В оперона лак е група от структурни гени, чиято функция е да кодира протеини, участващи в метаболизма на лактоза. Те са гени, които се подреждат последователно в генома на почти всички бактерии и са изследвани със специални усилия в „моделната“ бактерия Escherichia coli.
Лакът оперон е моделът, използван от Джейкъб и Монод през 1961 г. за предлагане на генетични аранжименти под формата на оперон. В своята работа тези автори описват как експресията на един или повече гени може да бъде "включена" или "изключена" вследствие на наличието на молекула (лактоза, например) в растежната среда.
Обща схема на лак оперона. Tereseik. Производна работа на G3pro изображение. Превод от испански от Алехандро Порто.
Бактериите, които растат в среда за растеж, богата на въглеродни съединения или захари, различни от лактоза, като глюкоза и галактоза, притежават много ниски количества протеини, необходими за метаболизирането на лактозата.
След това, при липса на лактоза, оперонът се "изключва", като не позволява на РНК полимеразата да транскрибира генетичния сегмент, съответстващ на лак оперона. Когато клетката „усети“ присъствието на лактоза, оперонът се активира и тези гени се транскрибират нормално, което е известно като „включване“ на оперона.
Всички гени на оперона се превеждат в една молекула на пратената РНК и следователно всеки фактор, който регулира транскрипцията на тази пратена РНК на лак оперона, ще регулира директно транскрипцията на всеки ген, който му принадлежи.
откритие
Теорията на Яков и Монод се развива в контекст, в който много малко се знае за структурата на ДНК. И това е, че само осем години преди Уотсън и Крик да направят своето предложение за структурата на ДНК и РНК, така че РНК на пратениците почти не са били известни.
Джейкъб и Монод през 50-те години вече показват, че бактериалният метаболизъм на лактозата е генетично регулиран от две много специфични състояния: наличието и отсъствието на лактоза.
И двамата учени са забелязали, че протеин с характеристики, подобни на алостеричен ензим, е в състояние да открие наличието на лактоза в средата и че след като бъде открита захарта, се стимулира транскрипцията на два ензима: лактозна пермеаза и галактозидаза.
Днес е известно, че пермеазата има функции при транспортирането на лактоза в клетката и че галактозидазата е необходима, за да "разруши" или "наряза" молекулата на лактозата в глюкоза и галактоза, така че клетката може да се възползва от този дисахарид в съставните му части.
Към 60-те години на миналия век вече беше установено, че лактозната пермеаза и галактозидаза са кодирани от две съседни генетични последователности, съответно Z и регион Y.
Lac оперон е част от генома на бактерията Escherichia coli. Източник: NIAID, чрез Wikimedia Commons
Накрая, през 1961 г. Джейкъб и Монод представиха генетичен модел, съставен от пет генетични елемента:
- Промоутър
- Оператор и
- гени Z, Y и A.
Всички тези сегменти са преведени в RNA с един месинджър и съдържат съществените части, които да определят практически всеки бактериален оперон в природата.
Генетичен анализ и експерименти
Джейкъб, Монод и техните сътрудници провеждат много експерименти с бактериални клетки, които имат мутации, които правят щамовете неспособни да метаболизират лактозата. Такива щамове бяха идентифицирани по името на щама и съответната мутация, която притежаваха.
По този начин изследователите успяха да идентифицират, че мутациите в гените lacZ, който кодира β-галактозидаза, и lacY, който кодира лактозната пермеаза, произвежда бактерии от лак-тип, тоест бактерии, неспособни да метаболизират лактозата., От "генетично картографиране" с помощта на рестрикционни ензими, впоследствие се определя местоположението на гените в различните щамове, което дава възможност да се установи, че трите гена lacZ, lacY и lacA се намират (в този ред) върху бактериалната хромозома в група съседни гени.
Съществуването на друг протеин, наречен репресорен протеин, който не е задължително да се счита за "част" от оперона, беше изяснен чрез мутации в ген, наречен lacI-. Той кодира протеин, който се свързва с "операторския" участък в оперона и предотвратява транскрипцията на гените за β-галактозидаза и лактозна пермеаза.
Казано е, че този протеин не е част от гените, които съставляват лак оперона, тъй като те всъщност се намират "нагоре" по течението на последния и се преписват в различни пратеници на РНК.
Схематика на лаковия оперон (Източник: Barbarossa в холандската Wikipedia чрез Wikimedia Commons)
Бактериалните щамове, които притежават лактимулацията "конститутивно", експресират lacZ, lacY и lacA гените, което се появява независимо от наличието или липсата на лактоза в извънклетъчната среда.
Много от тези наблюдения се потвърждават чрез прехвърляне на lacl + и lacZ + гени в бактериална клетка, която не произвежда протеините, кодирани от тези гени, в среда без лактоза.
Тъй като бактериите „трансформирани“ по този начин произвеждат само ензима β-галактозидаза в присъствието на лактоза, експериментът потвърждава, че lacI генът е важен за регулирането на експресията на лак оперон.
функция
Лак оперонът регулира транскрипцията на гени, необходими за бактериите да усвояват лактозата като източник на въглерод и енергия. Обаче транскрипцията на тези гени става само когато основният източник на енергия съответства на въглехидрати от галактозиден тип.
В бактериалните клетки има механизми, които регулират експресията на лак оперон гените, когато те са в присъствието на глюкоза или друга захар, която се метаболизира по-лесно.
Метаболизирането на тези захари включва транспортирането им до вътрешността на клетката и последващото им разпадане или преработка.
Лактозата се използва като алтернативен източник на енергия за бактериите, помагайки им да оцелеят дори след изчерпване на други енергийни източници в околната среда, като глюкозата.
Моделът на лак оперон беше първата по рода си генетична система, която беше изяснена и по този начин послужи като основа за описание на много други оперони в генома на различни видове микроорганизми.
С изучаването на тази система е постигнат голям напредък в разбирането на функционирането на протеините от типа "репресор", които се свързват с ДНК. Имаше напредък и в разбирането на алостеричните ензими и как те действат избирателно при разпознаването на един или друг субстрат.
Друг важен напредък, произтичащ от изследването на лак оперона, е установяването на решаващата роля, която месинджърните РНК играят при превода на инструкциите, открити в ДНК, а също и като предварителна стъпка към синтеза на протеини.
Препратки
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Въведение в генетичния анализ. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Генетика: от гени до геноми (стр. 978-0073227382). Ню Йорк: McGraw-Hill.
- Люис, М. (2013). Алостерия и лак Оперон. Journal of молекулярна биология, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Лакът оперон (с. 66-67). Ню Йорк:: Уолтър де Гройтер.
- Parker, J. (2001). лак Оперон.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Детерминистична и стохастична симулация и анализ на мрежи от биохимични реакции: Примерът с лактозен оперон. В Методи в ензимологията (том 487, стр. 371-395). Академична преса.