LAC operonas yra struktūrinių genų, kurių funkcija yra kodu baltymų, dalyvaujančių metabolizme laktozės grupė. Tai yra genai, kurie iš eilės užsakomi beveik visų bakterijų genome ir yra tiriami ypatingomis pastangomis „modelinės“ bakterijos Escherichia coli metu.
Lac operonas buvo modelis, kurį Jokūbas ir Monodas 1961 m. Naudojo siūlydami operono formos genetinius susitarimus. Savo darbe šie autoriai aprašė, kaip vieno ar daugiau genų ekspresija gali būti „įjungta“ arba „išjungta“ dėl to, kad augimo terpėje yra molekulės (pavyzdžiui, laktozės).
Bendroji lac operono schema. Tereseik. Išvestinis „G3pro“ įvaizdžio darbas. Ispanų kalbos vertimas - Alejandro Porto.
Bakterijos, augančios augimo terpėje, turinčioje daug angliavandenių junginių ar cukraus, išskyrus laktozę, pavyzdžiui, gliukozę ir galaktozę, turi labai mažai baltymų, reikalingų laktozės metabolizmui.
Tuomet, trūkstant laktozės, operonas „išjungiamas“, neleidžiant RNR polimerazei transkriptuoti genų segmentą, atitinkantį lac operoną. Kai ląstelė „pajunta“ laktozės buvimą, operonas suaktyvinamas ir šie genai perrašomi įprastai, o tai vadinama operono „įjungimu“.
Visi operono genai yra perkeliami į vieną pasiuntinės RNR molekulę, todėl bet kuris veiksnys, kuris reguliuoja šios lac operono pasiuntinės RNR transkripciją, tiesiogiai reguliuos bet kokio jam priklausančio geno transkripciją.
Atradimas
Jokūbo ir Monodo teorija vystėsi tokiose situacijose, kai apie DNR struktūrą buvo žinoma labai mažai. Ir tai yra tik tai, kad tik aštuoneri metai prieš Watsonas ir Crickas pateikė savo pasiūlymą dėl DNR ir RNR struktūros, taigi, Messenger Messenger nebuvo sunkiai žinomos.
Jokūbas ir Monodas šeštajame dešimtmetyje jau parodė, kad laktozės bakterijų metabolizmą genetiškai reguliavo dvi labai specifinės sąlygos: laktozės buvimas ir nebuvimas.
Abu mokslininkai pastebėjo, kad baltymas, kurio savybės panašios į alosterinį fermentą, galėjo aptikti laktozės buvimą terpėje, o nustačius cukrų, buvo stimuliuota dviejų fermentų transkripcija: laktozės permeazė ir galaktozidazė.
Šiandien yra žinoma, kad permeazė vaidina vaidmenį laktozės transportavime į ląstelę ir kad galaktozidazė yra būtina „laužyti“ arba „supjaustyti“ laktozės molekulę į gliukozę ir galaktozę, kad ląstelė gali naudoti šį disacharidą jo sudedamosiose dalyse.
Iki 1960 m. Jau buvo nustatyta, kad laktozės permeazę ir galaktozidazę užkoduoja dvi gretimos genetinės sekos - atitinkamai Z sritis ir Y sritis.
Lac operonas yra Escherichia coli bakterijos genomo dalis. Šaltinis: NIAID, per „Wikimedia Commons“
Galiausiai 1961 m. Jokūbas ir Monodas pateikė genetinį modelį, sudarytą iš penkių genetinių elementų:
- Skatintojas
- Operatorius ir
- Z, Y ir A genai.
Visi šie segmentai yra paverčiami viena messenger RNR ir susideda iš pagrindinių dalių, apibrėžiančių praktiškai bet kokį bakterinį operoną gamtoje.
Genetinė analizė ir eksperimentai
Jokūbas, Monodas ir jų bendradarbiai atliko daugybę eksperimentų su bakterijų ląstelėmis, turinčiomis mutacijų, dėl kurių padermės negalėjo metabolizuoti laktozės. Tokie kamienai buvo identifikuojami pagal kamieno pavadinimą ir atitinkamą mutaciją, kurią jie turėjo.
Tokiu būdu tyrėjai sugebėjo nustatyti, kad genų lacZ, koduojančio β-galaktozidazę, ir lacY, koduojančio laktozės permeazę, mutacijos sukūrė lac tipo bakterijas, tai yra bakterijas, nesugebančias metabolizuoti laktozės. .
