Lac operon je skupina strukturnih gena čija je funkcija da kodiraju proteine koji su uključeni u metabolizam laktoze. Riječ je o genima koji su redovno uređeni u genomu gotovo svih bakterija i s posebnim su naporima proučavani u "modelu" bakterije Escherichia coli.
Lak operon bio je model koji su Jacob i Monod koristili 1961. godine za predlaganje genetskih aranžmana u obliku operona. U svom su radu ovi autori opisali kako se ekspresija jednog ili više gena može „uključiti“ ili „isključiti” kao posljedica prisutnosti molekule (na primjer laktoze) u mediju za rast.
Opća shema lac operona. Tereseik. Derivatni rad G3pro slike. Španjolski prijevod Alejandro Porto.
Bakterije koje rastu u mediju rasta bogatom ugljikovim spojevima ili šećerima koji nisu laktoza, poput glukoze i galaktoze, posjeduju vrlo male količine proteina neophodnih za metabolizaciju laktoze.
Tada se, u nedostatku laktoze, operon "isključi", što sprečava RNA polimerazu da transkribira genski segment koji odgovara lac-operonu. Kada stanica "osjeti" prisustvo laktoze, operon se aktivira i ti se geni normalno prepisuju, što je poznato i kao "uključivanje" operona.
Svi geni operona prevode se u jednu molekulu glasnika RNA i, dakle, svaki faktor koji regulira transkripciju ove glasnike RNA lac-operona izravno će regulirati transkripciju bilo kojeg gena koji joj pripada.
Otkriće
Teorija Jacoba i Monoda razvila se u kontekstu u kojem se vrlo malo znalo o strukturi DNK. I to je da su samo osam godina prije nego što su Watson i Crick dali svoj prijedlog o strukturi DNK i RNA, tako da RNA-e za glasnike teško poznajemo.
Jacob i Monod u pedesetima već su pokazali da je metabolizam bakterijske laktoze genetski reguliran s dva vrlo specifična stanja: prisutnost i odsutnost laktoze.
Oba znanstvenika primijetila su da protein s karakteristikama sličnim alosternom enzimu može otkriti prisutnost laktoze u mediju i da je jednom kada je otkriven šećer stimulirana transkripcija dvaju enzima: laktozne permeze i galaktozidaze.
Danas je poznato da permeaza djeluje na transport laktoze u stanicu i da je galaktozidaza neophodna za "razbijanje" ili "rezanje" molekule laktoze u glukozu i galaktozu, tako da stanica može iskoristiti ovaj disaharid u njegovim sastavnim dijelovima.
Do 1960-ih godina već je utvrđeno da su laktozna permeaza i galaktozidaza kodirana dvama susjednim genetskim sekvencama, Z regijom, odnosno Y regijom.
Lac operon dio je genoma bakterije Escherichia coli. Izvor: NIAID, putem Wikimedia Commonsa
Konačno, 1961. Jacob i Monod predstavili su genetski model koji se sastoji od pet genetskih elemenata:
- Promotor
- Operator i
- geni Z, Y i A.
Svi ovi segmenti su prevedeni u RNA s jednim glasnikom i sadrže bitne dijelove za definiranje praktično bilo kojeg bakterijskog operona u prirodi.
Genetska analiza i eksperimenti
Jacob, Monod i njihovi suradnici proveli su mnoge eksperimente s bakterijskim stanicama koje su imale mutacije zbog kojih sojevi nisu mogli metabolizirati laktozu. Takvi sojevi identificirani su imenom soja i odgovarajućom mutacijom kojom su posjedovali.
Na taj su način istraživači uspjeli identificirati da su mutacije u genima lacZ, koji kodira za β-galaktozidazu, i lacY, koji kodira permezu laktoze, stvorio bakterije lackog tipa, odnosno bakterije nesposobne metabolizirati laktozu., Iz "genetskog mapiranja" pomoću restrikcijskih enzima, naknadno je određeno mjesto gena u različitim sojevima, činjenica koja je omogućila utvrđivanje da su tri gena lacZ, lacY i lacA (tim redoslijedom) pronađena na bakterijskom kromosomu u skupina susjednih gena.
Postojanje drugog proteina, nazvanog represorski protein, koji se ne smatra nužno „dijelom“ operona, razjašnjeno je mutacijama u genu zvanom lacI-. Kodira protein koji se veže na područje "operatora" u operonu i sprječava transkripciju gena za β-galaktozidazu i laktoznu permezu.
Kaže se da ovaj protein nije dio gena koji čine lac operon, budući da su zapravo smješteni "uzvodno" od potonjeg i transkribiraju se u različite glasnike RNA.
Shema lac operona (Izvor: Barbarossa na Nizozemskoj Wikipediji putem Wikimedia Commonsa)
Bakterijski sojevi koji posjeduju laktaturaciju "konstitutivno" izražavaju gene lacZ, lacY i lacA, što se događa bez obzira na prisutnost ili odsutnost laktoze u izvanćelijskom okruženju.
Mnoga od tih opažanja potvrđena su prijenosom lacl + i lacZ + gena u bakterijsku stanicu koja nije proizvela proteine kodirane tim genima u mediju bez laktoze.
Budući da se bakterije "transformirale" na ovaj način samo proizvode enzim β-galaktozidazu u prisutnosti laktoze, eksperiment je potvrdio da je lacI gen važan za regulaciju ekspresije lac operona.
Funkcija
Lak operon regulira transkripciju gena koji su potrebni bakterijama da asimiliraju laktozu kao izvor ugljika i energije. Međutim, transkripcija ovih gena događa se samo kada glavni izvor energije odgovara ugljikohidratima tipa galaktozida.
U bakterijskim stanicama postoje mehanizmi koji reguliraju ekspresiju gena lac-operona kada su u prisutnosti glukoze ili bilo kojeg drugog šećera koji se lakše metabolizira.
Metabolizacija ovih šećera uključuje njihov transport u unutrašnjost stanice i njihovo kasnije razgradnju ili obradu.
Laktoza se koristi kao alternativni izvor energije za bakterije, pomažući im da opstanu čak i nakon što se drugi izvori energije u okolišu, poput glukoze, potroše.
Lac-operonski model bio je prvi takve vrste genetskog sustava koji je razjašnjen i služio je kao osnova za opis mnogih drugih operona u genomu različitih vrsta mikroorganizama.
Proučavanjem ovog sustava postignut je veliki napredak u razumijevanju funkcioniranja proteina tipa "represor" koji se vežu na DNK. Napredak je postignut i u razumijevanju alosternih enzima i njihovom selektivnom djelovanju u prepoznavanju jednog ili drugog supstrata.
Drugi važan napredak koji je proizašao iz proučavanja lac operona bilo je uspostavljanje ključne uloge glasnika RNA u prevođenju uputa pronađenih u DNK, a također i preliminarni korak za sintezu proteina.
Reference
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, i Miller, JH (2005). Uvod u genetsku analizu. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetika: od gena do genoma (str. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Alostery i lac Operon. Časopis za molekularnu biologiju, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., i Oehler, S. (1996). Lac operon (str. 66-67). New York:: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lak Operon.
- Yildirim, N., i Kazanci, C. (2011). Deterministička i stohastička simulacija i analiza biokemijskih reakcijskih mreža: Primjer laktozne operona. In Methods in enzimologija (Vol. 487, str. 371-395). Akademska štampa.