Lac operon, fonksiyon laktoz metabolizmasında rol oynayan proteinler için kod için yapısal genlerin bir gruptur. Hemen hemen tüm bakterilerin genomunda art arda sıralanan ve "model" bakteri Escherichia coli üzerinde özel çaba ile çalışılmış genlerdir.
Lac operon, 1961'de Jacob ve Monod tarafından bir operon şeklinde genetik düzenlemeler önermek için kullanılan modeldi. Bu yazarlar çalışmalarında, büyüme ortamında bir molekülün (örneğin laktoz) varlığının bir sonucu olarak bir veya daha fazla genin ifadesinin nasıl "açılabileceğini" veya "kapatılabileceğini" açıkladılar.
Lac operonun genel şeması. Tereseik. G3pro görüntüsünün türev çalışması. Alejandro Porto tarafından İspanyolca çeviri.
Glikoz ve galaktoz gibi karbonlu bileşikler veya laktoz dışındaki şekerler bakımından zengin büyüme ortamında büyüyen bakteriler, laktoz metabolizasyonu için gerekli proteinlerin çok düşük miktarlarına sahiptir.
Daha sonra, laktoz yokluğunda operon "kapatılır" ve RNA polimerazın lac operona karşılık gelen gen segmentini kopyalaması engellenir. Hücre laktozun varlığını "algıladığında", operon aktive olur ve bu genler normal olarak kopyalanır, bu da operonu "açmak" olarak bilinir.
Operonun tüm genleri tek bir haberci RNA molekülüne çevrilir ve bu nedenle, lac operonun bu haberci RNA'sının transkripsiyonunu düzenleyen herhangi bir faktör, kendisine ait olan herhangi bir genin transkripsiyonunu doğrudan düzenleyecektir.
keşif
Jacob ve Monod teorisi, DNA'nın yapısı hakkında çok az şey bilindiği bir bağlamda gelişti. Ve Watson ve Crick'in DNA ve RNA'nın yapısı hakkındaki önerilerini sunmalarından yalnızca sekiz yıl önce, böylece haberci RNA'lar neredeyse hiç bilinmiyordu.
1950'lerde Jacob ve Monod, bakteriyel laktoz metabolizmasının genetik olarak iki çok spesifik koşul tarafından düzenlendiğini göstermişti: laktozun varlığı ve yokluğu.
Her iki bilim adamı da, allosterik bir enzime benzer özelliklere sahip bir proteinin, ortamda laktoz varlığını tespit edebildiğini ve şeker tespit edildiğinde, iki enzimin transkripsiyonunun uyarıldığını gözlemlemişti: bir laktoz permeazı ve bir galaktosidaz.
Günümüzde, permeazın laktozun hücreye taşınmasında işlevleri olduğu ve galaktosidazın, laktoz molekülünü glikoz ve galaktoz olarak "parçalamak" veya "kesmek" için gerekli olduğu bilinmektedir. kurucu parçalarında bu disakkaritten faydalanabilir.
1960'lara gelindiğinde, laktoz geçirgenliğinin ve galaktosidazın iki bitişik genetik sekans, sırasıyla Z bölgesi ve Y bölgesi tarafından kodlandığı zaten belirlenmişti.
Lac operon, Escherichia coli bakterisinin genomunun bir parçasıdır. Kaynak: NIAID, Wikimedia Commons aracılığıyla
Son olarak, 1961'de Jacob ve Monod, beş genetik elementten oluşan bir genetik model sundular:
- Bir destekçi
- Bir operatör ve
- Z, Y ve A genleri
Tüm bu bölümler tek bir haberci RNA'ya çevrilir ve doğadaki herhangi bir bakteriyel operonu pratik olarak tanımlamak için gerekli kısımları içerir.
Genetik analiz ve deneyler
Jacob, Monod ve çalışma arkadaşları, suşların laktozu metabolize edememesine neden olan mutasyonlara sahip bakteri hücreleri üzerinde birçok deney yaptılar. Bu tür suşlar, suşun adı ve sahip oldukları ilgili mutasyonla tanımlandı.
Bu yolla araştırmacılar, β-galaktosidazı kodlayan lacZ ve laktoz permeazı kodlayan lacY genlerindeki mutasyonların, lak türü bakteriler, yani laktozu metabolize edemeyen bakteriler ürettiğini belirlediler. .
