A lac operon a strukturális gének egy csoportja, amelynek feladata a laktóz metabolizmusában résztvevő fehérjék kódolása. Gének, amelyek szinte valamennyi baktérium genomjában egymást követő sorrendben vannak rendezve, és külön erőfeszítésekkel tanulmányozták az Escherichia coli "modell" baktériumban.
A lac operon volt az a modell, amelyet Jacob és Monod 1961-ben használt a genetikai elrendezések operon formájában történő megfogalmazására. Munkáikban ezek a szerzők ismertették, hogy egy vagy több gén expresszióját hogyan lehet „bekapcsolni” vagy „kikapcsolni” egy molekula (például laktóz) jelenléte következtében a táptalajban.
A lac operon általános sémája. Tereseik. A G3pro kép származékos munkája. Spanyolul fordította Alejandro Porto.
A széntartalmú vegyületekben vagy a laktóztól eltérő cukrokban gazdag tápközegekben szaporodó baktériumok, mint például a glükóz és a galaktóz, nagyon alacsony mennyiségű fehérjét tartalmaznak, amelyek a laktóz metabolizmusához szükségesek.
Ezután laktóz hiányában az operont "kikapcsolják", megakadályozva, hogy az RNS-polimeráz átírja a lac operonnak megfelelő génszegmenst. Amikor a sejt „érzékeli” a laktóz jelenlétét, akkor aktiválódik az operon, és ezeket a géneket általában átírják, ami az operon „bekapcsolása”.
Az operon összes génjét egy messenger RNS egyetlen molekulájába fordítják, és ezért minden olyan tényező, amely szabályozza a lac operon e messenger RNS transzkripcióját, közvetlenül szabályozza bármely hozzá tartozó gén transzkripcióját.
Felfedezés
A Jacob és Monod elmélet olyan környezetben alakult ki, ahol nagyon keveset tudtak a DNS szerkezetéről. És tény, hogy csak nyolc évvel azelőtt, hogy Watson és Crick javaslatot tett volna a DNS és az RNS szerkezetére, úgyhogy a hírvivő RNS-ek alig voltak ismertek.
Jacob és Monod az 1950-es években már kimutatták, hogy a baktériumok laktóz anyagcseréjét genetikailag két nagyon specifikus körülmény szabályozza: a laktóz jelenléte és hiánya.
Mindkét tudós megfigyelte, hogy az alloszterikus enzimhez hasonló tulajdonságokkal rendelkező protein képes kimutatni a laktóz jelenlétét a táptalajban, és a cukor kimutatása után két enzim transzkripcióját serkentették: a laktózpermeáz és a galaktozidáz.
Manapság ismert, hogy a permeáz szerepet játszik a laktóz sejtbe juttatásában, és hogy a galaktozidázra van szükség a laktóz molekula glükózra és galaktózzá történő „megbontására” vagy „darabolására”, így a sejt kihasználhatja ezt a diszacharidot alkotóelemeiben.
Az 1960-as évekre már megállapítást nyert, hogy a laktóz-permeázt és a galaktozidázt két szomszédos genetikai szekvencia, a Z-régió és az Y-régió kódolja.
A Lac operon az Escherichia coli baktérium genomjának része. Forrás: NIAID, a Wikimedia Commonson keresztül
Végül, 1961-ben, Jacob és Monod bemutatott egy genetikai modellt, amely öt genetikai elemből áll:
- Egy promóter
- Üzemeltető és
- Z, Y és A gének
Mindezeket a szegmenseket egyetlen messenger RNS-ként transzláljuk, és azok tartalmazzák a természetben gyakorlatilag bármilyen bakteriális operont meghatározó lényeges részeket.
Genetikai elemzés és kísérletek
Jacob, Monod és munkatársaik számos kísérletet végeztek olyan baktériumsejtekkel, amelyek olyan mutációval rendelkeztek, amelyek miatt a törzsek nem képesek metabolizálni a laktózt. Az ilyen törzseket a törzs nevével és a megfelelő mutációval azonosítottuk.
