אופרון הלקטוז הוא קבוצה של גנים מבניים שיפקיד קוד עבור חלבונים מעורבים במטבוליזם של לקטוז. הם גנים שמסודרים ברצף בגנום של כמעט כל החיידקים ונחקרו במאמץ מיוחד בחיידק "המודל" Escherichia coli.
אופרון הלאק היה הדגם בו השתמשו ג'ייקוב ומונוד בשנת 1961 לצורך הצעת סידורים גנטיים בצורה של אופרון. בעבודותיהם, כותבים אלה תיארו כיצד ניתן לבטל את הביטוי של גנים אחד או יותר או לכבות אותו כתוצאה מנוכחות מולקולה (לקטוז למשל) במדיום הגידול.
תכנית כללית של אופרון הלאק. Tereseik. עבודה נגזרת של דימוי G3pro. תרגום ספרדית מאת אלחנדרו פורטו.
חיידקים הגדלים בתקשורת גידול העשירה בתרכובות פחמימיות או סוכרים שאינם לקטוז, כמו גלוקוז וגלקטוז, הם בעלי כמויות נמוכות מאוד של החלבונים הנחוצים למטבוליזם של הלקטוז.
ואז, בהיעדר לקטוז, "האופרון" מכובה ", ומונע מפולימרז ה- RNA לתמלל את פלח הגנים המתאים לאופרטון לאק. כאשר התא "מרגיש" את נוכחותו של לקטוז, האופרון מופעל והגנים הללו מועתקים באופן תקין, המכונה "הדלקת" האופרון.
כל הגנים של האופרון מתורגמים למולקולה יחידה של RNA שליח, ולכן כל גורם המסדיר את התעתיק של RNA מסנג'ר זה של אופרון לאק יווסת ישירות את התמלול של כל גן ששייך אליו.
תַגלִית
תיאוריית יעקב ומונוד התפתחה בהקשר בו מעט מאוד ידוע על מבנה ה- DNA. וזה רק שרק שמונה שנים לפני שווטסון וקריק הציעו את הצעתם לגבי מבנה ה- DNA וה- RNA, כך שכמעט ולא היו ידועים RNA של מסרים.
ג'ייקוב ומונוד בשנות החמישים כבר הראו שמטבוליזם הלקטוז של החיידקים הוסדר גנטית על ידי שני מצבים ספציפיים מאוד: נוכחות והיעדר לקטוז.
שני המדענים הבחינו כי חלבון בעל מאפיינים הדומים לאנזים אלוסטרלי הצליח לאתר את הימצאותו של לקטוז במדיום וכי ברגע שהתגלה הסוכר, גירוי התמלול של שני אנזימים: פרמוזה של לקטוז וגלקטוזידאז.
כיום ידוע כי פרמיזה משחקת תפקיד בהובלת הלקטוז לתא וכי הגלקטוזידז הכרחי "לשבור" או "לחתוך" את מולקולת הלקטוז לגלוקוז וגלקטוז, כך שהתא יכול לנצל את הדיסכריד הזה בחלקים המרכיבים אותו.
בשנות השישים כבר נקבע כי פרמיס לקטוז וגלקטוזידאז מקודדים על ידי שני רצפים גנטיים סמוכים, אזור Z ואזור Y, בהתאמה.
לאק אופרון הוא חלק מגנום החיידק Escherichia coli. מקור: NIAID, באמצעות Wikimedia Commons
לבסוף, בשנת 1961, יעקב ומונוד הציגו מודל גנטי המורכב מחמישה יסודות גנטיים:
- מקדם
- מפעיל ו
- גנים Z, Y ו- A.
כל הקטעים הללו מתורגמים ל- RNA של מסנג'ר בודד והם מהווים את החלקים החיוניים להגדרת כמעט כל אופרון חיידקי בטבע.
ניתוח וניסויים גנטיים
ג'ייקוב, מונוד ומשתפי הפעולה שלהם ערכו ניסויים רבים עם תאים חיידקיים שהיו להם מוטציות שהביאו את הזנים ללא יכולת לחילוף חומרים של לקטוז. זנים כאלה זוהו בשם הזן והמוטציה המקבילה שהיו ברשותם.
באופן זה החוקרים הצליחו לזהות כי המוטציות בגנים lacZ, המקודדות ל- ß-galactosidase, ו- lacY, המקודדת לחלחל לקטוז, ייצרו חיידקים מסוג lac, כלומר חיידקים שאינם מסוגלים לחלוף חומרים של לקטוז. .
