Lac-operoni – indusoituva järjestelmä

Ensimmäinen molekyylitasolla kehitetty entsyymituotannon ohjausjärjestelmä kuvasi sellaisten entsyymien ohjausta, joita tuotetaan vastauksena laktoosisokerin läsnäoloon E. coli -solussa. Jacob ja Monod tekivät työn, josta heille myönnettiin Nobel-palkinto. Seuraavassaon reitti, joka johtaa glukoosin ja galaktoosin tuotantoon.

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

E. coli-solun laktoosiaineenvaihduntaan osallistuvia proteiineja.Ne ovat:

  • ß-galaktosidaasi – muuttaa laktoosin glukoosiksi ja galaktoosiksi
  • ß-galaktosidipermeaasi – kuljettaa laktoosia soluun
  • ß-galaktosiditransasetaasi – funktio tuntematon

Tutkimusta tällä systeemillä lisäsi suuresti konstitutiivisten mutanttien saatavuus. Konstitutiivinen mutantti on sellainen, jossa geenituotetta tuotetaan jatkuvasti, eli sen ilmentymistä ei voida kontrolloida.Näissä mutanteissa edellä mainittuja proteiineja tuotettiin koko ajan verrattuna villiin tyyppiin, jossa proteiineja esiintyi vain laktoosin läsnäollessa.Niinpä näissä mutanteissa mutaation täytyy olla jokin muu geeni kuin ne, jotka ovat vastuussa rakenteellisista geeneistä.

Kaikki tätä reittiä kontrolloivia geenejä sijaitsevat vierekkäin E. coli -kromosomissa. Yhdessä ne muodostavat operonin.Seuraavassa on esitetty operonin geneettinen rakenne.

Lac-operonin ohjauspiiri

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
lac-operonin geeni Geenin toiminta

I

Geeni repressoriproteiinille.

P

Promoottori

O

Operaattori

lac Z

Geeni ß-galaktosidaasi

lac Y

Geeni ß-galaktosidipermeaasi

lac A

Geeni ß-galaktosiditransasetylaasi

Operoni – ryhmässä ilmentyvien rakenteellisten geenien klusteri ja niihin liittyvä promoottori ja operaattori

Miten järjestelmä toimii? Ilman laktoosia solussa repressoriproteiini sitoutuu operaattoriin ja estää RNA-polymeraasin lukemisen kolmeen rakennegeeniin. Kun solussa on laktoosia, laktoosi sitoutuu siihen. Tämä aiheuttaa repressorissa rakennemuutoksen ja se menettää affiniteettinsa operaattoriin. Näin RNA-polymeraasi voi sitoutua promoottoriin ja transkriboida rakennegeenit. Tässä järjestelmässä laktoosi toimii efektimolekyylinä.

Efektimolekyyli – molekyyli, joka on vuorovaikutuksessa repressorin kanssa ja vaikuttaa repressorin affiniteettiin operaattoriin

Edellä esitettyjen tietojen avulla voimme nyt ennustaa eri mutanttien vaikutuksen lac-operaattorigeenin ilmentymiseen.

Mutantti lac-geeni Mutantti Fenotyyppi

I-

konstitutiivinen ilmentyminen, koska operaattori ei koskaan sulkeudu

O-

konstitutiivinen ilmentyminen, koska repressoriproteiini ei voi sitoutua

P-

ei operonin ilmentymistä, koska RNA-polymeraasi ei pysty sitoutumaan

lac Z-

ei glukoosin tai galaktoosin tuotantoa laktoosista

lac Y-

ei induktiota, koska laktoosia ei oteta soluun

Catabolite Repression of the lac Operon

Laktoosi ei ole ensisijainen hiilihydraattilähde E. coli. Jos laktoosia ja glukoosia on läsnä, solu käyttää kaiken glukoosin ennen kuin lac-operoni käynnistyy. Tämäntyyppistä kontrollia kutsutaan metaboliittirepressioksi. Laktoosimetabolian estämiseksi on olemassa toinen geeniekspression ohjauksen taso. Lac-operonin promoottorissa on kaksi sitoutumiskohtaa. Toinen paikka on paikka, johon RNA-polymeraasi sitoutuu, ja toinen paikka on kataboliittiaktivaattoriproteiinin (CAP) ja syklisen AMP:n (cAMP) muodostaman kompleksin sitoutumiskohta. CAP-cAMP-kompleksin sitoutuminen promoottorikohtaan on välttämätöntä lac-operonin transkriptiolle. Tämän kompleksin läsnäolo liittyy läheisesti glukoosin läsnäoloon solussa. Glukoosipitoisuuden kasvaessa cAMP:n määrä vähenee. Kun cAMP vähenee, kompleksin määrä vähenee. Tämä kompleksin väheneminen inaktivoi promoottorin, ja lac-operoni sammuu. Koska CAP-cAMP-kompleksia tarvitaan transkriptioon, kompleksi kontrolloi positiivisesti lac-operonin ilmentymistä.