OPERON: FUNN, MODELL, KLASSIFISERING, EKSEMPLER - BIOLOGI - 2026

Et operon består av en gruppe sekvensielt ordnede gener som regulerer hverandre, som koder for proteiner som er funksjonelt beslektede, og som finnes i hele genomet til bakterier og "forfedres" genom.

Denne reguleringsmekanismen ble beskrevet av F. Jacob og J. Monod i 1961, et faktum som ga dem Nobelprisen i fysiologi og medisin i 1965. Disse forskerne foreslo og demonstrerte operons drift gjennom genene som koder for enzymer som kreves av Escherichia coli for bruk av laktose.

Grafisk diagram over en DNA-streng med genene som omfatter laktoseoperonet (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA og terminator) (Kilde: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Operonene er ansvarlige for å koordinere proteinsyntese i henhold til behovene til hver enkelt celle, det vil si at de bare uttrykkes for å generere proteiner på det tidspunktet og på det nøyaktige stedet der de er påkrevd.

Generene som er inneholdt i operoner er generelt strukturelle gener, noe som betyr at de koder for viktige enzymer som er direkte involvert i metabolske veier i cellen. Dette kan være syntese av aminosyrer, energi i form av ATP, karbohydrater, etc.

Operoner er også ofte funnet i eukaryote organismer, men i motsetning til prokaryote organismer, i eukaryoter blir regionen av operon ikke transkribert som et eneste messenger-RNA-molekyl.

Oppdagelse

Det første viktige fremskrittet angående operoner laget av François Jacob og Jacques Monod var å løse problemet med "enzymatisk tilpasning", som besto i utseendet til et spesifikt enzym bare når cellen var i nærvær av et substrat.

En slik respons av celler på underlag hadde blitt observert i bakterier i mange år. Forskerne lurte imidlertid på hvordan cellen bestemte nøyaktig hvilket enzym den måtte syntetisere for å metabolisere det underlaget.

Jacob og Monod observerte at bakterieceller, i nærvær av galaktoselignende karbohydrater, produserte 100 ganger mer ß-galaktosidase enn under normale forhold. Dette enzymet er ansvarlig for å bryte ned ß-galaktosidene slik at cellen bruker dem metabolsk.

Derfor kalte begge forskerne karbohydrater av galaktosid-typen som "indusere", siden de var ansvarlige for å indusere en økning i syntesen av ß-galaktosidase.

På samme måte fant Jacob og Monod en genetisk region med tre gener som ble kontrollert på en koordinert måte: Z-genet, som koder for enzymet ß-galaktosidase; Y-genet, som koder for enzymet laktosepermease (transport av galaktosider); og gen A, som koder for enzymet transacetylase, som også er essensielt for assimilering av galaktosider.

Gjennom påfølgende genetiske analyser klargjorde Jacob og Monod alle aspekter av den genetiske kontrollen av laktoseoperonet, og konkluderte med at segmentet av genene Z, Y og A utgjør en enkelt genetisk enhet med koordinert uttrykk, som var det de definerte som "operon".

Operon-modell

Operonmodellen ble først beskrevet nøyaktig i 1965 av Jacob og Monod for å forklare reguleringen av gener som er transkribert og oversatt for enzymene som kreves i Escherichia coli for å metabolisere laktose som energikilde. .

Disse forskerne foreslo at transkripsjonene av genet eller settet av gener som er lokalisert fortløpende, er regulert av to elementer: 1) et regulatorisk gen eller repressorgen 2) og et operatørsgen eller operatørsekvens.

Operatørgenet er alltid plassert ved siden av det strukturelle genet (e) hvis uttrykk det er ansvarlig for å regulere, mens repressorgen koder for et protein som kalles “repressor” som binder til operatøren og forhindrer transkripsjon.

Transkripsjon blir undertrykt når repressoren er knyttet til operatørgenet. På denne måten uttrykkes ikke den genetiske ekspresjonen av genene som koder for enzymene som er nødvendige for å assimilere laktose, og kan derfor ikke metabolisere nevnte disakkarid.

