Den lac operon er en gruppe av strukturelle gener hvis funksjon er å kode for proteiner som er involvert i metabolismen av laktose. De er gener som bestilles fortløpende i genomet til nesten alle bakterier og har blitt studert med spesiell innsats i "modell" -bakterien Escherichia coli.
Lac-operonet var modellen som ble brukt av Jacob og Monod i 1961 for å foreslå genetiske ordninger i form av en operon. I sine arbeider beskrev disse forfatterne hvordan uttrykket av ett eller flere gener kan "slås på" eller "slås av" som en konsekvens av tilstedeværelsen av et molekyl (for eksempel laktose) i vekstmediet.
Generelt opplegg for lac-operonet. Tereseik. Derivatarbeid av G3pro image. Spansk oversettelse av Alejandro Porto.
Bakterier som vokser i vekstmedier som er rike på karbonholdige forbindelser eller andre sukkerarter enn laktose, slik som glukose og galaktose, har veldig lave mengder av proteiner som er nødvendige for metabolisering av laktose.
I fravær av laktose blir operonet "slått av", og forhindrer RNA-polymerasen i å transkribere gensegmentet som tilsvarer lac-operonet. Når cellen "registrerer" tilstedeværelsen av laktose, aktiveres operonet og disse genene blir transkribert normalt, noe som kalles "å slå på" operonet.
Alle genene til operonet blir oversatt til et enkelt molekyl av messenger RNA, og derfor vil enhver faktor som regulerer transkripsjonen av dette messenger RNA fra lac operon direkte regulere transkripsjonen av ethvert gen som tilhører det.
Oppdagelse
Jacob og Monod-teorien utviklet seg i en sammenheng der det var veldig lite kjent om strukturen til DNA. Og det er at bare åtte år før Watson og Crick hadde kommet med forslaget om strukturen til DNA og RNA, slik at messenger-RNA neppe ble kjent.
Jacob og Monod på 1950-tallet hadde allerede vist at bakteriell laktosemetabolisme var genetisk regulert av to veldig spesifikke forhold: tilstedeværelsen og fraværet av laktose.
Begge forskerne hadde observert at et protein med egenskaper som ligner et allosterisk enzym var i stand til å oppdage tilstedeværelsen av laktose i mediet og at når sukkeret ble oppdaget, ble transkripsjonen av to enzymer stimulert: en laktosepermease og en galaktosidase.
I dag er det kjent at permease spiller en rolle i transporten av laktose inn i cellen, og at galaktosidase er nødvendig for å "bryte" eller "kutte" laktosemolekylet til glukose og galaktose, slik at cellen kan dra nytte av dette disakkaridet i dets bestanddeler.
På 1960-tallet var det allerede bestemt at laktosepermease og galactosidase ble kodet av to tilstøtende genetiske sekvenser, henholdsvis Z-regionen og Y-regionen.
Lac operon er en del av genomet til bakterien Escherichia coli. Kilde: NIAID, via Wikimedia Commons
Til slutt, i 1961, presenterte Jacob og Monod en genetisk modell bestående av fem genetiske elementer:
- En promotør
- En operatør og
- genene Z, Y og A.
Alle disse segmentene er oversatt til et enkelt messenger-RNA og omfatter de essensielle delene for å definere praktisk talt hvilken som helst bakterieoperon i naturen.
Genetisk analyse og eksperimenter
Jacob, Monod og deres samarbeidspartnere utførte mange eksperimenter med bakterieceller som hadde mutasjoner som gjorde at stammene ikke kunne metabolisere laktose. Slike stammer ble identifisert med navnet på stammen og den tilsvarende mutasjonen de hadde.
På denne måten kunne forskerne identifisere at mutasjoner i genene lacZ, som koder for ß-galaktosidase, og lacY, som koder for laktosepermease, produserte bakterier av lac-typen, det vil si bakterier som ikke er i stand til å metabolisere laktose. .
Fra "genetisk kartlegging" ved bruk av restriksjonsenzymer ble plasseringen av genene i de forskjellige stammene deretter bestemt, noe som gjorde det mulig å fastslå at de tre genene lacZ, lacY og lacA er funnet (i den rekkefølgen) på bakteriekromosomet i en gruppe av tilstøtende gener.
Eksistensen av et annet protein, kalt repressorprotein, som ikke nødvendigvis anses som "del" av operonet, ble belyst gjennom mutasjoner i et gen som kalles lacI-. Det koder for et protein som binder til "operatør" -området i operonet og forhindrer transkripsjon av genene for ß-galaktosidase og laktosepermease.
Det sies at dette proteinet ikke er en del av genene som utgjør lac-operonet, siden de faktisk er lokalisert "oppstrøms" for sistnevnte og blir transkribert til forskjellige messenger-RNA.
Skjematisk av lac-operonet (Kilde: Barbarossa på nederlandske Wikipedia via Wikimedia Commons)
Bakteriestammer som har lacI-mutasjonen "konstitutivt" uttrykker lacZ-, lacY- og lacA-generene, som oppstår uavhengig av tilstedeværelse eller fravær av laktose i det ekstracellulære miljøet.
Mange av disse observasjonene ble bekreftet ved å overføre lacI + og lacZ + -genene til en bakteriecelle som ikke produserte proteiner kodet av disse genene i et laktosefri medium.
Siden bakterier "transformert" på denne måten bare produserte enzymet ß-galaktosidase i nærvær av laktose, bekreftet eksperimentet at lacI-genet var viktig for regulering av lac-operonuttrykk.
Funksjon
Lac-operonet regulerer transkripsjonen av gener som er nødvendige for at bakterier skal kunne assimilere laktose som en kilde til karbon og energi. Transkripsjonen av disse genene skjer imidlertid bare når den viktigste energikilden tilsvarer galaktosid-karbohydrater.
I bakterieceller er det mekanismer som regulerer uttrykket av lac-operongenene når de er i nærvær av glukose eller annet sukker som er lettere å metabolisere.
Metaboliseringen av disse sukkerene involverer deres transport til det indre av cellen og deres påfølgende sammenbrudd eller prosessering.
Laktose brukes som en alternativ energikilde for bakterier, og hjelper dem å overleve selv etter at andre energikilder i miljøet, for eksempel glukose, er utarmet.
Lac-operonmodellen var det første genetiske systemet i sitt slag som ble belyst og tjente dermed som grunnlag for å beskrive mange andre operoner i genomet til forskjellige typer mikroorganismer.
Med studiet av dette systemet ble det gjort mye fremgang med å forstå funksjonen til proteiner av "repressor" -typen som binder seg til DNA. Det skjedde også fremgang i forståelsen av allosteriske enzymer og hvordan de fungerer selektivt når de gjenkjenner et eller annet substrat.
Et annet viktig fremskritt som oppsto fra studien av lac-operonet var etableringen av den avgjørende rollen som messenger-RNA spiller for å oversette instruksjonene som er funnet i DNA, og også som et foreløpig skritt til proteinsyntese.
referanser
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). En introduksjon til genetisk analyse. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetikk: fra gener til genom (s. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allosteri og lac Operon. Journal of molecular biology, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Lac-operonet (s. 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Deterministisk og stokastisk simulering og analyse av biokjemiske reaksjonsnettverk: Laktoseoperon-eksemplet. I Methods in enzymology (Vol. 487, s. 371-395). Academic Press.