Лаковый оперон представляет собой группу структурных генов, функция которых состоит в код для белков , участвующих в метаболизме лактозы. Это гены, которые последовательно упорядочены в геноме почти всех бактерий и были специально изучены на «модельной» бактерии Escherichia coli.
Лак-оперон был моделью, которую Джейкоб и Моно использовали в 1961 году для предложения генетических механизмов в форме оперона. В своей работе эти авторы описали, как экспрессия одного или нескольких генов может быть «включена» или «выключена» вследствие присутствия молекулы (например, лактозы) в питательной среде.
Общая схема лак-оперона. Тересейк. Производная работа от образа G3pro. Испанский перевод Алехандро Порто.
Бактерии, которые растут в среде роста, богатой углеродными соединениями или сахарами, отличными от лактозы, такими как глюкоза и галактоза, обладают очень низким количеством белков, необходимых для метаболизма лактозы.
Затем, в отсутствие лактозы, оперон «выключается», не позволяя РНК-полимеразе транскрибировать сегмент гена, соответствующий lac-оперону. Когда клетка «ощущает» присутствие лактозы, оперон активируется, и эти гены обычно транскрибируются, что называется «включением» оперона.
Все гены оперона транслируются в единую молекулу информационной РНК, и, следовательно, любой фактор, регулирующий транскрипцию этой информационной РНК lac-оперона, будет напрямую регулировать транскрипцию любого гена, который ему принадлежит.
открытие
Теория Джейкоба и Моно развивалась в контексте, когда о структуре ДНК было известно очень мало. И дело в том, что всего за восемь лет до того, как Уотсон и Крик сделали свое предложение о структуре ДНК и РНК, так что информационные РНК почти не были известны.
Джейкоб и Моно в 1950-х годах уже показали, что метаболизм бактериальной лактозы генетически регулируется двумя очень специфическими условиями: присутствием и отсутствием лактозы.
Оба ученых заметили, что белок с характеристиками, подобными аллостерическому ферменту, способен обнаруживать присутствие лактозы в среде, и что как только сахар был обнаружен, транскрипция двух ферментов стимулировалась: пермеаза лактозы и галактозидаза.
Сегодня известно, что пермеаза играет роль в транспортировке лактозы в клетку и что галактозидаза необходима для «разрыва» или «разрезания» молекулы лактозы на глюкозу и галактозу, так что клетка может использовать этот дисахарид в его составных частях.
К 1960-м годам уже было установлено, что лактозопермеаза и галактозидаза кодируются двумя соседними генетическими последовательностями, Z-областью и Y-областью, соответственно.
Lac-оперон является частью генома бактерии Escherichia coli. Источник: NIAID, через Wikimedia Commons.
Наконец, в 1961 году Джейкоб и Моно представили генетическую модель, состоящую из пяти генетических элементов:
- Промоутер
- Оператор и
- гены Z, Y и A.
Все эти сегменты транслируются в единую информационную РНК и составляют важные части, определяющие практически любой бактериальный оперон в природе.
Генетический анализ и эксперименты
Джейкоб, Моно и их сотрудники провели множество экспериментов с бактериальными клетками, в которых были мутации, которые сделали штаммы неспособными усваивать лактозу. Такие штаммы идентифицировали по названию штамма и соответствующей мутации, которой они обладают.
Таким образом, исследователи смогли идентифицировать мутации в генах lacZ, которые кодируют β-галактозидазу, и lacY, кодирующем пермеазу лактозы, продуцировали бактерии lac-типа, то есть бактерии, неспособные метаболизировать лактозу. .
На основе «генетического картирования» с использованием рестрикционных ферментов впоследствии было определено местоположение генов в различных штаммах, что позволило установить, что три гена lacZ, lacY и lacA обнаруживаются (в указанном порядке) на бактериальной хромосоме в группа смежных генов.
Существование другого белка, называемого репрессорным белком, который не обязательно рассматривается как «часть» оперона, было выяснено посредством мутаций в гене, называемом lacI-. Он кодирует белок, который связывается с «операторной» областью оперона и предотвращает транскрипцию генов β-галактозидазы и лактозопермеазы.
Говорят, что этот белок не является частью генов, составляющих lac-оперон, так как на самом деле они расположены «выше» последнего и транскрибируются в различные информационные РНК.
Схема lac-оперона (Источник: Barbarossa, голландская Википедия через Wikimedia Commons)
Бактериальные штаммы, обладающие lacI-мутацией, «конститутивно» экспрессируют гены lacZ, lacY и lacA, что происходит независимо от наличия или отсутствия лактозы во внеклеточной среде.
Многие из этих наблюдений были подтверждены переносом генов lacI + и lacZ + в бактериальную клетку, которая не продуцировала белки, кодируемые этими генами, в среде, не содержащей лактозы.
Поскольку бактерии, "трансформированные" таким образом, продуцируют фермент β-галактозидазу только в присутствии лактозы, эксперимент подтвердил, что ген lacI важен для регуляции экспрессии оперона lac.
функция
Lac-оперон регулирует транскрипцию генов, необходимых бактериям для усвоения лактозы как источника углерода и энергии. Однако транскрипция этих генов происходит только тогда, когда основной источник энергии соответствует углеводам галактозидного типа.
В бактериальных клетках существуют механизмы, которые регулируют экспрессию генов lac-оперона, когда они находятся в присутствии глюкозы или любого другого сахара, который легче метаболизируется.
Метаболизация этих сахаров включает их транспортировку внутрь клетки и их последующее разложение или переработку.
Лактоза используется в качестве альтернативного источника энергии для бактерий, помогая им выжить даже после истощения других источников энергии в окружающей среде, таких как глюкоза.
Модель lac-оперона была первой генетической системой такого рода, которая была выяснена и, таким образом, послужила основой для описания многих других оперонов в геноме различных типов микроорганизмов.
При изучении этой системы был достигнут большой прогресс в понимании функционирования белков «репрессорного» типа, которые связываются с ДНК. Также был прогресс в понимании аллостерических ферментов и того, как они действуют избирательно при распознавании того или иного субстрата.
Еще одним важным достижением, возникшим в результате изучения lac-оперона, было установление решающей роли, которую информационные РНК играют в трансляции инструкций, обнаруженных в ДНК, а также в качестве предварительного шага к синтезу белка.
Ссылки
- Гриффитс, А.Дж., Весслер, С.Р., Левонтин, Р.К., Гелбарт, В.М., Сузуки, Д.Т., и Миллер, Д.Х. (2005). Введение в генетический анализ. Macmillan.
- Хартвелл, Л., Голдберг, М.Л., Фишер, Дж. А., Худ, Л. Э. и Аквадро, К. Ф. (2008). Генетика: от генов к геномам (стр. 978-0073227382). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
- Льюис, М. (2013). Аллостерия и лак-оперон. Журнал молекулярной биологии, 425 (13), 2309-2316.
- Мюллер-Хилл, Б., и Оелер, С. (1996). Лак-оперон (стр. 66-67). Нью-Йорк :: Вальтер де Грюйтер.
- Паркер, Дж. (2001). лак Оперон.
- Йилдирим, Н., и Казанчи, К. (2011). Детерминированное и стохастическое моделирование и анализ сетей биохимических реакций: пример оперона лактозы. В "Методы энзимологии" (том 487, стр. 371-395). Академическая пресса.