bg‑azure

Operon i jego ekspresja

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
Jacques Monod.
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.

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 operatoraoperatoroperatorapromotorapromotorpromotora 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.

bg‑azure

Operon – jednostka transkrypcyjna

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.

R1PDSIRXPYX5q1
Schemat operonu prokariotycznego. Gen regulatora nie wchodzi w skład struktury operonu, lecz stanowi jego element kontrolny. Przerywana linia między genem regulatora i promotorem oznacza, że dane sekwencje są od siebie oddalone, a elementy genomu pomiędzy nimi są pominięte na potrzeby schematu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑azure

Pozytywna i negatywna regulacja działania operonów

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.

R1Qnt1zgFKCN51
Grafika przedstawia schemat włączenia operonu laktozowego – regulację pozytywną. Cząsteczka wiążąca aktywator łączy się z nieaktywną formą aktywatora, tworząc aktywną formę aktywatora. Aktywny aktywator łączy się z promotorem w miejscu wiązania aktywatora na nici DNA i ułatwia związanie polimerazy RNA i transkrypcję genów struktury. Geny struktury – warunkujące transport i rozkład laktozy, na rysunku oznaczone kolejno lacZ, lacY oraz lacA ulegają transkrypcji do mRNA. Następnie dochodzi do translacji mRNA w wyniku której powstają enzymy jeden, dwa oraz trzy.
Włączenie operonu laktozowego – regulacja pozytywna. Aktywny aktywator łączy się z promotorem i ułatwia związanie polimerazy RNA i transkrypcję genów struktury.
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o. (Na podstawie "Biologia na czasie 3. Podręcznik. Zakres rozszerzony"), licencja: CC BY-SA 3.0.

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

R1NHBU63Q5tUV1
Grafika przedstawia schemat wyłączania operonu laktozowego – przykład regulacji negatywnej. Na jego początku znajduje się DNA. Występuje w nim gen kodujący represor. Dalej znajdują się elementy promotora. Ostatnim jego elementem jest operator – miejsce wiązania represora. Nad promotorem znajduje się nieregularna bańka podpisana jako polimeraza RNA. Za promotorem znajdują się geny struktury: lacZ, lacY oraz lacA. Warunkują one transport oraz rozkład laktozy. Gen kodujący represor koduje mRNA, które aktywuje represor. Łączy się on z operatorem. Ekspresja genu kodującego represor zachodzi ciągle na niskim poziomie, więc w komórce stale jest obecna niewielka ilość represora.
Wyłączenie operonu laktozowego – regulacja negatywna. Aktywny represor pozostaje związany do operatora, przez co uniemożliwia związanie polimerazy RNA i rozpoczęcie transkrypcji genów struktury.
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o. (Na podstawie "Biologia na czasie 3. Podręcznik. Zakres rozszerzony"), licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑azure

Rodzaje operonów

Możemy wyróżnić dwa rodzaje operonów:

RTF8E738byc131
Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.
bg‑azure

Działanie operonu indukowanego na przykładzie operonu laktozowego

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.

bg‑cyan

Regulacja negatywna

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.

bg‑cyan

Regulacja pozytywna

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. 

bg‑azure

Działanie operonu represorowego na przykładzie operonu tryptofanowego

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.

1
Ważne!

Regulacja negatywna występuje zarówno w przypadku operonu laktozowego, jak i tryptofanowego. W przypadku operonu tryptofanowego represor jest wydzielany w formie nieaktywnej i dopiero obecność tryptofanu aktywuje go do wyłączenia operonu. W działaniu operonu laktozowego represor od razu jest wydzielany w formie aktywnej i wyłącza operon. Obecna w komórce laktoza, przyłączając się do represora, dezaktywuje go i operon zostaje włączony.

Słownik

aktywator
aktywator

białko przyłączające się do DNA, które wiąże się z odpowiednim miejscem operonu i indukuje lub zwiększa transkrypcję jego genów; miejsce wiązania aktywatora na operonie znajduje się przed miejscem wiązania polimerazy RNA

genom
genom

kompletny materiał genetyczny zawarty w podstawowej liczbie chromosomów osobnika

geny struktury
geny struktury

geny zawierające informację o syntezie określonych białek enzymatycznych

geny regulatorowe
geny regulatorowe

regulatory, geny kontrolujące działanie genów struktury

hydroliza
hydroliza

rozkład substancji pod wpływem wody; reakcja podwójnej wymiany zachodząca między wodą a substancją w niej rozpuszczoną, prowadząca do powstania cząsteczek nowych związków chemicznych

korepresor
korepresor

mała cząsteczka, która wiąże się z białkowym represorem bakteryjnym, zmieniając jego kształt, przez co umożliwia włączenie wyłączonego operonu

mRNA
mRNA

makrocząsteczki mRNA powstają (przy udziale polimerazy RNA) jako komplementarne kopie poszczególnych odcinków kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) odpowiadających określonym genom (transkrypcja) i zawierają tę samą co DNA informację genetyczną; w procesie translacji mRNA stanowi matrycę, na której przy udziale wielu innych czynników komórkowych aminokwasy są łączone w odpowiedniej kolejności w cząsteczkę białka (biosynteza białka) – w ten sposób informacja genetyczna zawarta w DNA zostaje „przetłumaczona” na sekwencję aminokwasów w białku

operator
operator

sekwencja DNA w operonie regulująca aktywność genów struktury, do której wiąże się białko regulatorowe (aktywator lub represor)

operon
operon

specyficzna i powszechna u bakterii strukturalna i funkcjonalna jednostka genomu, zawierająca od dwóch do kilku kolejno ułożonych genów strukturalnych kodujących enzymy jednego szlaku metabolicznego oraz, położone bezpośrednio przed genami, sekwencje operatora i promotora kontrolujące ich aktywność transkrypcyjną; termin operon wprowadzili do genetyki w 1961 roku François Jacob i Jacuqes Monod, odkrywcy mechanizmu jego regulacji

promotor
promotor

odcinek DNA zawierający sekwencje rozpoznawane przez polimerazę RNA zależną od DNA

represor
represor

białko regulacyjne wiążące się z określoną sekwencją DNA w operatorze i hamujące proces transkrypcji genów; represor uniemożliwia przyłączanie się polimerazy RNA do promotora

transkrypcja
transkrypcja

proces syntezy RNA, podczas którego na matrycy DNA syntetyzowana jest komplementarna nić RNA

tryptofan
tryptofan

aromatyczny aminokwas; należy do aminokwasów niezbędnych (które nie mogą być syntetyzowane w organizmie człowieka i muszą być dostarczane z pożywieniem)