Ilyen módon a kutatók képesek voltak azonosítani, hogy a lacZ gének, amelyek β-galaktozidázt kódolnak, és a lacY gének mutációi, amelyek a laktóz permeázt kódolják, lac típusú baktériumokat termelt, azaz olyan baktériumokat, amelyek képtelenek metabolizálni a laktózt..
A restrikciós enzimekkel végzett "genetikai térképezésből" a későbbiekben meghatározzuk a gének helyét a különböző törzsekben, amelyek lehetővé tették annak megállapítását, hogy a lacZ, lacY és lacA három gén található (ebben a sorrendben) a baktérium kromoszómájában egy szomszédos gének csoportja.
Egy másik protein, az úgynevezett represszorfehérje létezését, amelyet nem feltétlenül tekintünk az operon "részének", a lacI- nevű gén mutációinak segítségével derítettük fel. Olyan proteint kódol, amely az operon „operátor” régiójához kötődik, és megakadályozza a β-galaktozidáz és a laktóz permeáz gének transzkripcióját.
Azt mondják, hogy ez a fehérje nem része a lac operont alkotó géneknek, mivel valójában az utóbbitól "felfelé" helyezkednek el, és átíródnak különböző Messenger RNS-ekbe.
A lac operon vázlata (Forrás: Barbarossa, Holland Wikipedia a Wikimedia Commonson keresztül)
A lacI-mutációval rendelkező "baktériumtörzsek" kifejezetten expresszálják a lacZ, lacY és lacA géneket, függetlenül attól, hogy van-e laktóz jelenléte vagy hiánya az extracelluláris környezetben.
Ezen megfigyelések sokát megerősítették azzal, hogy a lacI + és lacZ + géneket egy baktériumsejtbe juttattuk, amely nem termelte az ezen gének által kódolt fehérjéket laktózmentes közegben.
Mivel az ilyen módon "transzformált" baktériumok csak a β-galaktozidáz enzimet termelték laktóz jelenlétében, a kísérlet megerősítette, hogy a lacI gén fontos volt a lac operon expressziójának szabályozásában.
Funkció
A lac operon szabályozza azoknak a géneknek az átírását, amelyek a baktériumok számára szükségesek a laktóz mint szén- és energiaforrás asszimilációjához. Ezeknek a géneknek az átírása azonban csak akkor következik be, ha a fő energiaforrás galaktozid típusú szénhidrátoknak felel meg.
A baktériumsejtekben vannak olyan mechanizmusok, amelyek szabályozzák a lac operon gének expresszióját, ha glükóz vagy más olyan cukor jelenlétében vannak, amely könnyebben metabolizálható.
Ezeknek a cukroknak a metabolizmusa magában foglalja a sejt belsejébe való szállítását és az azt követő lebontását vagy feldolgozását.
A laktózt alternatív energiaforrásként használják a baktériumok számára, segítve őket életben maradni akkor is, ha a környezetben más energiaforrások, például a glükóz kimerülnek.
A lac operon modell volt az első ilyen jellegű genetikai rendszer, amelyet tisztáztak, és ez alapján szolgált számos más operon leírására a különféle típusú mikroorganizmusok genomjában.
Ennek a rendszernek a vizsgálatával nagy előrelépés történt a DNS-hez kötő "repressor" típusú fehérjék működésének megértésében. Előrelépés történt az alloszterikus enzimek megértésében és abban is, hogy hogyan viselkednek szelektíven az egyik vagy másik szubsztrátum felismerésekor.
Egy másik fontos előrelépés, amely a lac operon tanulmányozása során merült fel, annak meghatározása volt, hogy a hírvivő RNS-ek milyen szerepet játszanak a DNS-ben található utasítások fordításában, valamint a protein szintézis előző lépéseként.
Irodalom
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT és Miller, JH (2005). Bevezetés a genetikai elemzésbe. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, és Aquadro, CF (2008). Genetika: génektől genomokig (978-0073227382 oldal). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery és a lac Operon. Journal of molecular biology, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B. és Oehler, S. (1996). A lac operon (66-67. Oldal). New York:: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N. és Kazanci, C. (2011). Biokémiai reakcióhálózatok determinisztikus és sztochasztikus szimulációja és elemzése: Példa a laktóz operonra. In Methods in enzymology (487. kötet, 371-395. Oldal). Academic Press.