Lac-operoni on ryhmä rakenteellisia geenejä, joiden tehtävänä on koodi proteiineja, jotka liittyvät aineenvaihduntaan laktoosia. Ne ovat geenejä, jotka on järjestetty peräkkäin melkein kaikkien bakteerien genomiin, ja niitä on tutkittu erityisellä ponnisteluella Escherichia colin "bakteerimallissa".
Lac-operoni oli malli, jota Jacob ja Monod käyttivät vuonna 1961 geneettisten järjestelyjen ehdottamiseksi operonin muodossa. Nämä kirjoittajat kuvasivat työssään, kuinka yhden tai useamman geenin ilmentyminen voidaan “kytkeä päälle” tai “sammuttaa” seurauksena molekyylin (esimerkiksi laktoosin) esiintymisestä kasvualustassa.
Lac-operonin yleiskaavio. Tereseik. G3pro-kuvan johdannaisteos. Espanjan käännös: Alejandro Porto.
Bakteerilla, joka kasvaa kasvualustassa, joka sisältää runsaasti hiilihappoyhdisteitä tai muita sokereita kuin laktoosia, kuten glukoosia ja galaktoosia, on hyvin pieniä määriä proteiineja, joita tarvitaan laktoosin metabolisointiin.
Sitten, laktoosin puuttuessa, operoni "sammutetaan", estäen RNA-polymeraasia transkriptoimasta lac-operonia vastaavaa geenisegmenttiä. Kun solu “havaitsee” laktoosin läsnäolon, operoni aktivoituu ja nämä geenit transkriptoidaan normaalisti, jota kutsutaan operonin “kytkemiseksi päälle”.
Kaikki operonin geenit muunnetaan yhdeksi lähetti-RNA: n molekyyliksi, ja sen vuoksi mikä tahansa tekijä, joka säätelee tämän lac-operonin lähetti-RNA: n transkriptiota, säätelee suoraan minkä tahansa siihen kuuluvan geenin transkriptiota.
Löytö
Jacobin ja Monodin teoria kehitettiin tilanteessa, jossa DNA: n rakenteesta tiedettiin hyvin vähän. Ja se on, että vain kahdeksan vuotta ennen kuin Watson ja Crick olivat tehneet ehdotuksensa DNA: n ja RNA: n rakenteesta, joten lähetti-RNA: t olivat tuskin tiedossa.
Jacob ja Monod 1950-luvulla olivat jo osoittaneet, että bakteerien laktoosimetaboliaa säädettiin geneettisesti kahdella erityisellä olosuhteella: laktoosin läsnäolo ja puute.
Molemmat tutkijat olivat havainneet, että proteiini, jolla oli samanlaisia ominaisuuksia kuin allosteerinen entsyymi, kykeni havaitsemaan laktoosin esiintymisen väliaineessa ja että sokerin havaitsemisen jälkeen stimuloitiin kahden entsyymin transkriptio: laktoosipermeaasi ja galaktosidaasi.
Nykyään tiedetään, että permeaasilla on tehtäviä laktoosin kuljettamisessa soluun ja että galaktosidaasi on välttämätöntä, jotta laktoosimolekyyli ”murtuu” tai ”leikataan” glukoosiksi ja galaktoosiksi, jotta solu voi hyödyntää tätä disakkaridia sen rakenneosissa.
1960-luvulle mennessä oli jo määritetty, että laktoosipermeaasia ja galaktosidaasia koodasi kaksi vierekkäistä geneettistä sekvenssiä, vastaavasti Z-alue ja Y-alue.
Lac-operoni on osa Escherichia coli -bakteerin genomia. Lähde: NIAID, Wikimedia Commonsin kautta
Lopuksi, 1961, Jacob ja Monod esittelivät geneettisen mallin, joka koostui viidestä geneettisestä elementistä:
- Edistäjä
- Operaattori ja
- geenit Z, Y ja A.
Kaikki nämä segmentit muunnetaan yhdeksi lähetti-RNA: ksi ja käsittävät olennaiset osat määrittelemään käytännössä minkä tahansa luonteeltaan bakteerioperonin.
Geneettinen analyysi ja kokeet
Jacob, Monod ja heidän yhteistyökumppaninsa tekivät monia kokeita bakteerisoluilla, joilla oli mutaatioita, jotka tekivät kannoista kyvyttömättömiä metaboloimaan laktoosia. Tällaiset kannat tunnistettiin kannan nimen ja vastaavan mutaation perusteella.
