Den lac-operonet är en grupp av strukturella gener vars funktion är att koda för proteiner som är inblandade i metabolismen av laktos. De är gener som beställs i följd i genomet av nästan alla bakterier och har studerats med särskild ansträngning i "modellen" -bakterien Escherichia coli.
Lac-operon var modellen som Jacob och Monod använde 1961 för att föreslå genetiska arrangemang i form av en operon. I sitt arbete beskrev dessa författare hur uttrycket av en eller flera gener kan "aktiveras" eller "stängas av" som en följd av närvaron av en molekyl (till exempel laktos) i tillväxtmediet.
Generellt schema för lac-operon. Tereseik. Derivatarbete av G3pro-bild. Spansk översättning av Alejandro Porto.
Bakterier som växer i tillväxtmedier som är rika på kolhaltiga föreningar eller andra sockerarter än laktos, såsom glukos och galaktos, har mycket låga mängder av proteinerna som är nödvändiga för metabolisering av laktos.
Sedan, i frånvaro av laktos, "stängs operon av", vilket förhindrar RNA-polymeraset från att transkribera gensegmentet motsvarande lac-operonet. När cellen "avkänner" närvaron av laktos aktiveras operonet och dessa gener transkriberas normalt, vilket kallas "slå på" operonet.
Alla gener av operon översätts till en enda molekyl av messenger-RNA och därför kommer varje faktor som reglerar transkriptionen av detta messenger-RNA från lac-operon direkt att reglera transkriptionen av vilken gen som tillhör den.
Upptäckt
Jacob och Monod-teorin utvecklades i ett sammanhang där mycket lite var känt om DNA-strukturen. Och det är att bara åtta år innan Watson och Crick hade lagt fram sitt förslag om strukturen för DNA och RNA, så att budbärar-RNA knappast var kända.
Jacob och Monod på 1950-talet hade redan visat att bakteriell laktosmetabolism var genetiskt reglerad av två mycket specifika tillstånd: närvaron och frånvaron av laktos.
Båda forskarna hade observerat att ett protein med egenskaper som liknar ett allosteriskt enzym kunde upptäcka närvaron av laktos i mediet och att när sockret upptäcktes stimulerades transkriptionen av två enzymer: en laktospermeas och ett galaktosidas.
Numera är det känt att permeas har funktioner i transport av laktos in i cellen och att galaktosidas är nödvändigt för att "bryta" eller "skära" laktosmolekylen till glukos och galaktos, så att cellen kan dra fördel av denna disackarid i dess beståndsdelar.
På 1960-talet hade det redan fastställts att laktospermeas och galaktosidas kodades av två angränsande genetiska sekvenser, Z-regionen respektive Y-regionen.
Lac operon är en del av genomet till bakterien Escherichia coli. Källa: NIAID, via Wikimedia Commons
Slutligen, 1961, presenterade Jacob och Monod en genetisk modell bestående av fem genetiska element:
- En promotor
- En operatör och
- gener Z, Y och A.
Alla dessa segment översätts till ett enda messenger-RNA och innefattar de väsentliga delarna för att definiera praktiskt taget vilken bakterieoperon som helst i naturen.
Genetisk analys och experiment
Jacob, Monod och deras medarbetare genomförde många experiment med bakterieceller som hade mutationer som gjorde att stammarna inte kunde metabolisera laktos. Sådana stammar identifierades med namnet på stammen och motsvarande mutation som de hade.
På detta sätt kunde forskarna identifiera att mutationer i generna lacZ, som kodar för ß-galaktosidas, och lacY, som kodar för laktospermeas, producerade bakterier av lac-typen, det vill säga bakterier som inte kan metabolisera laktos. .
Från "genetisk kartläggning" med användning av restriktionsenzymer bestämdes därefter placeringen av generna i de olika stammarna, vilket gjorde det möjligt att fastställa att de tre generna lacZ, lacY och lacA hittas (i den ordningen) på bakteriekromosomen i en grupp av angränsande gener.
Förekomsten av ett annat protein, kallad repressorproteinet, som inte nödvändigtvis betraktas som en "del" av operon, klargjordes genom mutationer i en gen som kallas lacI-. Den kodar för ett protein som binder till "operatör" -området i operon och förhindrar transkription av generna för ß-galaktosidas och laktospermeas.
Det sägs att detta protein inte är en del av generna som utgör lac-operonet, eftersom de faktiskt ligger "uppströms" från det senare och transkriberas till olika messenger-RNA.
Schema över lac-operon (Källa: Barbarossa på nederländska Wikipedia via Wikimedia Commons)
Bakteriestammar som har lacI-mutationen "konstitutivt" uttrycker generna lacZ, lacY och lacA, som förekommer oavsett närvaro eller frånvaro av laktos i den extracellulära miljön.
Många av dessa observationer bekräftades genom att överföra generna lacI + och lacZ + till en bakteriecell som inte producerade proteinerna som kodades av dessa gener i ett laktosfritt medium.
Eftersom bakterier "transformerade" på detta sätt endast producerade enzymet ß-galaktosidas i närvaro av laktos, bekräftade experimentet att lacI-genen var viktig för reglering av lac-operonuttryck.
Fungera
Lac-operonet reglerar transkriptionen av gener som är nödvändiga för att bakterier ska kunna assimilera laktos som en källa till kol och energi. Transkriptionen av dessa gener sker emellertid endast när den huvudsakliga energikällan motsvarar kolhydrater av galaktosid-typ.
I bakterieceller finns det mekanismer som reglerar uttrycket av lac-operongenerna när de är i närvaro av glukos eller något annat socker som är lättare att metabolisera.
Metaboliseringen av dessa sockerarter involverar deras transport till det inre av cellen och deras efterföljande nedbrytning eller bearbetning.
Laktos används som en alternativ energikälla för bakterier, vilket hjälper dem att överleva även efter att andra energikällor i miljön som glukos har tappats ut.
Lac-operonmodellen var det första genetiska systemet i sitt slag som klargjordes och tjänade således som grund för att beskriva många andra operoner i genomet av olika typer av mikroorganismer.
Med studien av detta system gjordes stora framsteg när det gäller att förstå funktionen av proteiner av typen "repressor" som binder till DNA. Det gjordes också framsteg i förståelsen av allosteriska enzymer och hur de fungerar selektivt när man känner igen ett eller annat substrat.
Ett annat viktigt framsteg som uppstod från studien av lac-operon var upprättandet av den avgörande roll som messenger-RNA spelar för att översätta instruktionerna som finns i DNA och även som ett tidigare steg till proteinsyntes.
referenser
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). En introduktion till genetisk analys. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetik: från gener till genomer (sid. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allosteri och lac Operon. Journal of molecular biology, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Lac-operon (sid. 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Deterministisk och stokastisk simulering och analys av biokemiska reaktionsnät: Exempel på laktosoperon. I Methods in enzymology (Vol. 487, s. 371-395). Academic Press.