OPERON: FELFEDEZÉS, MODELL, OSZTÁLYOZÁS, PÉLDÁK - BIOLÓGIA - 2026

Az operon egy sor egymás után rendezett génből áll, amelyek szabályozják egymást, funkcionálisan rokon fehérjéket kódolnak, és amelyek megtalálhatók a baktériumok genomjában és az "ősi" genomokban.

Ezt a szabályozási mechanizmust F. Jacob és J. Monod 1961-ben írta le, és ez a tény 1964-ben megkapta a fiziológia és orvostudomány Nobel-díját. Ezek a kutatók javasolták és bebizonyították az operonok működését a az Escherichia coli-ban a laktóz felhasználásához szükséges enzimek.

A laktóz-operont (promóter, operátor, lacZ, lacY, lacA és terminátor) tartalmazó génekkel rendelkező DNS-szál grafikus rajza (Forrás: Llull ~ commonswiki, a Wikimedia Commons segítségével)

Az operonok felelnek a fehérje szintézis koordinálásáért az egyes sejtek igényei szerint, vagyis csak fehérjék előállítására expresszálódnak abban az időben és abban a helyen, ahol szükség van rájuk.

Az operonokban levő gének általában strukturális gének, azaz olyan fontos enzimeket kódolnak, amelyek közvetlenül részt vesznek a sejten belüli anyagcserében. Ezek lehetnek aminosavak szintézise, ​​energia ATP, szénhidrátok formájában stb.

Az operonok gyakran megtalálhatók az eukarióta szervezetekben is, azonban a prokarióta szervezetekkel ellentétben az eukariótákban az operon régióját nem írják át egyetlen Messenger RNS molekulaként.

Felfedezés

François Jacob és Jacques Monod által az operonokkal kapcsolatban tett első fontos lépés az „enzimatikus adaptáció” problémájának kezelése volt, amely egy adott enzim megjelenését jelentette, amikor a sejt szubsztrát volt jelen.

A sejteknek a szubsztrátokra adott ilyen válaszát a baktériumokban évek óta figyelték meg. A kutatók azonban azon tűnődtek, hogy a sejt pontosan meghatározta, hogy melyik enzimet kell szintetizálnia annak érdekében, hogy metabolizálja ezt a szubsztrátot.

Jacob és Monod megfigyelték, hogy a baktériumsejtek galaktóz-szerű szénhidrátok jelenlétében 100-szor több béta-galaktozidázt termelnek, mint normál körülmények között. Ez az enzim felelős a β-galaktozidok lebontásáért, hogy a sejt anyagcserében használja őket.

Ezért mindkét kutató galaktozid típusú szénhidrátokat "induktoroknak" hívta, mivel ők felelősek a β-galaktozidáz szintézisének fokozásáért.

Hasonlóképpen, Jacob és Monod genetikai régiót talált három génnel, amelyeket összehangolt módon ellenőriztek: a Z-gént, amely a β-galaktozidáz enzimet kódolja; az Y gén, amely a laktóz-permeázt enzimet kódolja (galaktozidok transzportja); és az A gén, amely a transzcetiláz enzimet kódolja, amely szintén nélkülözhetetlen a galaktozidok asszimilációjához.

A későbbi genetikai elemzésekkel Jacob és Monod tisztázta a laktóz-operon genetikai ellenőrzésének minden aspektusát, arra a következtetésre jutva, hogy a Z, Y és A gének szegmense egyetlen, összehangolt expressziójú genetikai egységet alkot, amelyet „operonnak” neveznek.

Operon modell

Az operonmodellt elsőként 1965-ben írta le Jacob és Monod, hogy elmagyarázza azoknak a géneknek a szabályozását, amelyeket átírnak és transzlálnak az enzimek számára, amelyek Escherichia coli-ban szükségesek a laktóz mint energiaforrás metabolizálása céljából..

Ezek a kutatók azt javasolták, hogy a gén vagy a génkészlet ábrázolásait, amelyek egymás után helyezkednek el, két elem szabályozza: 1) egy szabályozó gén vagy represszor gén 2) és egy operátor gén vagy operátor szekvencia.

Az operátor gén mindig a szerkezeti gén (ek) mellett helyezkedik el, amelyek expressziója felelős a szabályozásért, míg a represszor gén egy „repressor” nevű fehérjét kódol, amely az operátorhoz kötődik és megakadályozza annak transzkripcióját.

A transzkripció akkor kerül elnyomásra, amikor a represszor kapcsolódik az operátor génhez. Ilyen módon a laktóz asszimilációjához szükséges enzimeket kódoló gének genetikai expressziója nem fejeződik ki, és ezért nem képes metabolizálni az említett diszacharidot.