מ"מיפוי גנטי "באמצעות אנזימי הגבלה, נקבע לאחר מכן מיקום הגנים בזנים השונים, מה שאיפשר לקבוע כי שלושת הגנים lacZ, lacY ו- lacA נמצאים (בסדר זה) על הכרומוזום החיידקי בתוך קבוצת גנים סמוכים.
קיומו של חלבון אחר, המכונה חלבון הדכאון, שאינו נחשב בהכרח כ"חלק "מהאופרטון, הוברר באמצעות מוטציות בגן המכונה lacI-. זה מקודד לחלבון הנקשר לאזור "המפעיל" באופרון ומונע תעתיק של הגנים ל ß- גלקטוזידאז וחלחולת לקטוז.
נאמר כי חלבון זה אינו חלק מהגנים המרכיבים את אופרון הלאק, מכיוון שהם למעשה ממוקמים "במעלה הזרם" של האחרון ומועתקים ל- RNA של מסרים שונים.
סכמטי של אופרון הלאק (מקור: Barbarossa בוויקיפדיה ההולנדית באמצעות ויקימדיה Commons)
זנים חיידקיים המחזיקים במוטציה lacI "באופן מכונן" מבטאים את הגנים lacZ, lacY ו- lacA, המופיעים ללא קשר לנוכחות או היעדר לקטוז בסביבה החוץ תאית.
רבים מהתצפיות הללו אוששו על ידי העברת הגנים lacI + ו- lacZ + לתא חיידקי שלא ייצר את החלבונים המקודדים על ידי גנים אלה במדיום נטול לקטוז.
מכיוון שחיידקים "השתנו" בדרך זו רק ייצרו את האנזים β-galactosidase בנוכחות לקטוז, הניסוי אישר כי הגן lacI היה חשוב לוויסות הביטוי lac operon.
פוּנקצִיָה
אופרון הלאק מווסת את שעתוק הגנים הנחוצים לחיידקים להטמעת הלקטוז כמקור לפחמן ואנרגיה. עם זאת, התעתיק של גנים אלה מתרחש רק כאשר מקור האנרגיה העיקרי מתאים לפחמימות מסוג גלקטוזיד.
בתאים חיידקיים ישנם מנגנונים המווסתים את הביטוי של גנים לאק אופרון כאשר הם נמצאים בנוכחות גלוקוזה או כל סוכר אחר שקל יותר לחילוף חומרים.
מטבוליזם של סוכרים אלה כרוך בהובלתם אל פנים התא והתמוטטותם או העיבוד שלהם לאחר מכן.
לקטוז משמש כמקור אנרגיה אלטרנטיבי לחיידקים, ועוזר להם לשרוד גם לאחר שמקורות אנרגיה אחרים בסביבה כמו גלוקוז מתרוקנים.
מודל לאק אופרון היה המערכת הגנטית הראשונה מסוגה שהוסברה וכך שימשה בסיס לתיאור אופרונים רבים אחרים בגנום של סוגים שונים של מיקרואורגניזמים.
עם חקר מערכת זו חלה התקדמות רבה בהבנת תפקודם של חלבונים מסוג "מדכא" הנקשרים ל- DNA. חלה התקדמות גם בהבנת האנזימים האלוסטוסטריים וכיצד הם פועלים באופן סלקטיבי כאשר הם מזהים מצע כזה או אחר.
התקדמות חשובה נוספת שעלתה ממחקר האופרון לאק הייתה ביסוס התפקיד הקריטי שממלאים RNA של המסרים בתרגום ההוראות שנמצאו ב- DNA וגם כצעד מקדים לסינתזת חלבון.
הפניות
- גריפית'ס, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). מבוא לניתוח גנטי. מקמילן.
- הרטוול, ל., גולדברג, מ"ל, פישר, ג'יי, הוד, LE, ואקוואדרו, CF (2008). גנטיקה: מגנים לגנומים (עמ '978-0073227382). ניו יורק: מקגרו היל.
- Lewis, M. (2013). אלוסטריה ולאק אופרון. כתב העת לביולוגיה מולקולרית, 425 (13), 2309-2316.
- מולר-היל, ב., ואוהלר, ש '(1996). האופרון לאק (עמ '66-67). ניו יורק :: וולטר דה גרויטר.
- פרקר, ג '(2001). lac אופרון.
- ילדרים, נ 'וקזנצ'י, סי (2011). סימולציה וניתוח דטרמיניסטי וסטוכסטי של רשתות התגובה הביוכימית: הדוגמה של אופרון הלקטוז. בשיטות באנזימולוגיה (כרך 487, עמ '371-395). עיתונות אקדמית.