Lac-operonet – et inducerbart system

Det første kontrolsystem for enzymproduktion, der blev udarbejdet på molekylært niveau, beskrev kontrollen af enzymer, der produceres som reaktion på tilstedeværelsen af sukkerstoffet laktose i E. coli-cellen. Arbejdet blev udført af Jacob og Monod og blev belønnet med Nobelprisen for. Følgende er den vej, der fører til produktion af glukose og galaktose.

Lactose -----------------------------------> Glucose + Galactose
ß-galactosidase

En række proteiner, der er involveret i laktosemetabolismen i E. coli-cellen.De er:

  • ß-galactosidase – omdanner laktose til glukose og galaktose
  • ß-galactosid permease – transporterer laktose ind i cellen
  • ß-galactosid transacetylase – funktion ukendt

Forskning med dette system blev i høj grad tilføjet ved tilgængeligheden af konstitutive mutanter. En konstitutiv mutant er en mutant, hvor genproduktet produceres kontinuerligt, dvs. der er ingen kontrol over dets ekspression.I disse mutanter blev ovennævnte proteiner produceret hele tiden i forhold til den vilde type, hvor proteinerne kun optrådte i tilstedeværelse af laktose.Så i disse mutanter må mutationen være et andet gen end dem, der er ansvarlige for de strukturelle gener.

Alle de gener, der er involveret i kontrollen af denne vej, er placeret ved siden af hinanden på E. coli-kromosomet. Sammen danner de et operon.Følgende er operonets genetiske struktur.

Kontrolkredsløb for lac-operonet

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
lac-operon-gen Genfunktion

I

Gen for repressorprotein

P

Promotor

O

Operatør

lac Z

Gen for ß-galactosidase

lac Y

Gen for ß-galactosid permease

lac A

Gen for ß-galactosid transacetylase

Operon – en klynge af strukturelle gener, der udtrykkes som en gruppe, og deres tilhørende promotor og operator

Hvordan fungerer systemet? Uden laktose i cellen binder repressorproteinet sig til operatoren og forhindrer, at RNA-polymerase læses igennem til de tre strukturelle gener. Når der er laktose i cellen, binder laktose sig til den represor. Dette medfører en strukturel ændring i repressoren, og den mister sin affinitet for operatoren. RNA-polymerase kan således binde sig til promotoren og transskribere de strukturelle gener. I dette system fungerer laktose som et effektormolekyle.

Effektormolekyle – et molekyle, der interagerer med repressoren og påvirker repressorens affinitet for operatoren

Med ovenstående oplysninger kan vi nu forudsige den virkning, som forskellige mutanter vil have på lac operon-genekspressionen.

Mutant lac-gen Mutant-fænotype

I-

konstitutiv ekspression, fordi operatoren aldrig er lukket

O-

O-

konstitutiv ekspression, fordi repressorproteinet ikke kan binde

P-

ingen ekspression af operonet, fordi RNA-polymerase ikke kan binde

lac Z-

ingen glucose- eller galactoseproduktion fra lactose

lac Y-

lac Y-

ingen induktion, fordi laktose ikke vil blive optaget i cellen

Catabolite Repression of the lac Operon

Laktose er ikke den foretrukne kulhydratkilde for E. coli. Hvis der er laktoseog glukose til stede, vil cellen bruge al glukose, før lac-operonet bliver tændt. Denne type kontrol kaldes katabolitrepression. For at forhindre laktosemetabolisme findes der et andet niveau af kontrol af genekspression. Promotoren for lac-operonet har to bindingssteder. Det ene sted er det sted, hvor RNA-polymerase binder sig. Det andet sted er bindingsstedet for et kompleks mellem katabolitaktivatorproteinet (CAP) og cyklisk AMP (cAMP). Bindelingen af CAP-cAMP-komplekset til promotorstedet er nødvendig for transkriptionen af lac-operonet. Tilstedeværelsen af dette kompleks er tæt forbundet med tilstedeværelsen af glukose i cellen. Når koncentrationen af glukose øges, falder mængden af cAMP. Når cAMP mindskes, mindskes mængden af komplekset. Dette fald i komplekset inaktiverer promotoren, og lac-operonet slukkes. Da CAP-cAMP-komplekset er nødvendigt for transkriptionen, udøver komplekset en positiv kontrol over ekspressionen af lac-operonet.