Organizacja i regulacja genów u Prokaryota

Organizacja i regulacja genów w prokariotach!

Różne geny w organizmie są przeznaczone do syntezy różnych białek, które są potrzebne w różnym czasie.

Specyficzne enzymy są potrzebne w różnym czasie w cyklu życiowym organizmu. Jednak w każdym momencie cyklu życia każda komórka zawiera ten sam zestaw genów. Konieczne jest zatem posiadanie mechanizmów, które pozwoliłyby tylko pożądanym genom funkcjonować w określonym czasie i ograniczać aktywność innych genów. Znane są różne mechanizmy regulujące ekspresję genów na różnych poziomach, w tym transkrypcję, przetwarzanie mRNA i translację.

Regulacja genów w Prokaryotes:

Szybkość ekspresji genów bakterii jest kontrolowana głównie na poziomie syntezy mRNA (transkrypcji). Regulacja może wystąpić zarówno po rozpoczęciu, jak i po zakończeniu transkrypcji mRNA.

Regulacja operonu lac w E. coli:

Jacob i Monod, dwóch francuskich mikrobiologów, na podstawie ich badań na temat E. coli zasugerowali pierwszy model regulacji genów zwany modelem operonu w 1961 r. W tej bakterii występują trzy enzymy powodujące rozkład cukru laktozy, B- galaktozydaza, permeaza i transacetylaza.

Gdy komórki E. coli są hodowane na źródle węgla innym niż laktoza, poziomy międzykomórkowe tych trzech białek są wyjątkowo niskie - być może 1/1000 poziomów osiągają, gdy laktoza jest obecna. Laktoza jest zatem uważana za induktor tych białek. Wczesne badania wykazały, że proces indukcji obejmuje syntezę de novo β-galaktozydazy, a nie aktywację niektórych wcześniej istniejących enzymów.

Jacob i Monod przedstawili model operonu wyjaśniający taką regulację genu laktozy.

Istnieją trzy genetyki strukturalne w operonie lac, które obejmują:

(i) kody lac z (3063 bp) enzymu P galaktozydazy, który jest aktywny jako tetramer i rozbija laktozę na glukozę i galaktozę, które mają być wykorzystane w komórce;

(ii) kody genu lac (800 bp) dla permeazy β galaktozy, która jest białkiem związanym z błoną i pomaga w transporcie metabolitów i

(iii) gen lac a (800 bp), który koduje transacetylazę p galaktozy, enzym, który przenosi grupę acetylową z acetylo-CoA do P galaktozydów.

W sekwencji z tymi genami i sąsiadującymi z nimi, istnieje gen operatora, który nie koduje białka, ale sprawuje kontrolę nad trzema genami strukturalnymi, umożliwiając transkrypcję mRNA dla trzech enzymów. Nazywa się to genem operatora "o".

Gen promotora znajduje się tuż przed operatorem i zapewnia miejsce wiązania dla polimerazy RNA, która przeprowadza transkrypcję. Gen operatora znajduje się pod kontrolą kolejnego segmentu DNA zwanego genem regulatorowym, który znajduje się poza genami operatora i strukturalnym.

Wydaje się, że regulator określa białko zwane represorem, które wiąże się z genem operatora i czyni go nieaktywnym. Zapobiega to przejściu enzymów związanych z promotorem do genów strukturalnych, tak więc transkrypcja nie może wystąpić. Operator, promotor i geny strukturalne razem nazywa się operonem.

Sporadycznie substancje w cytoplazmie zwane substancjami indukującymi mogą wiązać się z cząsteczkami represora. W systemie Jacoba i Monoda stwierdzono, że laktoza oddziałuje w ten sposób z represorem, wiążąc go i umożliwiając geny operatorowi "włączanie" genów strukturalnych, które następnie produkują mRNA, który determinuje syntezę enzymów katalizujących rozkład laktozy.

Podczas metabolizowania laktozy cząsteczki represora są uwalniane, co wiąże się z operatorem i kończy się transkrypcja genów strukturalnych, tj. Są one "wyłączone". Gen operatora służy zatem jako mechanizm przełączający dla całej grupy genów strukturalnych, z którymi jest związany.

Represor:

Represory wytwarzane przez geny regulatorowe są białkami, które wiążą się z odpowiednimi genami operatora i mają cztery identyczne podjednostki, które łączą się, tworząc dwa symetryczne rowki. Wydaje się, że represory należą do grupy allosterycznych białek, które zmieniają swój kształt w wyniku interakcji z określonymi cząsteczkami.

