Operon מורכבת מקבוצה של גני הורה ברצף מווסת אחד את השני, כי החלבונים לקודד שקשור מבחינה תפקודית, וכי מצוי לאורך הגנום של חיידקים "אבות" הגנום.
מנגנון הרגולציה הזה תואר על ידי פ. ג'ייקוב וג'יי מונוד בשנת 1961, עובדה שזכתה בהם בפרס נובל לפיזיולוגיה ורפואה בשנת 1965. חוקרים אלה הציעו והדגימו את פעולתם של אופרונים באמצעות הגנים המקודדים עבור אנזימים הנדרשים על ידי Escherichia coli לניצול לקטוז.
תרשים גרפי של גדיל DNA עם הגנים המרכיבים את אופרון הלקטוז (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA ו- terminator) (מקור: Llull ~ commonswiki דרך Wikimedia Commons)
האופרונים אחראים על תיאום סינתזת החלבון בהתאם לצרכים של כל תא, כלומר הם באים לידי ביטוי רק ליצירת חלבונים באותה העת ובמקום המדויק בו הם נדרשים.
הגנים הכלולים באופרטונים הם בדרך כלל גנים מבניים, מה שאומר שהם מקודדים לאנזימים חשובים המעורבים ישירות במסלולי חילוף החומרים בתא. אלה יכולים להיות סינתזה של חומצות אמינו, אנרגיה בצורה של ATP, פחמימות וכו '.
אופרונים נמצאים בדרך כלל גם באורגניזמים אוקריוטים, לעומת זאת, בניגוד לאורגניזמים פרוקריוטים, באוקריוטים אזור האופרון לא מתועתק כמולקולת RNA של שליח בודד.
תַגלִית
ההתקדמות החשובה הראשונה ביחס לאופרטונים שנעשו על ידי פרנסואה ג'ייקוב וז'אק מונוד הייתה לטפל בבעיית ה"הסתגלות האנזימטית ", שהייתה מורכבת בהופעה של אנזים ספציפי רק כאשר התא נמצא בנוכחות מצע.
תגובה כזו של תאים למצעים נצפתה בחיידקים במשך שנים רבות. עם זאת, החוקרים תהו כיצד התא קבע בדיוק איזה אנזים הוא צריך לסנתז בכדי לחילוף חומרים של אותו מצע.
ג'ייקוב ומונוד הבחינו שתאי חיידקים, בנוכחות פחמימות דמויות גלקטוז, ייצרו פי 100 יותר ß-גלקטוזידאז מאשר בתנאים רגילים. אנזים זה אחראי על פירוק ה- ß-galactosides כך שהתא משתמש בהם במטבוליזם.
לפיכך, שני החוקרים כינו פחמימות מסוג גלקטוזיד "אינדקסרים", מכיוון שהם היו אחראים לגרום לעלייה בסינתזה של ß-galactosidase.
באופן דומה, ג'ייקוב ומונוד מצאו אזור גנטי עם שלושה גנים שנשלטו באופן מתואם: גן ה- Z, המקודד לאנזים ה- ß-galactosidase; הגן Y, המקודד לפרוזיס האנזים לקטוז (הובלה של גלקטוזידים); וגן A, שמקודד לאנזים טרנסצטילאז, החיוני גם להטמעה של הגלקטוזידים.
באמצעות ניתוחים גנטיים שלאחר מכן, הבהירו יעקב ומונוד את כל ההיבטים של השליטה הגנטית באופרטון הלקטוז, והגיעו למסקנה כי קטע הגנים Z, Y ו- A מהווה יחידה גנטית אחת עם ביטוי מתואם, וזה מה שהם הגדירו כ"אופרון ".
דגם אופרון
מודל האופרטון תואר לראשונה במדויק בשנת 1965 על ידי יעקב ומונוד כדי להסביר את הוויסות של גנים שמתועתקים ומתורגמים לאנזימים הנדרשים ב- Escherichia coli על מנת לחילוף חומרים של לקטוז כמקור אנרגיה. .
חוקרים אלה הציעו כי התמלול של הגן או של קבוצת הגנים שנמצאים ברצף מוסדרים על ידי שני אלמנטים: 1) גן רגולטורי או גן מדכא 2) וגן מפעיל או רצף מפעיל.
גן המפעיל נמצא תמיד לצד הגן המבני או הגנים שביטויו הוא אחראי לוויסות ואילו הגן המדכא מקודד לחלבון המכונה "מדכא" הנקשר למפעיל ומונע את שעתוקו.
תעתיק מודחק כאשר המדכא מקושר לגן המפעיל. באופן זה הביטוי הגנטי של הגנים המקודדים את האנזימים הנחוצים להטמעת לקטוז אינו בא לידי ביטוי, ולכן הוא אינו יכול לחילוף חומרים של הדיסכריד האמור.
תרשים פונקציונלי של אופרון הלקטוז דרך אלמנטים הבקרה השונים שלו. זהו אופרון ה"מודל "שמשמש מורים לביולוגיה ללמד את תפקוד הגנים הללו (מקור: Tereseik. עבודה הנגזרת מתמונת G3pro. תרגום ספרדי על ידי Alejandro Porto. באמצעות ויקימדיה Commons)
כעת ידוע כי קשירת המדכא למפעיל מונעת בעזרת מנגנונים סטרטיים כי פולימראז RNA נקשר לאתר המקדם כך שהוא מתחיל לתעתק גנים.
