Termin operon wprowadzili do genetyki w 1961 r. François Jacob i Jacuqes Monod, odkrywcy mechanizmu jego regulacji. Pierwszym z odkrytych operonów był operon laktozowy bakterii Escherichia coli.

RFDvoP7mXZqXe1

Czarno‑białe zdjęcie przedstawia mężczyznę w średnim wieku ustawionego profilem do obiektywu. Ma ciemne, siwiejące włosy zaczesane do góry, łagodne rysy twarzy i delikatne zmarszczki mimiczne. Ubrany jest w białą koszulę i czarny krawat. Nachyla się nad stołem, patrzy w dół. W tle aparat telefoniczny starego typu z słuchawką.

Operon jest specyficzną, powszechną u bakterii strukturalną i funkcjonalną jednostką genomugenomgenomu bakteryjnego. Zawiera od dwóch do kilku kolejno ułożonych genów strukturygeny strukturygenów struktury kodujących enzymy jednego szlaku metabolicznego oraz, położone bezpośrednio przed genami, sekwencje operatoraoperatoroperatora i promotorapromotorpromotora kontrolujące ich aktywność transkrypcyjnątranskrypcjatranskrypcyjną.

Ekspresja operonu nadzorowana jest przez gen regulatorowygeny regulatorowegen regulatorowy, położony często w znacznym oddaleniu od kontrolowanego operonu. Koduje on cząsteczkę białka regulatorowego - represorarepresorrepresora lub aktywatoraaktywatoraktywatora - łączącego się z sekwencją operatora. Należy pamiętać, że sekwencja genów struktury operonu jest transkrybowana jako jedna cząsteczka matrycowego RNA (mRNA). W wyniku translacji dochodzi jednak do powstania wielu polipeptydów.

Podstawowy sposób kontroli ekspresji informacji genetycznej w komórkach prokariotycznych opisywany jest modelem operonuoperonoperonu. W ściśle określonym momencie w komórce bakteryjnej zostają zsyntetyzowane jedynie te produkty genów, które są niezbędne dla jej funkcjonowania. Operon to jednostka transkrypcyjnatranskrypcjatranskrypcyjna. Jest fragmentem helisy DNA, który zawiera geny leżące obok siebie i wspólnie transkrybowane oraz odcinki DNA niekodujące białek:

• promotorpromotorpromotor, czyli miejsce przyłączenia do DNA polimerazy RNA, wspólne dla wszystkich genów transkrybowanych przez polimerazę RNA;

• operatoroperatoroperator, do którego przyłącza się białko regulatorowe, które kontroluje dostęp polimerazy RNA do genów.

Przed promotorem znajduje się regulator – gen regulatorowy kodujący białko regulatorowe, które może łączyć się z operatorem i hamować transkrypcję genów struktury. Gen regulatorowy nie stanowi strukturalnej części operonu i zlokalizowany jest w oddali od kontrolowanego operonu.

Kolejną częścią operonu są geny struktury, które kodują białka będące najczęściej kolejnymi enzymami określonego szlaku metabolicznego, np. syntezy lub rozkładu jakiegoś związku.

Regulacja działania operonów może przebiegać dwojako. Wyróżniamy regulację pozytywną i negatywną.

W przebiegu regulacji pozytywnej białko regulatorowe (aktywatoraktywatoraktywator) włącza operon, umożliwiając ekspresję informacji genetycznej genów struktury.

Przy negatywnej regulacji białko regulatorowe (represorrepresorrepresor) wyłącza operon i nie następuje ekspresja genów strukturalnych.