A laktóz operon funkcionális rajza a különféle vezérlőelemein keresztül. Ez a „modell” operon, amelyet a biológia tanárok használnak ezen gének működésének tanításához (Forrás: Tereseik. A munka a G3pro képéből származik. Spanyol fordítás: Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

Jelenleg ismert, hogy a represszor kötődése az operátorhoz szterikus mechanizmusok révén megakadályozza, hogy az RNS-polimeráz kötődjön a promóter helyéhez oly módon, hogy kezdje átírni a géneket.

A promoter hely az a "hely", amelyet az RNS polimeráz felismer, hogy kötődik és átírja a géneket. Mivel nem kötődik, nem képes a szekvencia egyik génjét átírni.

Az operátor gén a promoterként ismert szekvencia genetikai régiója és a szerkezeti gének között helyezkedik el. Jacob és Monod azonban a saját idejükben nem azonosították ezt a régiót.

Most már ismert, hogy a teljes szekvencia, amely magában foglalja a strukturális géneket vagy géneket, az operátort és a promotort, lényegében az, ami "operont" jelent.

Operonok osztályozása

Az operonokat csak három különböző kategóriába sorolják, amelyek a szabályozás módjától függnek, vagyis egyesek folyamatosan expresszálódnak (konstitutív), másoknak szükségük van egy adott molekulara vagy faktorra az aktiváláshoz (indukálható), mások pedig folyamatosan expresszálódnak, amíg hogy az induktor expresszált (elnyomható).

A operon három típusa a következő:

Indokolatlan operon

Az ilyen típusú operonokat a környezetben molekulák, például aminosavak, cukrok, metabolitok, stb. Szabályozzák. Ezek a molekulák induktorokként ismertek. Ha az induktorként működő molekulát nem találják meg, akkor az operon géneit nem írják át aktívan.

Az indukálható operonokban a szabad represszor kötődik az operátorhoz és megakadályozza az operonban található gének transzkripcióját. Amikor az induktor kötődik a represszorhoz, olyan komplex képződik, amely nem kötődik a represszorhoz, és így az operon génei transzlálódnak.

Elnyomható Operon

Ezek az operonok a meghatározott molekuláktól függnek: többek között az aminosavaktól, cukroktól, kofaktoroktól vagy transzkripciós faktoroktól. Ezeket magnyomóknak nevezzük, és a induktorokhoz teljesen ellentétes módon viselkednek.

Csak akkor, ha a corepressor kötődik a represszorhoz, leáll a transzkripció, és így nem lép fel az operonban levő gének transzkripciója. Ezután egy elnyomható operon transzkripciója csak a központi nyomógomb jelenlétével áll le.

Konstitutív operon

Az operontípusok nem szabályozottak. Ezeket folyamatosan átírják, és bármilyen mutáció esetén, amely befolyásolja e gének szekvenciáját, befolyásolhatja azokat tartalmazó sejtek életét, és általában kiválthatják a programozott sejthalált.

Példák

Az operon funkciójának legkorábbi és legszélesebb körben elismert példája a lac (laktóz) operon. Ez a rendszer felelõs a laktóz, egy diszacharid átalakításáért a monoszacharidok glükózjává és galaktózává. Három enzim működik ebben a folyamatban:

- β-galaktozidáz, amely felelős a laktóz glükózzá és galaktózá történő átalakításáért.

- laktózpermeáz, amely a laktóznak az extracelluláris közegből a sejt belsejébe történő szállításáért felelős, és

- A transzcetiláz, amely a rendszerhez tartozik, de ismeretlen funkcióval rendelkezik

Az Escherichia coliból származó trp (triptofán) operon szabályozza a triptofán szintézist, amelynek prekurzoraként kórossavat tartalmaz. Ezen operonon belül öt fehérjének génei vannak, amelyeket három enzim termelésére használnak:

- Az első enzim, amelyet az E és D gének kódolnak, a triptofán út első két reakcióját katalizálja, és antranilát-szintetáz néven ismert.

- A második enzim glicerin-foszfát, és katalizálja a következő lépéseket az antranilát-szintetáz előállításához

- A harmadik és az utolsó enzim a triptofán-szintetáz, amely a triptofán előállításáért felelős indol-glicerin-foszfátból és szerinből (ez az enzim a B és A gének terméke)

Irodalom

1. Blumenthal T. (2004). Operonok eukariótákban. Briefings in Functional Genomics, 3 (3), 199–211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD és Santana Calderón, A. (2000). A genetika alapelvei. A genetika alapelvei.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operon. Celluláris és molekuláris élettudományok, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., és Beckwith, J. (1969). A tiszta lac operon DNS izolálása. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT és Griffiths, AJ (1976). Bevezetés a genetikai elemzésbe. WH Freeman és társaság.