אתר המקדם הוא "האתר" ש- RNA פולימראז מזהה כדי לקשור ולהעתיק גנים. מכיוון שהוא אינו יכול להיקשר, הוא אינו יכול לתמלל אף אחד מהגנים ברצף.
גן המפעיל שוכן בין אזור גנטי ברצף המכונה המקדם לבין הגנים המבניים. עם זאת, יעקב ומונוד לא זיהו את האזור הזה בתקופתם.
כעת ידוע כי הרצף השלם הכולל את הגן או הגנים המבניים, המפעיל והמקדם, הוא במהותו מהווה "אופרון".
סיווג אופרונות
אופרונים מסווגים לשלוש קטגוריות שונות התלויות בדרך בה הם מווסתים, כלומר חלקם באים לידי ביטוי ברציפות (מכוננת), אחרים זקוקים לאיזו מולקולה או גורם ספציפי כדי להיות מופעלים (הניתנים להבעה) ואחרים באים לידי ביטוי ברציפות עד כי המעורר בא לידי ביטוי (ניתן להדחיקה).
שלושת סוגי אופרונים הם:
אופרון בלתי ניתן לזיהוי
אופרונים מסוג זה מוסדרים על ידי מולקולות בסביבה כמו חומצות אמינו, סוכרים, מטבוליטים וכו '. מולקולות אלה ידועות כמגרים. אם לא נמצאה המולקולה הפועלת כמעורר, הגנים של האופרון לא מועברים באופן פעיל.
באופרטורים הניתנים לזרימה, המדכא החופשי נקשר למפעיל ומונע שעתוק הגנים שנמצאו באופרון. כאשר התורן נקשר למדכא נוצר קומפלקס שאינו יכול להיקשר למדכא וכך מתורגמים הגנים של האופרון.
אופרון הדחיק
אופרונים אלו תלויים במולקולות ספציפיות: חומצות אמינו, סוכרים, קופקטורים או גורמי שעתוק, בין היתר. אלה ידועים ככוכבי דחק ופועלים בצורה הפוכה לחלוטין למשרנים.
רק כאשר הקופרפרסור נקשר עם המדכא, התעתיק נעצר וכך התעתיק של הגנים הכלולים באופרון אינו מתרחש. ואז התעתיק של אופרון הניתן להדחק רק נפסק עם נוכחותו של הקורפרסור.
אופרון מכונן
סוגים אלה של אופרונים אינם מוסדרים. הם מועתקים כל העת באופן פעיל, ובמקרה של מוטציה כלשהי המשפיעת על רצף הגנים הללו, ניתן להשפיע על חיי התאים המכילים אותם, ובכלל, לעורר מוות תאים מתוכנת.
דוגמאות
הדוגמה המוקדמת והמוכרת ביותר לפונקציה של אופרון היא אופרון לאק (לקטוז). מערכת זו אחראית על הפיכת הלקטוז, דיסכריד, לגלוקוז והגלקטוז המונוסכרידים. שלושה אנזימים פועלים בתהליך זה:
- ß-galactosidase, האחראי להמרת לקטוז לגלוקוז וגלקטוז.
- מחלחל לקטוז, אחראי להובלת הלקטוז מהמדיום החוץ תאי לפנים התא
- Transcetylase, השייך למערכת, אך בעל תפקיד לא ידוע
אופרון ה- trp (טריפטופן) מ- Escherichia coli שולט על סינתזת הטריפטופן, כאשר יש לו חומצה כוריסמית כמבשרו. בתוך אופרון זה נמצאים הגנים לחמישה חלבונים המשמשים לייצור של שלושה אנזימים:
- האנזים הראשון, המקודד על ידי הגנים E ו- D, מזרז את שתי התגובות הראשונות של מסלול הטריפטופן והוא ידוע בשם anthranilate synthetase
- האנזים השני הוא גליצרולפוספט ומזרז את הצעדים הבאים לאנתרנילאט סינתזה
- האנזים השלישי והאחרון הוא טריפטופן סינתזה, האחראי לייצור טריפטופן מפונדפט אינדול-גליצרול וסרין (אנזים זה הוא תוצר של גנים B ו- A)
הפניות
- בלומנטל, ט (2004). אופרונות באוקריוטות. תדריכים בגנומיקה פונקציונאלית, 3 (3), 199-211.
- גרדנר, EJ, סימונס, MJ, Snustad, PD, ו Santana Calderón, A. (2000). עקרונות הגנטיקה. עקרונות הגנטיקה.
- Osbourn, AE, & Field, B. (2009). אופרונים. מדעי החיים הסלולריים והמולקולריים, 66 (23), 3755-3775.
- שפירא, ג'., מאצ'טי, ל., ארון, ל., איהלר, ג., איפן, ק., ובקווית ', ג'(1969). בידוד של DNA אופרון טהור. טבע, 224 (5221), 768-774.
- סוזוקי, DT, ו- Griffiths, AJ (1976). מבוא לניתוח גנטי. WH פרימן וחברה.