikozes.
Lac operona modelis bija pirmā šāda veida ģenētiskā sistēma, kas tika noskaidrota, un tādējādi kalpoja par pamatu, lai aprakstītu daudzus citus operonus dažādu veidu mikroorganismu genomā.
Pētot šo sistēmu, tika panākts liels progress izpratnē par "represora" tipa olbaltumvielu darbību, kas saistās ar DNS. Tika panākts progress arī izpratnē par allosteriskajiem fermentiem un to, kā tie selektīvi darbojas, atpazīstot vienu vai otru substrātu.
Vēl viens svarīgs sasniegums, kas radās lac operona izpētē, bija Messenger RNS izšķirošās lomas noteikšana, translējot DNS atrastās instrukcijas, kā arī sākotnējs solis olbaltumvielu sintēzē.
Atsauces
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Ievads ģenētiskajā analīzē. Makmillans.
- Hartvels, L., Goldbergs, ML, Fišers, JA, Huds, LE, & Aquadro, CF (2008). Ģenētika: no gēniem līdz genomiem (978.-0073227382. lpp.). Ņujorka: Makgreivs.
- Lūiss, M. (2013). Allostery un lac Operon. Vēstnesis par molekulāro bioloģiju, 425 (13), 2309–2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Lac operons (66.-67. Lpp.). Ņujorka: Valters de Grūters.
- Pārkers, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Bioķīmisko reakciju tīklu determinēta un stohastiska modelēšana un analīze: laktozes operona piemērs. In Metodes enzimoloģijā (487. sēj., 371. – 395. Lpp.). Akadēmiskā prese.