0000030(1)

GENETYKA należy oczekiwać, że większość genów w rzeczywistości hedzic potrzebnych tylko w speciaJnych okolicznościach.

GENY KODUJĄCE ENZYMY JEDNEGO SZLAKU METABOLICZNEGO CZĘSTO ZORGANIZOWANE SĄ WOPERONY

Pod koniec lat 50-tych dwaj francuscy uczeni Franeois Jacob i Jaqucs Monod rozpoczęli badania nad E. coli (za swoje dokonania dostali nagrodę Nobla). Ich celem byio sprawdzenie, czy u tej bakterii istnieją systemy kontroli umożliwiające jednoczesne sterowanie odczytem większej liczby genów. Wspomniani badacze zwrócili uwagę na zdolność E. coli do wykorzystywania laktozy jako zapasowego źródła energii. Ponieważ laktoza jest dwucukrem, użycie jej jako „biochemicznego” paliwa wymaga:

—    wprowadzenia cząsteczek laktozy do wnętrza komórki. „Operację” tę przyspiesza enzym permeaza;

—    rozłożenia cząsteczki dwucukrowcj do monosacharydowych składników: glukozy i ga-laktozy. Tę reakcję katalizuje P-galaktozydaza;

—    przekształcenia galaktozy w glukozę. Być może jakiś udział w tym ma transacetylaza galaktozowa.

Szczerze mówiąc, nazwy tych enzymów nie są dla nas istotne. Ważne natomiast jest to, że w przeciętnych warunkach ich ilość w komórce jest bardzo niska (cząsteczki dałoby się wręcz policzyć na palcach jednej ręki). Dla Jacoba i Monoda fizyczny brak biokatalizatorów oznaczał, że należy odrzucić możliwość sterowania przemianami laktozy przez wpływ na istniejące enzymy. Co ciekawsze, gdy komórki E. coli przeniesiono z pożywki glukozow ej na laktozową, to już po 5— 10 minutach ilość cząsteczek wspomnianych enzymów wzrosła tak, że ich masa stanowiła prawic 5% masy wszystkich białek komórkowych! Jeśli ilość laktozy w pożywce była niewielka, to po wyczerpaniu zapasów tego źródła energii, stężenie w/w enzymów dość szybko spadało.

Krótko mówiąc, wskazywało to na:

1.    Istnienie precyzyjnego systemu kontrolującego jednoczesną syntezę wszystkich trzech enzymów.

2.    Udział w tym procesie samej laktoz)'.

Poszukując odpowiedzi na pytanie, „jak to działa?”, Jacob i Monod zidentyfikowali i rozdzielili szereg mutantów E. coli zdolnych do ciągłej (konstytutywnej) syntezy w^r/w enzymów, mimo braku laktozy w podłożu. Wykazali też istnienie takich szczepów, które nie syntetyzowały w/w enzymów, mimo obecności laktozy (sytuacja odwrotna). Wszystkie te szczepy łączyło to. że miały one zmienione DNA w niewielkim odcinku, położonym dość daleko od sekwencji kodujących opisywane enzymy. Jacob i Monod wysunęli hipotezę, że odcinek ten jest ^cncm kodującym biak ko kontroluiacc ekspresie genów enzymów przerahiąiącyęh laktozę. Zaproponowali później mechanizm działania całego systemu, który nazwali trafnie operonem. Ściślej mówiąc, „nasi francuscy spece" udowodnili, że geny trzech enzymów (nazwijmy je genami strukturalnymi) położone są obok siebie (por. Ryc. 101 A), a powyżej sekwencji pierwszego z nich — genu kodującego p-galaktozydazę, znajduje się miejsce inicjacji transkrypcji (promotor). Do niego przyłącza się poli-meraza RNA przepisująca wszystkie trzy geny strukturalne na jedną cząsteczkę mRNA (stąd określenie poiicistronowy mRNA u Procaryota — por. później ROZDZ: 8.2). Pomiędzy promotorem, a genem pierwszego enzymu znajduje się jeszcze inny odcinek DNA nazwany operatorem. Odgrywa on zasadniczą rolę w ekspresji genów leżących poniżej jego sekwencji. W ten sposób sekwencja DNA:

PROMOTOR-OPERA TOR GEN1-CiEN l I-Ci EN Ul tworzy funkcjonalną całość

Operator Gen 1	Gen II	Gen III
im^]

DNA

BLOKADA TRANSKRYPCJI

Gen

represora

Polimeru za

mRNA

ś i ł ł

aktywne białko represorowc

Gen ! • Promotor , Operator represora • , -----^J '

Ck-n II

Gen III

O

laktozajako derepresor

i......r "i

DNA Polimcraza

m RNA

zdczaktywowanc białko represorowc laktoza

p-galukto-    Pcrme-I    Transace-

zydaza ^ azaj-|    tyla^a

jako substrat

glukoza

Hyc. 101 A. Zasada działania operami laktozowego u F.. coli (a —system wyłączony, gdy brak jest laktozy, b — system ulega odblokowaniu w obecności laktozy; dokładniejszy opis tekście).

Pozostaje ona pod kontrolą innego, dość odlegle położonego genu, który transkrybowany jest konstytutywnie, a powstający mRNA ulega translacji (por. Ryc. 101 A a i 102). Jej produktem jest białko, które rozpoznaje przestrzennie sekwencję zasad OPERATORA i opłaszcza się wokół tego odcinka DNA. Białko to nazwano REPRESOREM, ponieważ blokuje polimcrazic RNA dostęp do sekwencji położonych poniżej, a co za tym idzie wstrzymuje transkrypcję genów struktury. Sytuacja taka może trwać przez cały cykl życiowy komórki. Jedynie czasem, gdy bakteria zostanie pozbawiona glukozy i będzie mogła wykorzystywać jedynie laktozę, może dojść do odblokowania operatora (takie warunki są np. w mleku ssaków). Praktycznie oznacza to, że musi zaistnieć sytuacja, gdy element blokujący zostaje zablokowany. Brzmi to może nieco dziwnie, ale sprawa jest dość prosta. Otóż białko represora może ulec allostcrycznej modyfikacji tak. że przestaje ono rozpoznawać sekwencję nuklcotydów operatora i uwalnia ten odcinek DNA (represor staje się nieaktywny). W ten sposób polimcraza RNA może rozpocząć przesuwanie się wzdłuż nici i transkrybowanie odpowiednich genów (por. Ryc. 101 A b). Czynnikiem, który modyfikuie przestrzennie represor. powodując jego dezaktywację jest sama laktoza. Dlatego w tej sytuacji nazywa ją się dercpresorcm. Ponieważ nieczynny kompleks represor-derepresor ma charakter nietrwały, obniżanie się stężenia laktozy przesuwa równowagę reakcji w stronę jego rozpadu. Wówczas uwolnione białko represora odzyskuje swoje blokujące właściwości (staje się aktywne). Krótko mówiąc, sytuacja wraca do punktu wyjścia.

161