Funksjonelt diagram over laktoseoperonet gjennom de forskjellige kontrollelementene. Dette er "modell" -operonet som brukes av biologilærere for å lære hvordan disse genene fungerer (Kilde: Tereseik. Arbeid hentet fra G3pro-bildet. Spansk oversettelse av Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

For tiden er det kjent at bindingen av repressoren til operatøren forhindrer med steriske mekanismer at RNA-polymerase binder seg til promoterstedet slik at det begynner å transkribere gener.

Promotor-stedet er "stedet" som RNA-polymerase gjenkjenner for å binde og transkribere gener. Siden den ikke kan binde, kan den ikke transkribere noen av genene i sekvensen.

Operatørgenet ligger mellom en genetisk region i sekvensen kjent som promotoren og de strukturelle gener. Jacob og Monod identifiserte imidlertid ikke denne regionen på sin tid.

Det er nå kjent at den komplette sekvens som inkluderer det strukturelle genet eller genene, operatøren og promotoren, i hovedsak er det som utgjør et "operon".

Klassifisering av operoner

Operoner er klassifisert i bare tre forskjellige kategorier som er avhengig av måten de er regulert på, det vil si at noen uttrykkes kontinuerlig (konstitutiv), andre trenger noe spesifikt molekyl eller faktor for å bli aktivert (inducerbar) og andre uttrykkes kontinuerlig til at induseren er uttrykt (undertrykkbar).

De tre typene operoner er:

Inducerbar operon

Operanter av denne typen er regulert av molekyler i miljøet som aminosyrer, sukker, metabolitter, etc. Disse molekylene er kjent som indusere. Hvis molekylet som fungerer som en inducer ikke blir funnet, blir ikke generene til operonet transkribert.

I inducerbare operoner binder den frie repressoren seg til operatøren og forhindrer transkripsjon av genene som finnes i operonet. Når induseren binder seg til repressoren, dannes et kompleks som ikke kan binde seg til repressoren, og dermed blir generene til operonet oversatt.

Repressible Operon

Disse operonene er avhengige av spesifikke molekyler: aminosyrer, sukkerarter, kofaktorer eller transkripsjonsfaktorer, blant andre. Disse er kjent som korepressorer og fungerer på en helt motsatt måte enn induktorer.

Først når korepressoren binder seg med repressoren, stopper transkripsjonen, og transkripsjon av genene i operonet oppstår ikke. Da stopper transkripsjonen av et undertrykkbart operon bare med nærvær av korepressoren.

Konstituerende operon

Denne typen operoner er ikke regulert. De blir kontinuerlig transkribert, og i tilfelle mutasjoner som påvirker sekvensen til disse genene, kan levetiden til cellene som inneholder dem bli påvirket og generelt utløse programmert celledød.

eksempler

Det tidligste og mest anerkjente eksemplet på funksjonen til en operon er lac (laktose) operon. Dette systemet er ansvarlig for å omdanne laktose, et disakkarid, til monosakkaridene glukose og galaktose. Tre enzymer virker i denne prosessen:

- ß-galaktosidase, ansvarlig for å omdanne laktose til glukose og galaktose.

- Laktosepermease, ansvarlig for transport av laktose fra det ekstracellulære mediet til det indre av cellen og

- Transcetylase, som tilhører systemet, men har en ukjent funksjon

Trp (tryptofan) -operonet fra Escherichia coli kontrollerer tryptofansyntese, og har korsyre som forløper. Innenfor dette operonet er gener for fem proteiner som brukes til produksjon av tre enzymer:

- Det første enzymet, kodet av genene E og D, katalyserer de to første reaksjonene på tryptofanveien og er kjent som anthranilatsyntetase

- Det andre enzymet er glyserolfosfat og katalyserer de påfølgende trinnene til anthranilatsyntetase

- Det tredje og siste enzymet er tryptofansyntetase, ansvarlig for å produsere tryptofan fra indol-glyserolfosfat og serin (dette enzymet er et produkt av genene B og A)

referanser

1. Blumenthal, T. (2004). Operons i eukaryoter. Briefings in Functional Genomics, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, & Santana Calderón, A. (2000). Prinsipper for genetikk. Prinsipper for genetikk.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operoner. Cellular and molecular life sciences, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Isolering av rent lac-operon-DNA. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT, & Griffiths, AJ (1976). En introduksjon til genetisk analyse. WH Freeman and Company.