Atlikus „genetinį žemėlapių sudarymą“ naudojant restrikcijos fermentus, vėliau buvo nustatyta genų vieta skirtinguose štamuose - tai leido nustatyti, kad trys genai lacZ, lacY ir lacA yra (tokia tvarka) bakterijų chromosomoje gretimų genų grupė.
Kito baltymo, vadinamo repressoriniu baltymu, kuris nebūtinai laikomas operono „dalimi“, buvimas buvo išaiškintas per geną, vadinamą lacI-, mutacijomis. Jis koduoja baltymą, kuris jungiasi su operono „operatoriaus“ sritimi ir užkerta kelią β-galaktozidazės ir laktozės permeazės genų transkripcijai.
Teigiama, kad šis baltymas nėra genų, sudarančių lac operoną, dalis, nes jie iš tikrųjų yra „prieš srovę“ iš pastarųjų ir yra perrašomi į skirtingas pasiuntinių RNR.
„Lac operon“ schema (Šaltinis: „Barbarossa“ olandų kalbos Vikipedijoje per „Wikimedia Commons“)
Bakterijų padermės, turinčios lacI mutaciją, „iš esmės“ ekspresuoja lacZ, lacY ir lacA genus, kurie atsiranda neatsižvelgiant į tai, ar tarpląstelinėje aplinkoje nėra laktozės, ar jos nėra.
Daugelį šių stebėjimų patvirtino perkeldami lacI + ir lacZ + genus į bakterijų ląstelę, kuri negamino šių genų koduojamų baltymų terpėje be laktozės.
Kadangi tokiu būdu „transformuotos“ bakterijos gamino fermentą β-galaktozidazę tik esant laktozei, eksperimentas patvirtino, kad lacI genas buvo svarbus lakto operono ekspresijos reguliavimui.
Funkcija
Lac operonas reguliuoja genų, reikalingų bakterijoms įsisavinti laktozę kaip anglies ir energijos šaltinį, transkripciją. Tačiau šių genų transkripcija įvyksta tik tada, kai pagrindinis energijos šaltinis atitinka galaktozido tipo angliavandenius.
Bakterijų ląstelėse yra mechanizmų, reguliuojančių lac operono genų ekspresiją, kai juose yra gliukozės ar bet kurio kito cukraus, kurį lengviau metabolizuoti.
Šių cukrų metabolizmas reiškia jų transportavimą į ląstelę ir vėlesnį jų suskaidymą ar perdirbimą.
Laktozė naudojama kaip alternatyvus energijos šaltinis bakterijoms, padedant joms išgyventi net ir pasibaigus kitiems aplinkos energijos šaltiniams, tokiems kaip gliukozė.
Lac operono modelis buvo pirmoji tokio pobūdžio genetinė sistema, kuri buvo išaiškinta, ir tokiu būdu tapo pagrindu apibūdinti daugelį kitų operonų, esančių skirtingų tipų mikroorganizmų genome.
Tiriant šią sistemą, padaryta didelė pažanga suprantant „repressor“ tipo baltymų, jungiančių prie DNR, veikimą. Taip pat padaryta pažanga suprantant allosterinius fermentus ir kaip jie veikia selektyviai atpažindami vieną ar kitą substratą.
Kitas svarbus žingsnis, kuris atsirado atliekant „lac operon“ tyrimus, buvo svarbiausio pranešėjo RNR vaidmens nustatymas verčiant DNR rastas instrukcijas, taip pat kaip pradinis baltymų sintezės žingsnis.
Nuorodos
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT ir Miller, JH (2005). Įvadas į genetinę analizę. Macmillanas.
- Hartwellas, L., Goldbergas, L. L., Fischeris, JA, „Hood“, LE, ir „Aquadro“, CF (2008). Genetika: nuo genų iki genomų (p. 978-0073227382). Niujorkas: „McGraw-Hill“.
- Lewis, M. (2013). Allostery ir lac Operon. Molekulinės biologijos žurnalas, 425 (13), 2309–2316.
- Müller-Hill, B., ir Oehler, S. (1996). Lac operonas (psl. 66–67). Niujorkas: Walteris de Gruyteris.
- Parker, J. (2001). lac Operonas.
- Yildirim, N., ir Kazanci, C. (2011). Deterministinis ir stochastinis biocheminių reakcijų tinklų modeliavimas ir analizė: Laktozės operono pavyzdys. In Methods in enzymology (487 tomas, p. 371-395). Akademinė spauda.