Ponieważ represor odwracalnie wiąże się zarówno z lak DNA, jak iz allolaktozą indukującą, wydaje się mieć dwa odrębne miejsca wiązania. W nieobecności induktora miejsce wiązania DNA jest aktywne, a represor wiąże się z DNA lac.

Ale gdy allolaktoza wiąże się z cząsteczką represora, miejsce wiązania DNA zmienia się w stan nieaktywny, a represor nie może już wiązać się z DNA lac. Wiązanie represora z DNA lac zapobiega transkrypcji genów lac, podczas gdy jego uwalnianie z DNA lac (po interakcji z induktorem) umożliwia ich transkrypcję.

Efekty lub Induktorzy:

Powinowactwo wiązania represora z operatorem jest regulowane przez induktor lub współrepresor, małe cząsteczki zwane także efektorami. Pozornym efektorem jest związek, który wydaje się działać jako efektor, gdy występuje w wystarczającym stężeniu.

W wielu przypadkach widoczny efektor może być zmieniony przez komórkę na inny związek, który działa jako efektor; taki efektor jest znany jako rzeczywisty efektor. Na przykład laktoza jest pozornym efektorem operonu lac w E. coli, ale rzeczywistym efektorem jest allolaktoza.

Negatywna kontrola:

W kontroli negatywnej powiązanie określonego białka (represora) z DNA operatora zapobiega transkrypcji operonu. Uważa się, że transkrypcja została uniemożliwiona ze względu na zmianę konfiguracji DNA operatora, tak że polimeraza RNA nie jest w stanie spełniać swojej funkcji.

Ponieważ regulacja działania genów w takim układzie jest osiągana przez zapobieganie transkrypcji przez represor, jest znana jako kontrola negatywna. System kontroli negatywnej jest podzielony na dwie kategorie: (i) indukowalna i (ii) represyjna.

Indukowalna kontrola ujemna:

W tym systemie produkcja enzymów rozpoczyna się tylko w obecności induktora (efektora), generalnie substratu danego szlaku metabolicznego. W przypadku braku induktora produkcja enzymów jest zablokowana, tzn. Geny operonu są represjonowane. Operon lac z E. coli jest indukowalnym operonem, a wiele innych operonów związanych z wykorzystaniem substratu wykazuje indukcję.

Represyjna kontrola negatywna:

W tym systemie operon jest normalnie funkcjonalny, tj. Ulega depresji, a enzymy są produkowane przez komórkę. Obecność współrepresora (efektora) na ogół produktu końcowego danej szlaku biosyntetycznego zatrzymuje wytwarzanie enzymu, tj. Hamuje operon.

Operony dotyczące szlaków biosyntezy np. Syntezy histydyny, tryptofanu i wielu innych aminokwasów itp. Wykazują represyjną kontrolę negatywną. Gen regulatorowy w tym systemie wytwarza nieaktywny represor, który nie jest w stanie związać się z genem operatora.

Nieaktywny represor, znany również jako aporepresser, staje się aktywnym represorem tylko wtedy, gdy wiąże się z cząsteczką efektorową. Aktywny represor przyłącza gen operatora i zapobiega transkrypcji operonu.

Kontrola pozytywna:

W pozytywnej kontroli transkrypcji, powiązanie określonego białka, określanego jako aktywator z segmentem DNA w genie promotora lub z polimerazą RNA, umożliwia transkrypcję operonu. Uważa się, że działanie promujące aktywatora wynika z jego wpływu na konfigurację DNA w regionie inicjatora transkrypcji, który staje się bardziej korzystny dla działania polimerazy RNA. Kontrola pozytywna jest również indukowalna lub represyjna.

Indukowalna kontrola pozytywna:

W tym układzie aktywator jest w stanie nieaktywnym i nie jest w stanie przyczepić się do DNA promotora. Aktywator wiąże się z promotorem dopiero po interakcji z określonym induktorem, który wytwarza aktywny aktywator. Kataboliczne wrażliwe operony E. coli, np. Enzymy wytwarzające operon do degradacji arabinozy (ara) i galaktozy (gal) dostarczają przykłady takiej kontroli.

Kontrola pozytywna podlegająca represji:

W tym układzie aktywator wiąże się z genem promotorowym umożliwiającym transkrypcję operonu. Interakcja z efektorem, korektorem, zmienia konfigurację aktywatora tak, że nie jest w stanie związać się z promotorem powodując represję operonu.