Lac-operonet – ett inducerbart system

Det första kontrollsystemet för enzymproduktion som utarbetades på molekylär nivå beskrev kontrollen av enzymer som produceras som svar på förekomsten av sockret laktos i E. coli-cellen. Arbetet utfördes av Jacob och Monod och de tilldelades Nobelpriset för detta. Följande är den väg som leder till produktion av glukos och galaktos.

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

Flera proteiner som är involverade i laktosmetabolismen i E. coli-cellen.De är:

  • ß-galaktosidas – omvandlar laktos till glukos och galaktos
  • ß-galaktosidpermeas – transporterar laktos in i cellen
  • ß-galaktosidtransacetylas – funktion okänd

Forskningen med detta system har i hög grad förbättrats tack vare tillgången till konstitutiva mutanter. En konstitutiv mutant är en mutant där genprodukten produceras kontinuerligt, det vill säga att det inte finns någon kontroll över dess uttryck.I dessa mutanter producerades ovanstående proteiner hela tiden jämfört med vildtypen där proteinerna endast uppträdde i närvaro av laktos.Så i dessa mutanter måste mutationen vara en annan gen än de som är ansvariga för de strukturella generna.

Alla gener som är involverade i att styra denna väg är belägna bredvid varandra på E. coli-kromosomen. Tillsammans bildar de en operon.Följande är operons genetiska struktur.

Kontrollkrets för lac-operonet

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

I

Gen för repressorprotein.

P

Promotor

O

Operatör

lac Z

Gen för ß-galaktosidas

lac Y

Gen för ß-galaktosidpermeas

lac A

Gen för ß-galaktosidtransacetylas

Operon – ett kluster av strukturella gener som uttrycks som en grupp och deras tillhörande promotor och operatör

Hur fungerar systemet? Utan laktos i cellen binder repressorproteinet till operatören och förhindrar att RNA-polymeras läses in i de tre strukturella generna. Med laktos i cellen binder laktos till den repressiva proteinet. Detta orsakar en strukturell förändring i repressorn och den förlorar sin affinitet för operatören. RNA-polymeras kan då binda till promotorn och transkribera de strukturella generna. I detta system fungerar laktos som en effektormolekyl.

Effektormolekyl – en molekyl som interagerar med repressorn och påverkar repressorns affinitet för operatören

Med ovanstående information kan vi nu förutsäga vilken effekt olika mutanter kommer att ha på genuttrycket av lac operon.

Mutant lac-gen Mutantfenotyp

I-

konstitutivt uttryck eftersom operatören aldrig är stängd

O-

konstitutivt uttryck eftersom repressorproteinet inte kan binda

P-

inget uttryck av operonet eftersom RNA-polymeras inte kan binda

lac Z-

ingen glukos- eller galaktosproduktion från laktos

lac Y-

ingen induktion eftersom laktos inte tas in i cellen

Catabolite Repression of the lac Operon

Laktos är inte den föredragna kolhydratkällan för E. coli. Om laktosoch glukos är närvarande kommer cellen att använda all glukos innan lac-operonet aktiveras. Denna typ av kontroll kallas katabolitrepression. För att förhindra laktosmetabolism finns en andra nivå av kontroll av genuttryck. Promotorn för lac-operonet har två bindningsställen. Den ena platsen är den plats där RNA-polymeras binder sig. Den andra platsen är bindningsstället för ett komplex mellan katabolitaktivatorproteinet (CAP) och cykliskt AMP (cAMP). Bindningen av CAP-cAMP-komplexet till promotorplatsen krävs för transkription av lac-operonet. Närvaron av detta komplex är nära förknippad med närvaron av glukos i cellen. När koncentrationen av glukos ökar minskar mängden cAMP. När cAMP minskar, minskar mängden komplex. Denna minskning av komplexet inaktiverar promotorn och lac-operonet stängs av. Eftersom CAP-cAMP-komplexet behövs för transkriptionen utövar komplexet en positiv kontroll över uttrycket av lac-operonet.