Operonul lac este un grup de gene structurale a căror funcție este de cod pentru proteine implicate în metabolizarea lactozei. Sunt gene care sunt ordonate consecutiv în genomul a aproape toate bacteriile și au fost studiate cu efort special în bacteria „model” Escherichia coli.
Lac operonul a fost modelul folosit de Jacob și Monod în 1961 pentru a propune aranjamente genetice sub forma unui operon. În lucrarea lor, acești autori au descris modul în care expresia uneia sau mai multor gene ar putea fi „pornită” sau „oprită” ca urmare a prezenței unei molecule (lactoză, de exemplu) în mediul de creștere.
Schema generală a operonului lac. Tereseik. Lucrare derivată a imaginii G3pro. Traducere în spaniolă de Alejandro Porto.
Bacteriile care cresc în medii de creștere bogate în compuși carbonari sau zaharuri, altele decât lactoza, cum ar fi glucoza și galactoza, posedă cantități foarte mici de proteine necesare pentru metabolizarea lactozei.
Apoi, în absența lactozei, operonul este "oprit", împiedicând ARN polimeraza să transcrie segmentul genic corespunzător operonului lac. Când celula „sesizează” prezența lactozei, operonul este activat și aceste gene sunt transcrise în mod normal, ceea ce este cunoscut ca „pornirea” operonului.
Toate genele operonului sunt traduse într-o singură moleculă de ARN mesager și, prin urmare, orice factor care reglează transcrierea acestui ARN mesager al operonului lac va regla direct transcrierea oricărei gene care îi aparține.
Descoperire
Teoria lui Jacob și Monod s-a dezvoltat într-un context în care se știa foarte puțin despre structura ADN-ului. Și este că doar cu opt ani înainte Watson și Crick își făcuseră propunerea cu privire la structura ADN-ului și ARN-ului, astfel încât ARN-urile mesagerilor erau cu greu cunoscute.
Jacob și Monod, în anii 1950, au arătat deja că metabolismul bacterian al lactozei era reglat genetic prin două condiții foarte specifice: prezența și absența lactozei.
Ambii oameni de știință au observat că o proteină cu caracteristici similare unei enzime alosterice a fost capabilă să detecteze prezența lactozei în mediu și că, odată detectat zahărul, a fost stimulată transcrierea a două enzime: o lactază permează și o galactosidază.
În prezent, se știe că permează are funcții în transportul lactozei în celulă și că galactozidaza este necesară pentru a „rupe” sau „tăia” molecula de lactoză în glucoză și galactoză, astfel încât celula poate profita de acest dizaharid în părțile sale componente.
Până în anii 1960, se stabilise deja că lactaza permează și galactosidaza erau codificate de două secvențe genetice adiacente, respectiv regiunea Z și Y.
Lac operon este parte a genomului bacteriei Escherichia coli. Sursa: NIAID, prin Wikimedia Commons
În cele din urmă, în 1961, Jacob și Monod au prezentat un model genetic alcătuit din cinci elemente genetice:
- Un promotor
- Un operator și
- genele Z, Y și A.
Toate aceste segmente sunt traduse într-un singur ARN mesager și cuprind părțile esențiale pentru a defini practic orice operon bacterian în natură.
Analiză genetică și experimente
Jacob, Monod și colaboratorii lor au efectuat multe experimente cu celule bacteriene care au avut mutații care au făcut ca tulpinile să nu poată metaboliza lactoza. Astfel de tulpini au fost identificate prin denumirea tulpinii și mutația corespunzătoare pe care o dețineau.
În acest fel, cercetătorii au reușit să identifice acea mutație în genele lacZ, care codifică β-galactosidaza și lacY, care codifică pentru permează lactoză, a produs bacterii de tip lac, adică bacterii incapabile să metabolizeze lactoza. .
De la „cartografierea genetică” folosind enzime de restricție, a fost determinată ulterior localizarea genelor în diferitele tulpini, fapt care a permis stabilirea faptului că cele trei gene lacZ, lacY și lacA se găsesc (în ordinea respectivă) pe cromozomul bacterian într-o grup de gene adiacente.
Existența unei alte proteine, numită proteină represor, care nu este considerată neapărat ca „parte” a operonului, a fost elucidată prin mutații într-o genă numită lacI-. Codifică o proteină care se leagă de regiunea „operator” din operon și previne transcrierea genelor pentru β-galactosidaza și lactaza permează.
Se spune că această proteină nu face parte din genele care alcătuiesc operonul lac, întrucât sunt de fapt localizate „în amonte” de acestea din urmă și sunt transcrise în diferite ARN-uri mesageriale.
Schema operonului lac (Sursa: Barbarossa la Wikipedia olandeză prin Wikimedia Commons)
Tulpini bacteriene care posedă mutația lacI "în mod constitutiv" exprimă genele lacZ, lacY și lacA, care apare indiferent de prezența sau absența lactozei în mediul extracelular.
Multe dintre aceste observații au fost coroborate prin transferul genelor lacI + și lacZ + într-o celulă bacteriană care nu a produs proteinele codificate de aceste gene într-un mediu fără lactoză.
Deoarece bacteriile „transformate” în acest fel au produs doar enzima β-galactosidaza în prezența lactozei, experimentul a confirmat că gena lacI a fost importantă pentru reglarea expresiei lac operon.
Funcţie
Operonul lac reglează transcrierea genelor care sunt necesare pentru ca bacteriile să asimileze lactoza ca sursă de carbon și energie. Cu toate acestea, transcrierea acestor gene are loc numai atunci când sursa principală de energie corespunde carbohidraților de tip galactozid.
În celulele bacteriene, există mecanisme care reglează expresia genelor lac operon atunci când acestea sunt în prezența glucozei sau a oricărui alt zahăr mai ușor de metabolizat.
Metabolizarea acestor zaharuri implică transportul lor în interiorul celulei și descompunerea sau prelucrarea ulterioară a acestora.
Lactoza este utilizată ca sursă de energie alternativă pentru bacterii, ajutându-le să supraviețuiască chiar și după ce alte surse de energie din mediu, cum ar fi glucoza.
Modelul de lac operon a fost primul sistem genetic de acest gen care a fost elucidat și a servit astfel ca bază pentru descrierea multor altor operoni din genomul diferitelor tipuri de microorganisme.
Odată cu studiul acestui sistem, s-au făcut multe progrese în înțelegerea funcționării proteinelor de tip „represor” care se leagă de ADN. De asemenea, s-au înregistrat progrese în înțelegerea enzimelor alosterice și a modului în care acestea acționează selectiv atunci când recunosc un sau alt substrat.
Un alt avans important care a rezultat din studiul operonului lac a fost stabilirea rolului crucial pe care ARN-urile mesagerilor îl joacă în traducerea instrucțiunilor găsite în ADN și, de asemenea, ca un pas preliminar pentru sinteza proteinelor.
Referințe
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). O introducere în analiza genetică. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetică: de la gene la genomi (pp. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Alosterie și lac Operon. Journal of molecular biology, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Operonul lac (p. 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Simularea și analiza deterministă și stocastică a rețelelor de reacție biochimice: Exemplu de operon lactoză. În Metode în enzimologie (Vol. 487, p. 371-395). Presă academică.