Tällä tavoin tutkijat pystyivät tunnistamaan, että geenien lacZ, joka koodaa β-galaktosidaasia, ja lacY, joka koodaa laktoosipermeaasia, mutaatiot tuottivat lac-tyyppisiä bakteereja, ts. Bakteereja, jotka eivät kykene metaboloimaan laktoosia..
"Geneettisestä kartoituksesta" käyttämällä restriktioentsyymejä määritettiin myöhemmin geenien sijainti eri kannoissa, mikä antoi mahdolliseksi todeta, että kolme geeniä lacZ, lacY ja lacA löytyvät (samassa järjestyksessä) bakteerikromosomista vierekkäisten geenien ryhmä.
Toisen proteiinin, nimeltään repressoriproteiini, jota ei välttämättä pidetä operonin "osana", selvitettiin mutaatioiden avulla geenissä, jota kutsutaan lacI-. Se koodaa proteiinia, joka sitoutuu operonin "operaattorin" alueeseen ja estää β-galaktosidaasin ja laktoosipermeaasin geenien transkription.
Sanotaan, että tämä proteiini ei ole osa geenejä, jotka muodostavat lac-operonin, koska ne sijaitsevat tosiasiassa "ylävirtaan" jälkimmäisistä ja transkriptoidaan erilaisiksi lähetti-RNA: ksi.
Lac operonin kaavio (Lähde: Barbarossa Hollannin Wikipediassa Wikimedia Commonsin kautta)
Bakteerikannat, joilla on lacI-mutaatio "konstitutiivisesti", ilmentävät lacZ-, lacY- ja lacA-geenejä, mikä tapahtuu riippumatta siitä, esiintyykö laktoosia tai ei ole solunulkoisessa ympäristössä.
Monia näistä havainnoista vahvistettiin siirtämällä lacI +- ja lacZ + -geenit bakteerisolulle, joka ei tuottanut näiden geenien koodaamia proteiineja laktoosittomassa väliaineessa.
Koska tällä tavalla "transformoituneet" bakteerit tuottivat vain p-galaktosidaasi-entsyymiä laktoosin läsnä ollessa, kokeilu vahvisti, että lacI-geeni oli tärkeä lac-operoniekspression säätelyssä.
toiminto
Lac-operoni säätelee geenien transkriptiota, jotka ovat välttämättömiä bakteereille, jotta laktoosi rinnastetaan hiilen ja energian lähteeksi. Näiden geenien transkriptio tapahtuu kuitenkin vain silloin, kun pääenergian lähde vastaa galaktosidityyppisiä hiilihydraatteja.
Bakteerisoluissa on mekanismeja, jotka säätelevät lac-operonigeenien ilmentymistä, kun ne ovat läsnä glukoosin tai muun sokerin kanssa, jota on helpompi metaboloida.
Näiden sokerien metaboloitumiseen sisältyy niiden kuljetus solun sisäpuolelle ja myöhempi hajoaminen tai käsittely.
Laktoosia käytetään vaihtoehtoisena energialähteenä bakteereille, mikä auttaa heitä selviytymään myös muiden ympäristön energialähteiden, kuten glukoosin, ehtymisen jälkeen.
Lac-operonimalli oli ensimmäinen laatuaan selvitetty geenijärjestelmä, ja siten sitä käytettiin perustana kuvaamaan monia muita operoneja erityyppisten mikro-organismien genomissa.
Tämän järjestelmän tutkimuksella saavutettiin paljon edistystä DNA: han sitoutuvien "repressorityyppisten" proteiinien toiminnan ymmärtämisessä. Myös allosteeristen entsyymien ymmärtämisessä ja miten ne toimivat selektiivisesti tunnistaessasi yhden tai toisen substraatin, oli edistystä.
Toinen tärkeä edistys, joka syntyi lac-operonin tutkimuksesta, oli sen tärkeän roolin määrittäminen, joka lähetti-RNA: lla on DNA: ssa löydettyjen ohjeiden kääntämisessä, ja myös alkuvaihe proteiinisynteesiin.
Viitteet
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, ja Miller, JH (2005). Johdanto geenianalyysiin. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, ja Aquadro, CF (2008). Genetiikka: geeneistä genomiin (s. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery ja lac Operon. Journal of molecular biology, 425 (13), 2309 - 2316.
- Müller-Hill, B., ja Oehler, S. (1996). Lac-operoni (sivut 66-67). New York:: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., ja Kazanci, C. (2011). Biokemiallisten reaktioverkkojen deterministinen ja stokastinen simulointi ja analyysi: Esimerkki laktoosioperonista. Julkaisussa Methods in enzymology (osa 487, s. 371-395). Academic Press.