A lac operon – egy indukálható rendszer

Az enzimtermelés első molekuláris szinten kidolgozott szabályozó rendszere az E. coli sejtben a laktózcukor jelenlétére válaszul termelődő enzimek szabályozását írta le. A munkát Jacob és Monod végezte, amelyért Nobel-díjat kaptak. A következőaz útvonal, amely a glükóz és a galaktóz termeléséhez vezet.

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

Az E. coli sejtben a laktóz anyagcseréjében részt vevő számos fehérje.Ezek:

  • ß-galaktozidáz – a laktózt glükózzá és galaktózzá alakítja
  • ß-galaktozid permeáz – a laktózt a sejtbe szállítja
  • ß-galaktozid transzacetiláz – funkciója ismeretlen

Az ezzel a rendszerrel végzett kutatásokat nagyban elősegítette a konstitutív mutánsok elérhetősége. A konstitutív mutáns olyan mutáns, amelyben a géntermék folyamatosan termelődik, azaz nincs kontroll a kifejeződése felett.Ezekben a mutánsokban a fenti fehérjék állandóan termelődtek, szemben a vad típussal, ahol a fehérjék csak laktóz jelenlétében jelentek meg.

A mutánsokban tehát a mutációnak a szerkezeti génekért felelős génektől eltérő génnek kell lennie.

Az E. coli kromoszómán egymás mellett található az összes gén, amely részt vesz ennek az útvonalnak a szabályozásában. Együtt egy operont alkotnak.Az operon genetikai felépítése a következő.

A lac operon vezérlőköre

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
lac operon gén Gén funkciója

I

Gén a represszor fehérjéért

P

Promoter

O

Operator

lac Z

Gén ß-galaktozidáz

lac Y

ß-galaktozid permeáz gén

lac A

ß-galaktozid-transzacetiláz

Operon – csoportosan kifejeződő szerkezeti gének csoportja és a hozzájuk tartozó promóter és operátor

Hogyan működik a rendszer? A sejtben lévő laktóz nélkül a represszor fehérje kötődik az operátorhoz és megakadályozza az RNS-polimeráz beolvasását a három strukturális génbe. Ha a sejtben van laktóz, a laktóz kötődik a represszorhoz. Ez szerkezeti változást okoz a represszorban, és az elveszíti affinitását az operátorhoz. Így az RNS-polimeráz képes a promóterhez kötődni és átírni a strukturális géneket. Ebben a rendszerben a laktóz effektormolekulaként működik.

Effektormolekula – olyan molekula, amely kölcsönhatásba lép a represszorral, és befolyásolja a represszor affinitását az operátorhoz

A fenti információk birtokában most már meg tudjuk jósolni, hogy a különböző mutánsok milyen hatással lesznek a lac operon gének kifejeződésére.

Mutáns lac gén Mutáns fenotípus

I-

konstitutív expresszió, mivel az operátor soha nem záródik

O-

O-

konstitutív expresszió, mert a represszor fehérje nem tud kötődni

P-

nincs expressziója az operonnak, mert az RNS-polimeráz nem tud kötődni

lac Z-

nincs glükóz vagy galaktóz termelés laktózból

lac Y-

nincs indukció, mert a laktóz nem kerül be a sejtbe

Catabolite Repression of the lac Operon

A laktóz nem a preferált szénhidrátforrás az E. coli számára. Ha laktóz és glükóz van jelen, a sejt az összes glükózt felhasználja, mielőtt a lac operon bekapcsolódna. Ezt a fajta szabályozást nevezzük katabolit repressziónak. A laktóz-metabolizmus megakadályozására a génexpresszió szabályozásának egy második szintje létezik. A lac operon promóterének két kötőhelye van. Az egyik az a hely, ahol az RNS-polimeráz kötődik.A második hely a katabolitaktiváló fehérje (CAP) és a ciklikus AMP (cAMP) közötti komplex kötőhelye. A CAP-cAMP komplexnek a promóterhelyhez való kötődése szükséges a lac operon átírásához. E komplex jelenléte szorosan összefügg a glükóz jelenlétével a sejtben. A glükóz koncentrációjának növekedésével a cAMP mennyisége csökken. A cAMP csökkenésével a komplex mennyisége is csökken. A komplex csökkenése inaktiválja a promótert, és a lac operon kikapcsol. Mivel a CAP-cAMP komplex szükséges a transzkripcióhoz, a komplex pozitív kontrollt gyakorol a lac-operon kifejeződése felett.