+ Pokaż spis treści

Operon laktozowy Escherichia Coli jako przykład regulacji ekspresji genu u Procaryota

  1.   Operon jest to grupa kilku genów, które są wspólnie regulowane. Białka kodowane przez geny operonu są enzymami katalizującymi w komórce kilka, następujących po sobie reakcji chemicznych (tzw. ciąg metaboliczny).

    Geny operonu leżą tuż obok siebie, dzięki temu komórka może "uruchomić" je wszystkie "za jednym zamachem"
    kiedy będą potrzebne - tzn. gdy "opłaca się" przeprowadzenie danego ciągu reakcji. Geny operonu, nazywane również genami struktury, są przepisywane na wspólny mRNA, powstaje jeden długi transkrypt, zawierający informacje o kilku białkach. Transkrypt ten ulega zaraz translacji; sekwencje kodujące białka rozdzielone są sygnałami startowymi i końcowymi dla translacji, dlatego w wyniku tego procesu powstaje od razu kilka osobnych białek . Wspólny transkrypt dla kilku genów kontrolujących dany ciąg reakcji - tak w jednym zdaniu można określić istotę operonu.

    Operony wykryto dotychczas wyłącznie u organizmów prokariotycznych
    ; taki sposób regulacji ekspresji kilku genów prawdopodobnie w ogóle nie występuje u organizmów eukariotycznych ze względu na inną budowę genów (są długie i zawierają introny) oraz przestrzenny i czasowy rozdział transkrypcji i translacji. Prokariotyczne mRNA ulega translacji jeszcze podczas trwania transkrypcji, natomiast u organizmów eukariotycznych z pierwotnego tanskryptu usuwane są introny, po czym powstały mRNA wędruje przez pory w błonie jądrowej do cytoplazmy. Długi transkrypt zawierający informacje o kilku białkach prawdopodobnie nie miałby szans na przeżycie w komórce eukariotycznej, uległby zniszczeniu jeszcze na terenie jądra komórkowego, podczas wycinania intronów lub podczas wędrówki z jądra do cytoplazmy.

  2. Operon laktozowy występuje u bakterii Escherichia coli. Funkcjonowanie tego operonu zostało wyjaśnione w 1961 roku przez dwóch francuskich uczonych, Francoisa Jacoba i Jacuesa Monoda. Operon laktozowy zawiera trzy geny, kodujące białka związane z metabolizmem laktozy. Pierwsze z nich, permeaza, jest odpowiedzialne za transport cząsteczki laktozy do wnętrza komórki bakterii. Kolejne białko, b-galaktozydaza, rozcina cząsteczkę tego dwucukru na glukozę i galaktozę. Trzecie białko, tansacetylaza, uczestniczy również w metabolizmie laktozy. Wszystkie te białka są potrzebne komórce bakteryjnej tylko wtedy, gdy w jej otoczeniu znajduje się laktoza, zaś innych wydajniejszych żródeł energii (np. glukozy) brak.

  3. Operon laktozowy jest regulowany na dwa sposoby; negatywnie i pozytywnie. Regulacja negatywna polega na stałym (czyli konstytutywnym) blokowaniu transkrypcji kiedy w otoczeniu komórki bakteryjnej nie ma laktozy. Regulacja negatywna jest zabezpieczeniem przed produkcją enzymów, które nie są potrzebne komórce, gdy nie ma substratu (laktozy).

    Regulacja pozytywna polega na aktywowaniu transkrypcji
    przez związki, które umożliwiają przyłączenie się polimerazy RNA; zachodzi gdy w otoczeniu bakterii pojawia się laktoza, ale brak glukozy. Glukoza jest bardziej ekonomicznym żródłem węgla, niż laktoza, ponieważ laktoza musi być rozcięta na cukry proste, nim wejdzie w proces glikolizy, a to wymaga energii. Dlatego komórce, która ma do wyboru glukozę i laktozę nie opłaca się "zjadać" laktozy - w takiej sytuacji geny operonu laktozowego nie ulegają włączeniu, mimo obecności laktozy.

