OPERON: OPDAGELSE, MODEL, KLASSIFICERING, EKSEMPLER - BIOLOGI - 2025

En operon består af en gruppe sekventielt ordnede gener, der regulerer hinanden, der koder for proteiner, der er funktionelt beslægtede, og som findes i hele genomet af bakterier og "forfædres" genomer.

Denne reguleringsmekanisme blev beskrevet af F. Jacob og J. Monod i 1961, en kendsgerning, der gav dem Nobelprisen i fysiologi og medicin i 1965. Disse forskere foreslog og demonstrerede operons funktion gennem de gener, der koder for enzymer krævet af Escherichia coli til anvendelse af lactose.

Grafisk diagram over en DNA-streng med generne, der omfatter lactose-operon (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA og terminator) (Kilde: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Operonerne er ansvarlige for at koordinere proteinsyntesen i henhold til behovene i hver celle, dvs. de udtrykkes kun for at generere proteiner på det tidspunkt og på det nøjagtige sted, hvor de er påkrævet.

Genererne indeholdt i operoner er generelt strukturelle gener, hvilket betyder, at de koder for vigtige enzymer, der er direkte involveret i metabolske veje i cellen. Disse kan være syntese af aminosyrer, energi i form af ATP, kulhydrater osv.

Operoner findes også ofte i eukaryote organismer, men i modsætning til prokaryotiske organismer transkriberes regionen i eukaryoter imidlertid ikke som et enkelt messenger-RNA-molekyle.

Opdagelse

Det første vigtige fremskridt med hensyn til operoner foretaget af François Jacob og Jacques Monod var at tackle problemet med "enzymatisk tilpasning", som kun bestod i udseendet af et specifikt enzym, kun når cellen var i nærværelse af et substrat.

En sådan reaktion af celler på substrater var blevet observeret i bakterier i mange år. Forskerne undrede sig imidlertid over, hvordan cellen bestemte nøjagtigt, hvilket enzym der skal syntetiseres for at metabolisere dette underlag.

Jacob og Monod observerede, at bakterieceller, i nærvær af galactoselignende kulhydrater, producerede 100 gange mere ß-galactosidase end under normale betingelser. Dette enzym er ansvarlig for nedbrydning af ß-galactosiderne, så cellen bruger dem metabolisk.

Derfor kaldte begge forskere kulhydrater af galactosid-typen som "inducere", da de var ansvarlige for at inducere en stigning i syntesen af ​​ß-galactosidase.

Ligeledes fandt Jacob og Monod en genetisk region med tre gener, der blev kontrolleret på en koordineret måde: Z-genet, der koder for ß-galactosidase-enzymet; Y-genet, der koder for enzymet lactosepermease (transport af galactosider); og gen A, der koder for enzymet transacetylase, som også er essentielt til assimilering af galactosider.

Gennem efterfølgende genetiske analyser klarede Jacob og Monod alle aspekter af den genetiske kontrol af laktoseoperonen, og konkluderede, at segmentet af gener Z, Y og A udgør en enkelt genetisk enhed med koordineret ekspression, hvilket var hvad de definerede som "operon".

Operon model

Operonmodellen blev først beskrevet nøjagtigt i 1965 af Jacob og Monod for at forklare reguleringen af ​​gener, der er transkriberet og oversat til de enzymer, der kræves i Escherichia coli for at metabolisere lactose som en energikilde..

Disse forskere foreslog, at transkripterne af genet eller af det sæt gener, der er lokaliseret fortløbende, er reguleret af to elementer: 1) et regulatorisk gen eller repressorgen 2) og et operatørgen eller operatørsekvens.

Operatørgenet er altid placeret ved siden af ​​det / de strukturelle gen (er), hvis udtryk det er ansvarligt for at regulere, mens repressorgen koder for et protein kaldet “repressor”, der binder til operatøren og forhindrer dets transkription.

Transkription undertrykkes, når repressoren er knyttet til operatørgenet. På denne måde udtrykkes den genetiske ekspression af generne, der koder for de enzymer, der er nødvendige for at assimilere lactose, og kan derfor ikke metabolisere nævnte disaccharid.

