ObrazE112

OPERON LAKTOZOWY (lac)

Hasła

Indukcja opcronu lac

Represor lac

CRP/CAP

Operon lac zawiera geny lacZ, lacY i lac A, kodujące odpowiednio p-galaktozydazę, permeazę gaiaklozydową oraz transacetylazę tiogalaktozydową. Przed tymi genami znajdują się sekwencje operatora (Obi) i promotora (Pb,). Operon jest transkrybowany przez polimerazę RNA w postaci pojedynczego wielocis tronowego mRNA, ulegającemu następnie translacji, w wyniku której powstają wszystkii trzy enzymy. Enzymy kodowane przez operon lac są zaangażowane w metabolizm laktozy. Kiedy w pożywce nie ma laktozy, E. coli wytwarza tylko niewielką ich ilość, ale obecność laktozy indukuje syntezę enzymów w dużej ilości. Mechanizm indukcji operonu lac jest następujący. Podstawowy, niski poziom p-galaktozydazy przekształci część laktozy w allolaktozę, która następnie działa jako induktor i uruchamia transkrypcję operonu lac. Jako induktor może również działać IPTG. Transkrypcja operonu lac jest kontrolowana przez represor lac, białko kodowane przez gen lacl.

Gen lacl ma swój własny promotor (Pm), do którego może się związać polimeraza RNA i rozpocząć transkrypcję tego genu. Jeżeli w komórce nie ma induktora, gen lacl ulega transkrypcji, w wyniku której tworzy się odpowiedni mRNA, a następnie powstają monomery represora lac. Monomery te łączą się ze sobą tworząc aktywne tetramery, które przyłączają się do miejsca operatorowego lac (O,,,) i blokują transkrypcje operonu lac. Pojawienie się induktora (np. allolaktozy lub IPTG) powoduje, że wiąże się on z represorem, zmieniając jego konformację w taki sposób, iż zmniejsza się powinowactwo represora do operatora lac. Represor oddysocjowuje wtedy od sekwencji Ow, co umożliwia rozpoczęcie transkrypcji operonu lac przez polimerazę RNA.

Białko aktywujące geny kataboliczne — CAP (nazywane również receptorem cAMP, CRP) jest aktywatorem wymaganym do uzyskania wysokiego poziomu transkrypcji operonu lac. W formie aktywnej aktywator jest dimerem zbudowanym z dwóch cząsteczek białka CRP. Dimer ten wiąże 3",5'-cykliczny AMP, tworząc kompleks CRP-cAMP. Kompleks ten wiąże się z promotorem lac i ułatwia przyłączenie polimerazy RNA, stymulując tym samym transkrypcję operonu lac. Dimer CRP bez cAMP nie może się związać z DNA. Działanie CRP zależy od źródła węgla dostępnego dla bakterii. Kiedy dostępna jest glukoza, wewnątrzkomórkowy poziom cAMP spada, CRP nie może się związać z promotorem lac i operon lac jest transkrybowany słabo. Brak glukozy powoduje, że wewnątrzkomórkowy poziom cAMP podnosi się, kompleks CRP-cAMP stymuluje transkrypcję operonu lac. a ta pozwala na wykorzystanie laktozy jak alternatywnego źródła węgla.

Negatywna regulacja ekspresji genów występuje wtedy, gdy związanie represora uniemożliwia transkrypcję genów struktury. W pozytywnej regulacji ekspresji genów, aktywator wiąże się z DNA i zwiększa poziom transkrypcji. Poprzez działanie represora lac i CRP/CAP. operon tac podlega kontroli zarówno negatywnej, jak i pozytywnej.

Pozytywna i negatywna regulacja transkrypcji

Tematy pokrewne

Struktura DNA (FI)

Struktura RNA (Gl) Transkrypcja w komórkach

prokariotycznych (.02)

Operon tryptofanowy (irp) (G4) Transkrypcja u eukariotów — wiadomości podstaWowe (G5)

Transkrypcja eukariotycznych genów kodujących białka (G6) Regulacja transkrypcji prowadzonej przez polimerazę RNA U (G7) Dojrzewanie pre-mRNA u eukariotów (G8)

Rybosomowy RNA (G9) Transportujący RNA (G10)

Indukcja    U bakterii wiele genów kodujących białka zgrupowanych jest razem

operonu (ac    w operony. które są regulowanymi w sposób skoordynowany jedno

stkami (ranskrypcyjnymi Jednym z najlepiej poznanych operonów jest operon lac występujący w genomie E. coli. Operon ten koduje trzy kluczowe. enzymy metabolizmu laktozy: permeazę gąlaktozydowa (zwaną również pemjeazą laktozową), odpowiedzialna za transport laktozy do komórki przez błonę komórkową, fl-ęalaktozyrjaze. która hydrolizuje Ialiln7ę do glukozy i galaktozy. Operon be koduje również trzeci enzym, transacetylazę tinealaklnrydnwa ale dokładna rola tego enzymu jest ciągle niejasria. Zwykle komórki £. coli wytwarzają wszystkie trzy enzymy na bardzo niskim poziomie, ale kiedy w pożywce pojawi się laktoza, to powoduje ona olbrzymi i skoordynowany wzrost każdego z enzymów kodowanych przez operon lac. Każdy z enzymów możemy zatem nazwać enzymem indukowanym, a cały proces indukcja. Jeszcze przed indukcją operonu tac, dzięki obecności w komórce niewielkiej ilości <Tąntff7Pfc lygalalrtozydazy. niektóre cząsteczki laktozy przekształcane sa w allolakłnżo To właśnie pojawienie się allolaktozy włącza transkrypcję wszystkich trzech genów operonu tac. Można więc nazwać ąjlolaktozę induktorem Innym induktorem operonu tac jest izppmpylntipgąiaktn-zyd (IPTG). W przeciwieństwie do allolaktozy, IPTG nie jest w £. coli metabolizowany i dlatego jest niezwykle przydatny w eksperymentalnej analizie procesu indukcji.

W 1961 r. Jacob i Monod zaproponowali model regulacji transkrypcji u E. coli oparty na teorii operonu. Operon lac jest dobrym przykładem, pozwalającym i zrozumieć, jak działają operony (rys. 1). Model operonu obejmuje trzy elementy:

Pgrupę genów struktury (czyli genów kodujących białka, których ekspresja ma podlegać regulacji);

bjmiejsce operatorowe (operator), które jest sekwencją DNA regulującą '■'transkrypcję genów struktury;

/*jgen regulatorowy, który koduje białko rozpoznające sekwencję opera-“ torową.