Lac operon je skupina strukturnih genov, katerih funkcija je, da kodirajo proteine, ki sodelujejo pri presnovi laktoze. Gre za gene, ki so zaporedoma urejeni v genomu skoraj vseh bakterij in so jih s posebnim naporom preučevali v "modelni" bakteriji Escherichia coli.
Lac operon je bil model, ki sta ga leta 1961 uporabila Jacob in Monod za predlaganje genetskih aranžmajev v obliki operona. Ti avtorji so v svojem delu opisali, kako je mogoče ekspresijo enega ali več genov "vklopiti" ali "izklopiti" zaradi prisotnosti molekule (na primer laktoze) v rastnem mediju.
Splošna shema lakovega operona. Tereseik. Izvedbeni izvod slike G3pro. Španski prevod Alejandro Porto.
Bakterije, ki rastejo v rastnih medijih, bogatih z ogljikovimi spojinami ali sladkorji, ki niso laktoza, na primer glukoza in galaktoza, imajo zelo nizke količine beljakovin, potrebnih za presnovo laktoze.
Nato v odsotnosti laktoze operon "izklopimo", kar preprečuje, da bi RNA polimeraza prepisala genski segment, ki ustreza lacnemu operonu. Ko celica "zazna" prisotnost laktoze, se operon aktivira in ti geni se normalno prepisujejo, kar je znano kot "vklop" operona.
Vsi geni operona so prevedeni v eno samo molekulo messenger RNA in zato bo vsak dejavnik, ki uravnava transkripcijo te messenger RNA lac operona, neposredno urejal prepisovanje katerega koli gena, ki mu pripada.
Odkritje
Teorija Jacob in Monod se je razvila v kontekstu, kjer je bilo o strukturi DNK zelo malo znanega. In to je, da sta samo osem let, preden sta Watson in Crick podala svoj predlog o strukturi DNK in RNK, tako da RNA-ji za sporočila skoraj niso bili znani.
Jacob in Monod v petdesetih letih prejšnjega stoletja sta že pokazala, da je metabolizem bakterijske laktoze gensko reguliral dva zelo specifična stanja: prisotnost in odsotnost laktoze.
Oba znanstvenika sta opazila, da lahko protein z značilnostmi, podobnimi alosternim encimom, zazna prisotnost laktoze v gojišču in da je, ko je bil sladkor odkrit, spodbudila prepisovanje dveh encimov: laktozno permeazo in galaktozidazo.
Danes je znano, da permeaza igra vlogo pri transportu laktoze v celico in da je galaktozidaza potrebna, da "razbije" ali "razreže" molekulo laktoze v glukozo in galaktozo, tako da celica lahko to disaharid izkoristijo v njegovih sestavnih delih.
Do šestdesetih let prejšnjega stoletja je bilo že ugotovljeno, da laktozno permeazo in galaktozidazo kodirata dve sosednji genetski sekvenci, območje Z in območje Y.
Lac operon je del genoma bakterije Escherichia coli. Vir: NIAID, prek Wikimedia Commons
Nazadnje sta leta 1961 Jacob in Monod predstavila genetski model, sestavljen iz petih genetskih elementov:
- Promotor
- operater in
- geni Z, Y in A
Vsi ti segmenti so prevedeni v RNA z enim glasnikom in vsebujejo bistvene dele, ki opredeljujejo praktično vsak bakterijski operon v naravi.
Genska analiza in poskusi
Jacob, Monod in njihovi sodelavci so izvedli številne poskuse z bakterijskimi celicami, ki so imele mutacije, zaradi katerih sevi niso mogli presnavljati laktoze. Takšni sevi so bili identificirani po imenu seva in ustrezni mutaciji, ki so jo imeli.
Na ta način so raziskovalci lahko prepoznali, da so mutacije v genih lacZ, ki kodira β-galaktozidazo, in lacY, ki kodira permezo laktoze, ustvarile bakterije lackega tipa, torej bakterije, ki ne morejo presnavljati laktoze. .
Iz "genetskega preslikavanja" z uporabo restrikcijskih encimov je bila pozneje določena lokacija genov v različnih sevih, kar je omogočilo ugotovitev, da se trije geni lacZ, lacY in lacA nahajajo (v tem zaporedju) na bakterijskem kromosomu v skupina sosednjih genov.
Obstoj drugega beljakovine, imenovane represorski protein, ki ni nujno obravnavan kot "del" operona, je bil razjasnjen z mutacijami v genu, imenovanem lacI-. Zakodira protein, ki se v operonu veže na območje "operaterja" in preprečuje prepisovanje genov za β-galaktozidazo in laktozno permeazo.
Pravijo, da ta protein ni del genov, ki sestavljajo lac operon, saj se dejansko nahajajo "zgoraj" nad slednjim in se prepisujejo v različne messenger RNA.
Shema lac operona (Vir: Barbarossa na nizozemski Wikipediji prek Wikimedia Commons)
Bakterijski sevi, ki imajo lacitacijo "konstitutivno", izražajo gene lacZ, lacY in lacA, kar se pojavi ne glede na prisotnost ali odsotnost laktoze v zunajceličnem okolju.
Številna od teh opazovanj so bila podkrepljena s prenosom genov lacl + in lacZ + v bakterijsko celico, ki ne tvori beljakovin, ki jih ti geni kodirajo v mediju brez laktoze.
Ker so se bakterije "preoblikovale" na ta način samo proizvajajo encim β-galaktozidazo v prisotnosti laktoze, je poskus potrdil, da je gen lacI pomemben za uravnavanje ekspresije laka operona.
Funkcija
Lak operon uravnava prepisovanje genov, ki so potrebni, da bakterije asimilirajo laktozo kot vir ogljika in energije. Prepisovanje teh genov pa se zgodi le, kadar glavni vir energije ustreza galaktozidom ogljikovih hidratov.
V bakterijskih celicah obstajajo mehanizmi, ki uravnavajo izražanje lakov operonskih genov, kadar so v prisotnosti glukoze ali katerega koli drugega sladkorja, ki ga je lažje presnavljati.
Metabolizacija teh sladkorjev vključuje njihov transport v notranjost celice in njihovo nadaljnjo razgradnjo ali predelavo.
Laktoza se uporablja kot alternativni vir energije za bakterije in jim pomaga preživeti tudi potem, ko se drugi viri energije v okolju, kot je glukoza, izčrpajo.
Lac operonski model je bil prvi tovrstni genetski sistem, ki ga je bilo treba razjasniti, zato je služil kot osnova za opis številnih drugih operonov v genomu različnih vrst mikroorganizmov.
S preučevanjem tega sistema je bil dosežen velik napredek pri razumevanju delovanja beljakovin tipa "represor", ki se vežejo na DNK. Napredek je bil tudi pri razumevanju alosternih encimov in njihovega selektivnega delovanja pri prepoznavanju enega ali drugega substrata.
Drug pomemben napredek, ki je nastal s preučevanjem lac operana, je bila ustanovitev ključne vloge messenger RNA pri prevajanju navodil iz DNK in tudi predhodni korak k sintezi beljakovin.
Reference
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Uvod v genetsko analizo. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetika: od genov do genomov (str. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Alostery in lac Operon. Časopis za molekularno biologijo, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Lac operon (str. 66–67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Deterministična in stohastična simulacija in analiza biokemičnih reakcijskih mrež: primer laktozne operona. V Metodah v encimologiji (Vol. 487, str. 371-395). Akademski tisk.