Funktionelt diagram over laktoseoperonen gennem dets forskellige kontrolelementer. Dette er den "model" -operon, der bruges af biologilærere til at undervise i, hvordan disse gener fungerer (Kilde: Tereseik. Arbejde afledt af G3pro-billede. Spansk oversættelse af Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

Det er nu kendt, at repressorens binding til operatøren forhindrer med steriske mekanismer, at RNA-polymerase binder til promotorstedet, så det begynder at transkribere gener.

Promotorstedet er det "sted", som RNA-polymerase genkender til at binde og transkribere gener. Da det ikke kan binde, kan det ikke transkribere nogen af ​​generne i sekvensen.

Operatørgenet ligger mellem en genetisk region i sekvensen kendt som promotoren og de strukturelle gener. Imidlertid identificerede Jacob og Monod ikke denne region i deres tid.

Det er nu kendt, at den komplette sekvens, der inkluderer det strukturelle gen eller generne, operatøren og promotoren, i det væsentlige er det, der udgør en "operon".

Klassificering af operoner

Operoner klassificeres kun i tre forskellige kategorier, der afhænger af den måde, de reguleres på, dvs. nogle udtrykkes kontinuerligt (konstitutivt), andre har brug for et specifikt molekyle eller faktor for at aktivere (inducerbar), og andre udtrykkes kontinuerligt indtil at inducereren udtrykkes (repressibel).

De tre typer operoner er:

Inducerbar operon

Operanter af denne type reguleres af molekyler i miljøet, såsom aminosyrer, sukkerarter, metabolitter osv. Disse molekyler er kendt som inducerende stoffer. Hvis molekylet, der fungerer som en inducerer, ikke findes, transkriberes generne af operon ikke aktivt.

I inducerbare operoner binder den frie repressor til operatøren og forhindrer transkription af de gener, der findes i operonet. Når inducereren binder til repressoren, dannes der et kompleks, der ikke kan binde til repressoren, og således oversættes operonens gener.

Repressible Operon

Disse operoner er afhængige af specifikke molekyler: aminosyrer, sukkerarter, cofaktorer eller transkriptionsfaktorer, blandt andre. Disse er kendt som korepressorer og fungerer på en helt modsat måde til induktorer.

Først når korepressoren binder med repressoren, stopper transkriptionen, og transkription af generne indeholdt i operon forekommer således ikke. Derefter stopper transkriptionen af ​​et undertrykkeligt operon kun med tilstedeværelsen af ​​korepressoren.

Konstitutiv operon

Disse typer operoner er ikke reguleret. De bliver konstant transkribert og i tilfælde af mutationer, der påvirker sekvensen af ​​disse gener, kan levetiden på cellerne, der indeholder dem, blive påvirket og generelt udløse programmeret celledød.

eksempler

Det tidligste og mest almindeligt anerkendte eksempel på en operons funktion er lac (lactose) operon. Dette system er ansvarligt for omdannelse af lactose, et disaccharid, til monosacchariderne glukose og galactose. Tre enzymer virker i denne proces:

- ß-galactosidase, der er ansvarlig for omdannelse af lactose til glucose og galactose.

- Laktosepermease, der er ansvarlig for transport af lactose fra det ekstracellulære medium til det indre af cellen og

- Transcetylase, som hører til systemet, men har en ukendt funktion

Trp (tryptophan) -operonen fra Escherichia coli styrer tryptophansyntesen med chorisminsyre som dens forløber. Inden for denne operon er generne for fem proteiner, der bruges til produktion af tre enzymer:

- Det første enzym, kodet af generne E og D, katalyserer de første to reaktioner af tryptophan-vejen og er kendt som anthranilatsyntetase

- Det andet enzym er glycerolphosphat og katalyserer de efterfølgende trin til anthranilatsyntetase

- Det tredje og sidste enzym er tryptophan synthetase, der er ansvarlig for at producere tryptophan fra indol-glycerolphosphat og serin (dette enzym er et produkt af generne B og A)

Referencer

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