Het lac-operon – een induceerbaar systeem

Het eerste op moleculair niveau uitgewerkte controlesysteem voor de productie van enzymen beschreef de controle van enzymen die worden geproduceerd als reactie op de aanwezigheid van de suiker lactose in E. coli cellen. Het werk werd verricht door Jacob en Monod, die er de Nobelprijs voor ontvingen. Hieronder volgt de route die leidt tot de productie van glucose en galactose.

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

Verschillende eiwitten die betrokken zijn bij het metabolisme van lactose in de E. coli cel.Het zijn:

  • ß-galactosidase – zet lactose om in glucose en galactose
  • ß-galactoside permease – transporteert lactose in de cel
  • ß-galactoside transacetylase – functie onbekend

Onderzoek met dit systeem werd sterk uitgebreid door de beschikbaarheid van constitutieve mutanten. Een constitutieve mutant is een mutant waarin het genproduct voortdurend wordt geproduceerd, d.w.z. dat er geen controle is over de expressie ervan.In deze mutanten werden de bovengenoemde eiwitten voortdurend geproduceerd in vergelijking met het wilde type waar de eiwitten alleen verschenen in aanwezigheid van lactose.In deze mutanten moet de mutatie dus een ander gen zijn dan de genen die verantwoordelijk zijn voor de structurele genen.

Alle genen die betrokken zijn bij de controle van deze route liggen naast elkaar op het chromosoom van E. coli. Samen vormen zij een operon.De volgende is de genetische structuur van het operon.

Regelkring voor het lac Operon

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
lac Operon Gen Gen Functie

I

Gen voor repressor proteïne

P

Promotor

O

Operator

lac Z

Gen voor ß-galactosidase

lac Y

gen voor ß-galactoside permease

lac A

gen voor ß-galactoside transacetylase

Operon – een cluster van structurele genen die tot expressie komen als een groep en hun bijbehorende promotor en operator

Hoe werkt het systeem? Zonder lactose in de cel bindt het repressoreiwit zich aan de operator en verhindert het het doorlezen van RNA polymerase in de drie structurele genen. Met lactose in de cel, bindt lactose zich aan de repressor. Dit veroorzaakt een structurele verandering in de repressor en deze verliest zijn affiniteit voor de operator. RNA polymerase kan zich dan binden aan de promotor en de structurele genen transcriberen. In dit systeem fungeert lactose als een effectmolecuul.

Effectmolecuul – een molecuul dat interageert met de repressor en de affiniteit van de repressor voor de operator beïnvloedt

Met bovenstaande informatie kunnen we nu het effect voorspellen dat verschillende mutanten zullen hebben op de expressie van het lac operon gen.

Mutant lac-gen Mutant Fenotype

I-

constitutieve expressie omdat de operator nooit gesloten is

O-

constitutieve expressie omdat het repressoreiwit zich niet kan binden

P-

geen expressie van het operon omdat RNA polymerase niet kan binden

lac Z-

geen glucose of galactose productie uit lactose

lac Y-

geen inductie omdat lactose niet in de cel wordt opgenomen

Catabolite Repression of the lac Operon

Lactose is niet de koolhydraatbron bij uitstek voor E. coli. Als lactose en glucose aanwezig zijn, zal de cel alle glucose gebruiken voordat het lac-operon wordt ingeschakeld. Deze vorm van controle wordt katabolietonderdrukking genoemd. Om lactosemetabolisme te voorkomen, bestaat er een tweede niveau van controle van genexpressie. De promotor van het lac operon heeft twee bindingsplaatsen. Eén plaats is de plaats waar RNA polymerase bindt, de tweede plaats is de bindingsplaats voor een complex tussen het katabolietactivator-eiwit (CAP) en cyclisch AMP (cAMP). De binding van het CAP-cAMP-complex aan de promotor is noodzakelijk voor de transcriptie van het lac-operon. De aanwezigheid van dit complex hangt nauw samen met de aanwezigheid van glucose in de cel. Als de concentratie glucose toeneemt, neemt de hoeveelheid cAMP af. Als de cAMP afneemt, neemt de hoeveelheid complex af. Deze afname van het complex inactiveert de promotor, en het lac operon wordt uitgeschakeld. Omdat het CAP-cAMP complex nodig is voor transcriptie, oefent het complex een positieve controle uit op de expressie van het lac operon.