Лаковий оперон є групою структурних генів, функція яких полягає в код для білків , що беруть участь у метаболізмі лактози. Вони є генами, які послідовно впорядковуються в геномі майже всіх бактерій і з особливими зусиллями вивчали "модельну" бактерію Escherichia coli.
Лак-оперон був моделлю, яку Джекоб і Монод використали в 1961 році для пропонування генетичних композицій у вигляді оперона. У своїх роботах ці автори описали, як експресію одного або декількох генів можна було «включити» або «вимкнути» як наслідок присутності молекули (наприклад, лактози) у середовищі росту.
Загальна схема лакооперону. Тересейк. Похідна робота зображення G3pro. Переклад з іспанської мови Алехандро Порто.
Бактерії, що ростуть у середовищі росту, багаті вуглекислими сполуками або цукруми, крім лактози, такими як глюкоза та галактоза, мають дуже низьку кількість білків, необхідних для метаболізму лактози.
Потім, за відсутності лактози, оперон "вимикається", не даючи РНК-полімеразі транскрибувати сегмент гена, що відповідає лак-оперону. Коли клітина «відчуває» присутність лактози, оперон активується і ці гени транскрибуються нормально, що відомо як «включення» оперону.
Всі гени оперона переводяться в одну молекулу месенджерної РНК, і тому будь-який фактор, який регулює транскрипцію цієї месенджерної РНК лак-оперона, безпосередньо регулюватиме транскрипцію будь-якого гена, що належить до неї.
Відкриття
Теорія Якова та Монода розвивалася в контексті, коли про структуру ДНК було дуже мало відомо. І це лише те, що лише за вісім років до того, як Ватсон і Крик зробили свою пропозицію про структуру ДНК і РНК, так що РНК-месенджери були майже невідомі.
Якоб і Монод у 50-х роках вже показали, що метаболізм бактерій лактози генетично регулюється двома дуже специфічними умовами: наявністю та відсутністю лактози.
Обидва вчені помітили, що білок з характеристиками, подібними до алостеричного ферменту, здатний виявити наявність лактози в середовищі, і щойно виявлено цукор, стимулюється транскрипція двох ферментів: пермеази лактози та галактозидази.
Сьогодні відомо, що пермеаза відіграє роль у транспортуванні лактози в клітину і що галактозидаза необхідна для "розриву" або "розрізання" молекули лактози на глюкозу та галактозу, так що клітина може скористатися цим дисахаридом у складових його частинах.
До 1960-х років вже було визначено, що пермеаза лактози та галактозидаза кодуються двома сусідніми генетичними послідовностями, відповідно Z-регіоном та Y-областю.
Lac оперон є частиною геному бактерії Escherichia coli. Джерело: NIAID, через Wikimedia Commons
Нарешті, в 1961 році Джейкоб і Монод представили генетичну модель, що складається з п'яти генетичних елементів:
- Промоутер
- Оператор і
- гени Z, Y і A.
Усі ці сегменти перекладені в єдину месенджерну РНК і містять важливі частини для визначення практично будь-якого бактеріального оперону в природі.
Генетичний аналіз та експерименти
Джейкоб, Монод та їхні співробітники провели багато експериментів з бактеріальними клітинами, які мали мутації, завдяки яким штами не могли метаболізувати лактозу. Такі штами були ідентифіковані за назвою штаму та відповідною мутацією, якою вони володіли.
Таким чином дослідникам вдалося виявити, що мутації в генах lacZ, який кодує β-галактозидазу, і lacY, який кодує пермеазу лактози, продукували бактерії лак-типу, тобто бактерії, нездатні метаболізувати лактозу. .
З "генетичного відображення" з використанням рестрикційних ферментів згодом було визначено розташування генів у різних штамах, що дозволило встановити, що три гени lacZ, lacY та lacA знаходяться (у такому порядку) на бактеріальній хромосомі в група суміжних генів.
Існування іншого білка, званого репресорним білком, який не обов'язково розглядають як "частину" оперону, з'ясовували за допомогою мутацій у гені, званому lacI-. Він кодує білок, який зв'язується з «операторською» областю в опероні і перешкоджає транскрипції генів для β-галактозидази та лактозної пермеази.
Кажуть, що цей білок не входить до генів, що входять до лак-оперону, оскільки вони фактично розташовані «вище за течією» останнього і транскрибуються в різні месенджери РНК.
Схематика лакового оперона (Джерело: Barbarossa в голландській Вікіпедії через Wikimedia Commons)
Штам бактерій, що володіють лактацією «конститутивно», експресує гени lacZ, lacY та lacA, що відбувається незалежно від наявності або відсутності лактози у позаклітинному середовищі.
Багато з цих спостережень підтверджувались перенесенням генів lacI + та lacZ + до бактеріальної клітини, яка не виробляла білки, кодовані цими генами, у середовищі, що не містить лактозу.
Оскільки бактерії "трансформувались" таким чином лише продукували фермент β-галактозидазу в присутності лактози, експеримент підтвердив, що ген lacI був важливим для регуляції експресії оперону lac.
Функція
Лак-оперон регулює транскрипцію генів, необхідних бактеріям для засвоєння лактози як джерела вуглецю та енергії. Однак транскрипція цих генів відбувається лише тоді, коли основне джерело енергії відповідає вуглеводам галактозидного типу.
У бактеріальних клітинах існують механізми, які регулюють експресію генів лака оперону, коли вони знаходяться в присутності глюкози або будь-якого іншого цукру, який легше метаболізується.
Метаболізація цих цукрів передбачає їх транспортування до внутрішньої частини клітини та подальше їх розщеплення або переробку.
Лактоза використовується як альтернативне джерело енергії для бактерій, допомагаючи їм виживати навіть після того, як інші джерела енергії у навколишньому середовищі, такі як глюкоза, виснажуються.
Модель лак-оперону була першою подібною генетичною системою, яка була з'ясована, і тому послужила основою для опису багатьох інших оперонів у геномі різних типів мікроорганізмів.
З вивченням цієї системи було досягнуто значного прогресу в розумінні функціонування білків типу "репресор", які зв'язуються з ДНК. Був досягнутий прогрес і в розумінні аллостеричних ферментів, і як вони вибірково діють при розпізнаванні того чи іншого субстрату.
Ще одним важливим успіхом, що виник в результаті дослідження лак-оперону, було встановлення вирішальної ролі, яку відіграють РНК-месенджери у перекладі інструкцій, знайдених у ДНК, а також як попередній крок до синтезу білка.
Список літератури
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Вступ до генетичного аналізу. Макміллан.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Генетика: від генів до геномів (с. 978-0073227382). Нью-Йорк: McGraw-Hill.
- Льюїс, М. (2013). Алостерій та лак Оперон. Журнал молекулярної біології, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Лак оперон (с. 66-67). Нью-Йорк :: Вальтер де Гройтер.
- Паркер, Дж. (2001). лак Оперон.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Детерміноване та стохастичне моделювання та аналіз мереж біохімічних реакцій: приклад оперону лактози. В Методах ензимології (т. 487, с. 371-395). Академічна преса.