Operon lac – system indukowalny

Pierwszy system kontroli produkcji enzymów opracowany na poziomie molekularnym opisywał kontrolę enzymów, które są produkowane w odpowiedzi na obecność cukru laktozy w komórce E. coli. Praca ta została wykonana przez Jacoba i Monoda, za którą otrzymali oni Nagrodę Nobla. Poniżej przedstawiono szlak, który prowadzi do produkcji glukozy i galaktozy.

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

Kilka białek zaangażowanych w metabolizm laktozy w komórce E. coli.Należą do nich:

  • ß-galaktozydaza – przekształca laktozę w glukozę i galaktozę
  • permeaza ß-galaktozydowa – transportuje laktozę do komórki
  • transacetylaza ß-galaktozydowa – funkcja nieznana

Badania nad tym systemem zostały znacznie wzbogacone dzięki dostępności mutantów konstytutywnych. Mutant konstytutywny to taki, w którym produkt genowy jest produkowany w sposób ciągły, czyli nie ma kontroli nad jego ekspresją. W tych mutantach powyższe białka były produkowane przez cały czas w porównaniu z typem dzikim, gdzie białka pojawiały się tylko w obecności laktozy. Tak więc w tych mutantach mutacja musi dotyczyć genu innego niż te odpowiedzialne za geny strukturalne. Razem tworzą operon.Poniżej przedstawiono strukturę genetyczną operonu.

Obwód kontrolny dla operonu lac

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
Gen operonu lac Funkcja genu

I

Gen dla białka represorowego

P

Promotor

O

Operator

lac Z

Gen dla ß-…galaktozydazy

lac Y

Gen dla permeazy ß-galaktozydu

lac A

Gen dla ß-galaktozydu transacetylazy

Operon – zespół genów strukturalnych, które ulegają ekspresji jako grupa i związany z nimi promotor i operator

Jak działa system? Bez laktozy w komórce, białko represorowe wiąże się z operatorem i zapobiega odczytywaniu przez polimerazę RNA trzech genów strukturalnych. Z laktoz± w komórce, laktoza wi±że się z represorem. Powoduje to zmianę strukturalną represora i traci on swoje powinowactwo do operatora. W ten sposób polimeraza RNA może związać się z promotorem i transkrybować geny strukturalne. W tym systemie laktoza działa jako cząsteczka efektorowa.

Cząsteczka efektorowa – cząsteczka, która oddziałuje z represorem i wpływa na powinowactwo represora do operatora

Mając powyższe informacje, możemy teraz przewidzieć wpływ, jaki różne mutacje będą miały na ekspresję genów operonu lac.

Zmutowany gen lac Fenotyp mutanta

I-

konstytutywna ekspresja, ponieważ operator nigdy nie jest zamknięty

O-.

konstytutywna ekspresja, ponieważ białko represora nie może się związać

P-.

brak ekspresji operonu, ponieważ polimeraza RNA nie może się związać

lac Z-

brak produkcji glukozy lub galaktozy z laktozy

lac Y-

brak indukcji, ponieważ laktoza nie zostanie pobrana do komórki

Catabolite Repression of the lac Operon

Laktoza nie jest preferowanym źródłem węglowodanów dla E. coli. Jeśli obecne są laktoza i glukoza, komórka wykorzysta całą glukozę, zanim włączy się operon lac. Ten rodzaj kontroli określany jest mianem represji katabolicznej. Aby zapobiec metabolizmowi laktozy, istnieje drugi poziom kontroli ekspresji genów. Promotor operonu lac ma dwa miejsca wiążące. Jedno miejsce jest miejscem wiązania polimerazy RNA. Drugie miejsce jest miejscem wiązania kompleksu pomiędzy białkiem katabolitycznego aktywatora (CAP) i cyklicznym AMP (cAMP). Wiązanie kompleksu CAP-cAMP z miejscem promotorowym jest wymagane do transkrypcji operonu lac. Obecność tego kompleksu jest ściśle związana z obecnością glukozy w komórce. Wraz ze wzrostem stężenia glukozy spada ilość cAMP. Wraz z obniżaniem się cAMP obniża się ilość kompleksu. Ten spadek kompleksu powoduje inaktywację promotora, a operon lac zostaje wyłączony. Ponieważ kompleks CAP-cAMP jest niezbędny do transkrypcji, wywiera on pozytywną kontrolę nad ekspresją operonu lac.