Możemy wyróżnić dwa rodzaje operonów:

Operon laktozowy pozwala bakteriom wytwarzać enzymy w ilości adekwatnej do stężenia glukozy i laktozy w otoczeniu. Zawiera on trzy geny struktury kodujące enzymy, które umożliwiają transport laktozy do komórki i jej rozkład do cukrów prostych. Geny te zostały nazwane $lacZ$, $lacY$, $lacA$. Podstawowym źródłem energii wykorzystywanym przez bakterie jest glukoza, która jest substratem oddychania komórkowego. Aby mogła zostać nim laktoza musi ona zostać rozłożona do cukrów prostych (glukozy i galaktozy) przy udziale enzymów. Jeżeli glukoza z otoczenia zostanie zużyta, a pozostanie laktoza, komórka włączy operon, laktoza zostanie przeniesiona do jej wnętrza, a powstające enzymy rozpoczną jej hydrolizęhydrolizahydrolizę. Jeżeli w środowisku bakterii znajdzie się zarówno glukoza, jak i laktoza, to pierwsza zostanie wykorzystana glukoza (przy wyłączonym operonie laktozowym), a jako druga laktoza.

Jak wygląda działanie operonu laktozowego w przypadku braku laktozy i obecności glukozy w środowisku?
Pozostaje on wyłączony i może ulegać zarówno regulacji negatywnej, jak i pozytywnej. W tym przypadku regulacja negatywna odbywa się dzięki obecności represora. Gdy nie ma laktozy, białka represora są stale, w niewielkich stężeniach, obecne w komórce w formie aktywnej. Aktywny represor wiąże się z operatorem operonu, blokując możliwość przyłączenia polimerazy RNA do promotora (dzieje się tak dlatego, że pierwsze sekwencje operatora są ostatnimi sekwencjami promotora).
Regulacja pozytywna jest możliwa dzięki wytworzeniu nieaktywnego aktywatora. Przy wyższych stężeniach glukozy brak laktozy powoduje, że aktywator wytwarzany w formie nieaktywnej nie może połączyć się z promotorem w miejscu wiązania aktywatora. Uniemożliwia to wiązanie polimerazy RNA i transkrypcję genów warunkujących metabolizm laktozy.

Operon laktozowy zostaje włączony w obecności laktozy. Podlega także regulacji negatywnej i pozytywnej.

Regulacja negatywna operonu w obecności laktozy w podłożu, na którym żyją bakterie, następuje na skutek przekształcenia aktywnego represora w formę nieaktywną po jego połączeniu się z laktozą. Wówczas nie może on się połączyć z operatorem w operonie.
W rezultacie miejsce wiązania polimerazy zostaje odsłonięte i rozpoczyna się transkrypcja genów struktury kodujących informację o enzymach, które odpowiadają za transport i rozkład laktozy.

Regulacja pozytywna zachodzi w przypadku spadającego stężenia glukozy w komórce. Aktywowany aktywator łączy się z promotorem w miejscu wiązania aktywatora. Ułatwia to przyłączenie do operatora polimerazy RNA i rozpoczęcie ekspresji genów kodujących enzymy szlaku przekształcania laktozy. Więcej informacji o operonie laktozowym znajdziesz w materiale: Operony indukowane – operon laktozowy. 

Operon tryptofanowy, będący przykładem operonu represorowego (hamowanego), zawiera geny enzymów szlaku syntezy tryptofanu. W operonie tym występuje pięć genów struktury, o dwa więcej, niż w operonie laktozowym. Operon ten jest włączany w przypadku spadku stężenia tryptofanutryptofantryptofanu w komórce. Jeżeli w środowisku znajduje się tryptofan, to szlak jego syntezy zostaje wyłączony.

Obecny w komórce tryptofan wiąże się z nieaktywnym represorem, aktywując go. Tryptofan staje się w tym momencie korepresoremkorepresorkorepresorem. Aktywny, połączony z korepresorem represor blokuje transkrypcję genów struktury na skutek przyłączenia się do operatora. Uniemożliwia tym samym polimerazie RNA dostęp do promotora. W konsekwencji nie zachodzi ekspresja genów kodujących informację o enzymach szlaku syntezy tryptofanu.

Represor w komórce bakterii jest wytwarzany w formie nieaktywnej i taki pozostaje, gdy w komórce nie ma tryptofanu. W takiej sytuacji promotor pozostaje odsłonięty i nie utrudnia polimerazie RNA dostępu do genów struktury. Może zachodzić ich ekspresja na drodze transkrypcji, a następnie translacji. Dzięki temu powstają enzymy szlaku syntezy tryptofanu.

Słownik