Kısıtlama enzimlerinin kullanıldığı "genetik haritalama" dan, daha sonra farklı suşlardaki genlerin konumu belirlendi, bu da lacZ, lacY ve lacA üç geninin (bu sırayla) bakteri kromozomunda bulunduğunu belirlemeyi mümkün kıldı. komşu genler grubu.
Operonun "parçası" olarak görülmesi gerekmeyen, baskılayıcı protein adı verilen başka bir proteinin varlığı, lacI- adı verilen bir gendeki mutasyonlarla aydınlatıldı. Operonda "operatör" bölgesine bağlanan ve β-galaktosidaz ve laktoz permeaz için genlerin transkripsiyonunu önleyen bir proteini kodlar.
Bu proteinin, lac operonunu oluşturan genlerin bir parçası olmadığı söylenir, çünkü bunlar aslında ikincisinin "yukarısında" bulunurlar ve farklı haberci RNA'lara kopyalanırlar.
Lac operon şeması (Kaynak: Barbarossa, Hollanda Wikipedia'da, Wikimedia Commons aracılığıyla)
Lakl mutasyonuna "yapısal olarak" sahip olan bakteri suşları, hücre dışı ortamda laktoz varlığından veya yokluğundan bağımsız olarak ortaya çıkan lacZ, lacY ve lacA genlerini ifade eder.
Bu gözlemlerin çoğu, lacI + ve lacZ + genlerinin, laktozsuz bir ortamda bu genler tarafından kodlanan proteinleri üretmeyen bir bakteri hücresine aktarılmasıyla doğrulandı.
Bu şekilde "dönüştürülen" bakteriler, sadece laktoz varlığında p-galaktosidaz enzimini ürettiğinden, deney lacI geninin lac operon ekspresyonunun düzenlenmesi için önemli olduğunu doğruladı.
fonksiyon
Lac operon, bakterilerin laktozu bir karbon ve enerji kaynağı olarak asimile etmesi için gerekli olan genlerin transkripsiyonunu düzenler. Bununla birlikte, bu genlerin transkripsiyonu yalnızca ana enerji kaynağı galaktozid tipi karbonhidratlara karşılık geldiğinde gerçekleşir.
Bakteriyel hücrelerde, lac operon genlerinin ekspresyonunu, glikoz veya metabolize edilmesi daha kolay herhangi bir şeker varlığında düzenleyen mekanizmalar vardır.
Bu şekerlerin metabolizasyonu, bunların hücrenin iç kısmına taşınmasını ve daha sonra parçalanmasını veya işlenmesini içerir.
Laktoz, bakteriler için alternatif bir enerji kaynağı olarak kullanılır ve glikoz gibi ortamdaki diğer enerji kaynakları tükendikten sonra bile hayatta kalmalarına yardımcı olur.
Lac operon modeli, açıklanacak türünün ilk genetik sistemiydi ve bu nedenle, farklı mikroorganizma türlerinin genomundaki diğer birçok operonu tanımlamanın temelini oluşturdu.
Bu sistemin çalışılmasıyla, DNA'ya bağlanan "baskılayıcı" tip proteinlerin işleyişinin anlaşılmasında çok ilerleme kaydedildi. Ayrıca allosterik enzimlerin anlaşılmasında ve bir veya başka bir substratı tanıdıklarında seçici olarak nasıl hareket ettiklerini anlamada ilerleme kaydedildi.
Lac operon çalışmasından ortaya çıkan bir diğer önemli gelişme, haberci RNA'ların DNA'da bulunan talimatları çevirmede ve ayrıca protein sentezine bir önceki adım olarak oynadığı önemli rolün oluşturulmasıydı.
Referanslar
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT ve Miller, JH (2005). Genetik analize giriş. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE ve Aquadro, CF (2008). Genetik: genlerden genomlara (sayfa 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery ve lac Operon. Moleküler biyoloji dergisi, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B. ve Oehler, S. (1996). Lac operon (sayfa 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yıldırım, N. ve Kazancı, C. (2011). Biyokimyasal reaksiyon ağlarının deterministik ve stokastik simülasyonu ve analizi: Laktoz operon örneği. Methods in Enzymology'de (Cilt 487, s. 371-395). Akademik Basın.