Лац оперон је група структурних гена чија функција је да код за протеине који су укључени у метаболизам лактозе. То су гени који се редовно редују у геному готово свих бактерија и са посебним напором су проучавани у „моделу“ бактерије Есцхерицхиа цоли.
Лак оперон је модел који су користили Јацоб и Монод 1961. године за предлагање генетских аранжмана у облику оперона. У свом раду, ови аутори су описали како се експресија једног или више гена може „укључити“ или „искључити“ као последица присуства молекула (на пример лактозе) у медију за раст.
Општа шема лак оперона. Тересеик. Деривативни рад Г3про слике. Шпански превод Алејандро Порто.
Бактерије које расту у медију за раст богат угљен-једињењима или шећерима који нису лактоза, попут глукозе и галактозе, поседују веома мале количине протеина неопходних за метаболизам лактозе.
Затим, у одсуству лактозе, оперон се "искључује", спречавајући РНА полимеразу да транскрибира сегмент гена који одговара лац оперону. Када ћелија "осети" присуство лактозе, оперон се активира и ти гени се нормално преписују, што је познато и као "укључивање" оперона.
Сви гени оперона се преводе у једну молекулу мессенгер РНА и, самим тим, сваки фактор који регулише транскрипцију ове мессенгер РНА лац оперона директно ће регулисати транскрипцију било ког гена који јој припада.
Откриће
Јаковљева и Монодова теорија развила се у контексту у коме се врло мало знало о структури ДНК. И то је да су само осам година пре него што су Ватсон и Црицк изнели свој предлог о структури ДНК и РНК, тако да су РНК мессенгера били мало познати.
Јацоб и Монод 1950-их већ су показали да је метаболизам бактеријске лактозе генетски регулисан са два врло специфична стања: присуство и одсуство лактозе.
Оба научника су приметила да протеин са карактеристикама сличним алостерном ензиму може да открије присуство лактозе у медијуму и да једном када је откривен шећер стимулисана је транскрипција два ензима: лактозне пермезе и галактозидазе.
Данас је познато да пермеза има функције у транспорту лактозе у ћелију и да је галактозидаза неопходна да би се „разбио“ или „пресекао“ молекул лактозе у глукозу и галактозу, тако да ћелија може искористити овај дисахарид у његовим саставним деловима.
До 1960-их година већ је утврђено да су пермеаза лактоза и галактозидаза кодирана два суседна генетска секвенце, З регион и И регион.
Лац оперон је део генома бактерије Есцхерицхиа цоли. Извор: НИАИД, путем Викимедиа Цоммонса
Коначно, 1961. године Јацоб и Монод представили су генетски модел састављен од пет генетских елемената:
- Промотор
- Оператор и
- гени З, И и А.
Сви ови сегменти су преведени у РНК са једним гласником и садрже битне делове да би се дефинисао практично сваки бактеријски оперон у природи.
Генетска анализа и експерименти
Јацоб, Монод и њихови сарадници спровели су многе експерименте са бактеријским ћелијама које су имале мутације због којих сојеви нису могли метаболизирати лактозу. Такви сојеви идентификовани су именом соја и одговарајућом мутацијом којом су поседовали.
На овај начин, истраживачи су успели да идентификују да су мутације у генима лацЗ, који кодира за β-галактозидазу, и лацИ, који кодира за пермезу лактозе, произвео бактерије лацког типа, односно бактерије неспособне метаболизу лактозе. .
Из "генетског мапирања" употребом рестрикционих ензима, накнадно је одређена локација гена у различитим сојевима, што је омогућило да се утврди да су три гена лацЗ, лацИ и лацА нађена (тим редоследом) на бактеријском хромозому у група суседних гена.
Постојање другог протеина, названог протеин репрессора, који се не сматра нужно „делом“ оперона, разјашњено је мутацијама у гену званом лацИ-. Кодира протеин који се веже за операторе у оперону и спречава транскрипцију гена за β-галактозидазу и лактозну пермезу.
Каже се да овај протеин није део гена који чине лац оперон, јер се они заправо налазе „узводно“ од потоњег и преписују се у различите месначке РНК.
Схема лац оперона (Извор: Барбаросса на холандској Википедији путем Викимедиа Цоммонса)
Бактеријски сојеви који поседују лактатацију "конститутивно" изражавају гене лацЗ, лацИ и лацА, што се догађа без обзира на присуство или одсуство лактозе у ванћелијском окружењу.
Многа од ових опажања потврђена су преношењем лацл + и лацЗ + гена у бактеријску ћелију која није производила протеине кодиране овим генима у медијуму без лактозе.
Пошто су бактерије „трансформисане“ на овај начин само произвеле ензим β-галактозидазу у присуству лактозе, експеримент је потврдио да је лацИ ген важан за регулацију експресије лац оперона.
Функција
Лак оперон регулише транскрипцију гена који су неопходни да бактерије асимилирају лактозу као извор угљеника и енергије. Међутим, транскрипција ових гена догађа се само када главни извор енергије одговара угљеним хидратима галактозида.
У бактеријским ћелијама постоје механизми који регулишу експресију лац-оперонских гена у присуству глукозе или било којег другог шећера који се "лакше" метаболизује.
Метаболизација ових шећера укључује њихов транспорт у ћелију и њихово даље разградњу или обраду.
Лактоза се користи као алтернативни извор енергије за бактерије, помажући им да преживе чак и након што се други извори енергије у окружењу, попут глукозе, потроше.
Лац оперонски модел био је први генетски систем ове врсте који је разјашњен и на тај начин је служио као основа за опис многих других оперона у геному различитих врста микроорганизама.
Проучавањем овог система постигнут је велики напредак у разумевању функционисања протеина типа "репрессор" који се везују за ДНК. Такође је постигнут напредак у разумијевању алостерних ензима и њиховом селективном дјеловању приликом препознавања једног или другог супстрата.
Други важан напредак који је произашао из проучавања лац оперона било је успостављање кључне улоге месна РНА у превођењу упутстава пронађених у ДНК и такође као претходни корак синтези протеина.
Референце
- Гриффитхс, АЈ, Весслер, СР, Левонтин, РЦ, Гелбарт, ВМ, Сузуки, ДТ, и Миллер, ЈХ (2005). Увод у генетску анализу. Мацмиллан.
- Хартвелл, Л., Голдберг, МЛ, Фисцхер, ЈА, Хоод, ЛЕ и Акуадро, ЦФ (2008). Генетика: од гена до генома (стр. 978-0073227382). Нев Иорк: МцГрав-Хилл.
- Левис, М. (2013). Алостери и лац Оперон. Часопис за молекуларну биологију, 425 (13), 2309-2316.
- Муллер-Хилл, Б., Оехлер, С. (1996). Лац оперон (стр. 66-67). Нев Иорк :: Валтер де Груитер.
- Паркер, Ј. (2001). лак Оперон.
- Иилдирим, Н., и Казанци, Ц. (2011). Детерминистичка и стохастичка симулација и анализа биохемијских реакционих мрежа: Пример лактозне оперона. Ин Метходс ин енцимологицс (Вол. 487, стр. 371-395). Академска штампа.