Den lac-operonet er en gruppe af strukturelle gener, hvis funktion er at kode for proteiner involveret i metabolismen af lactose. De er gener, der ordnes efter hinanden i genomet af næsten alle bakterier og er undersøgt med særlig indsats i "model" -bakterien Escherichia coli.
Lac-operonen var modellen, som Jacob og Monod anvendte i 1961 til at foreslå genetiske arrangementer i form af en operon. I deres arbejde beskrev disse forfattere, hvordan udtrykket af en eller flere gener kunne "tændes" eller "slukkes" som en konsekvens af tilstedeværelsen af et molekyle (for eksempel lactose) i vækstmediet.
Generelt skema for lac-operon. Tereseik. Afledt arbejde med G3pro image. Spansk oversættelse af Alejandro Porto.
Bakterier, der vokser i vækstmedier, der er rige på kulstofholdige forbindelser eller andre sukkerarter end lactose, såsom glukose og galactose, besidder meget lave mængder af de proteiner, der er nødvendige til metabolisering af lactose.
I fravær af lactose "deaktiveres" operonet derefter, hvilket forhindrer RNA-polymerasen i at transkribere gensegmentet svarende til lac-operonet. Når cellen "registrerer" tilstedeværelsen af lactose, aktiveres operonet, og disse gener transkriberes normalt, hvilket er kendt som "tænde" for operonet.
Alle gener i operonet oversættes til et enkelt molekyle af messenger RNA, og derfor vil enhver faktor, der regulerer transkriptionen af dette messenger RNA fra lac operon, direkte regulere transkriptionen af ethvert gen, der hører til det.
Opdagelse
Jacob og Monod teorien udviklede sig i en kontekst, hvor meget lidt var kendt om DNA-strukturen. Og det er, at kun otte år før Watson og Crick havde fremsat deres forslag om strukturen af DNA og RNA, så messenger-RNA næppe blev kendt.
Jacob og Monod i 1950'erne havde allerede vist, at bakteriel laktosemetabolisme var genetisk reguleret af to meget specifikke betingelser: tilstedeværelsen og fraværet af laktose.
Begge forskere havde observeret, at et protein med egenskaber, der ligner et allosterisk enzym, var i stand til at påvise tilstedeværelsen af lactose i mediet, og at når sukkeret først blev påvist, blev transkriptionen af to enzymer stimuleret: en lactosepermease og en galactosidase.
I dag vides det, at permease har funktioner i transporten af lactose ind i cellen, og at galactosidase er nødvendig for at "bryde" eller "skære" laktosemolekylet til glukose og galactose, så cellen kan drage fordel af dette disaccharid i dets bestanddele.
I 1960'erne var det allerede blevet bestemt, at lactosepermease og galactosidase blev kodet af to tilstødende genetiske sekvenser, henholdsvis Z-regionen og Y-regionen.
Lac operon er en del af genomet til bakterien Escherichia coli. Kilde: NIAID, via Wikimedia Commons
Endelig i 1961 præsenterede Jacob og Monod en genetisk model bestående af fem genetiske elementer:
- En promotor
- En operatør og
- gener Z, Y og A.
Alle disse segmenter er oversat til et enkelt messenger-RNA og omfatter de væsentlige dele til at definere praktisk talt enhver bakteriel operon i naturen.
Genetisk analyse og eksperimenter
Jacob, Monod og deres samarbejdspartnere udførte mange eksperimenter med bakterieceller, der havde mutationer, der gjorde, at stammerne ikke kunne metabolisere lactose. Sådanne stammer blev identificeret med navnet på stammen og den tilsvarende mutation, de havde.
På denne måde kunne forskerne identificere, at mutationer i generne lacZ, som koder for ß-galactosidase, og lacY, som koder for laktosepermease, producerede bakterier af lac-typen, dvs. bakterier, der ikke er i stand til at metabolisere laktose..
Fra "genetisk kortlægning" ved hjælp af restriktionsenzymer blev placeringen af generne i de forskellige stammer efterfølgende bestemt, et faktum, der gjorde det muligt at konstatere, at de tre gener lacZ, lacY og lacA findes (i den rækkefølge) på bakteriekromosomet i en gruppe af tilstødende gener.
Eksistensen af et andet protein, kaldet repressorproteinet, som ikke nødvendigvis betragtes som en "del" af operonet blev belyst gennem mutationer i et gen kaldet lacI-. Det koder for et protein, der binder til "operator" -regionen i operon og forhindrer transkription af generne for ß-galactosidase og lactosepermease.
Det siges, at dette protein ikke er en del af generne, der udgør lac-operon, da de faktisk er placeret "opstrøms" for sidstnævnte og transkriberes til forskellige messenger-RNA'er.
Skematisk af lac-operonen (Kilde: Barbarossa på hollandske Wikipedia via Wikimedia Commons)
Bakterielle stammer, der har lacI-mutationen "konstitutivt", udtrykker lacZ-, lacY- og lacA-generne, der forekommer uanset tilstedeværelsen eller fraværet af lactose i det ekstracellulære miljø.
Mange af disse observationer blev bekræftet ved at overføre lacI + og lacZ + -generne til en bakteriecelle, der ikke producerede proteinerne, der kodes af disse gener i et lactosefri medium.
Da bakterier "transformeret" på denne måde kun frembragte enzymet ß-galactosidase i nærværelse af lactose, bekræftede eksperimentet, at lacI-genet var vigtigt for reguleringen af lac-operonekspression.
Fungere
Lac-operon regulerer transkriptionen af gener, der er nødvendige for bakterier til at assimilere lactose som en kilde til kulstof og energi. Transkriptionen af disse gener forekommer imidlertid kun, når den vigtigste energikilde svarer til kulhydrater af galactosid-type.
I bakterieceller er der mekanismer, der regulerer ekspressionen af lac-operongenerne, når de er i nærværelse af glukose eller andet sukker, der er lettere at metabolisere.
Metaboliseringen af disse sukkerarter involverer deres transport til det indre af cellen og deres efterfølgende nedbrydning eller behandling.
Laktose bruges som en alternativ energikilde til bakterier, hvilket hjælper dem med at overleve, selv efter at andre energikilder i miljøet, såsom glukose er udtømt.
Lac-operonmodellen var det første genetiske system af sin art, der blev belyst og tjente således som grundlag for at beskrive mange andre operoner i genomet til forskellige typer mikroorganismer.
Med studiet af dette system blev der gjort meget fremskridt med at forstå funktionen af proteiner af typen "repressor", der binder til DNA. Der skete også fremskridt med forståelsen af allosteriske enzymer, og hvordan de fungerer selektivt, når man genkender et eller andet substrat.
Et andet vigtigt fremskridt, der opstod fra undersøgelsen af lac-operonet, var etableringen af den afgørende rolle, som messenger-RNA'er spiller i oversættelsen af instruktionerne, der findes i DNA, og også som et tidligere trin til proteinsyntese.
Referencer
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). En introduktion til genetisk analyse. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetik: fra gener til genomer (s. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allosteri og lac Operon. Tidsskrift for molekylærbiologi, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Lac-operon (s. 66-67). New York:: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Deterministisk og stokastisk simulering og analyse af biokemiske reaktionsnetværk: Laktoseoperoneksemplet. I Methods in enzymology (Vol. 487, s. 371-395). Academic Press.