    Regulacja ekspresji genów operonu laktozowego jest możliwa dzięki odcinkom znajdującym się przed sekwencją kodującą.
    Odcinki te to: promotor, czyli miejsce wiązania polimerazy RNA, katalizującej transkrypcję oraz operator. Operator jest to krótka sekwencja nukleotydów, znajdująca się tuż przed pierwszym genem struktury.

  4. Regulacja negatywna operonu laktozowego. Do sekwencji operatora może przyłączyć się tzw. represor, białko, które blokuje transkrypcję genów struktury, ponieważ jest tak duże, że przyłączone do operatora, zasłania promotor i uniemożliwia przyłączenie się do niego polimerazy RNA.

    Gen kodujący represor, czyli tzw. gen regulatorowy, nie należy do operonu laktozowego, znajduje się w innej częsci bakteryjnego genomu, daleko - bo aż kilka tysiecy par zasad od operatora. Gen kodujący represor jest genem konstytutywnym, oznacza to, że ulega on stale ekspresji i niewielka ilość represora zawsze znajduje się w komórce. Represor dociera do operatora na zasadzie dyfuzji i łącząc się z nim blokuje ekspresję genów operonu.

    Represor operonu laktozowego jest białkiem allosterycznym
    - to znaczy takim, które może zmieniać swoją strukturę przestrzenną (konformację) pod wpływem przyłączanych czynników regulacyjnych. Takim czynnikiem może być pochodna laktozy - allolaktoza. Jeżeli w otoczeniu komórki bakteryjnej pojawi się laktoza, niektóre jej cząsteczki zostaną przetransportowane do wnętrza komórki i przetworzone na allolaktozę. Allolaktoza przyłącza się do represora i to doprowadza do takiej zmiany konformacji represora, że nie może on rozpoznać sekwencji operatora i specyficznie się z nią połączyć. Represor przestaje blokować transkrypcję genów struktury.

    Laktoza jest w tym wypadku induktorem transkrypcji, pod jej wpływem zablokowane przez represor geny struktury ulegają "włączeniu" (indukcji) ich ekspresja wzrasta tysiąckrotnie; poziom b-galaktozydazy , enzymu odpowiedzialnego za rozcinanie laktozy, znikomy przed indukcją, wzrasta do trzech tysięcy cząsteczek w komórce, co stanowi ok.3% białek komórki Escherichia coli.

  5. Regulacja pozytywna operonu laktozowego jest niezbędna, by zaszła transkrypcja. W pobliżu promotora operonu laktozowego znajduje się sekwencja nukleotydów, do której przyłącza się białko aktywujące transkrypcję - tzw. białko CAP - białkowy aktywator katabolizmu (spalanie laktozy jest procesem katabolicznym). Bez tego białka polimeraza RNA ma słabe powinowactwo do promotora i transkrypcja nie zachodzi, nawet w obecności laktozy, przy odblokowanym operatorze.

    Białko CAP jest dimerem (tzn. składa się z dwóch podjednostek), podobnie jak represor ma zdolność do zmiany konformacji pod wpływem przyłączenia czynników regulacyjnych. Białko CAP przyjmuje aktywną postać po przyłączeniu cAMP - cyklicznego adenozynomonofosforanu i dopiero wtedy może przyłączyć się do DNA( cAMP reguluje aktywność wielu ważnych dla komórki białek, obrazuje to laboratoryjne powiedzonko: "jeżeli wszystko zawodzi, sprawdź poziom cAMP"). Poziom cAMP jest związany z ilością glukozy w komórce - im mniej glukozy, tym więcej cAMP. Tak więc białko CAP jest aktywne przy niskim stężeniu glukozy.

    Dzięki takiej precyzyjnej regulacji operon laktozowy jest uruchamiany tylko w obecności laktozy i przy niskim stężeniu glukozy.