Operon - Operon

A nu se confunda cu Opteron sau Oberon .
Un operon tipic

În genetică , un operon este o unitate funcțională de ADN care conține un grup de gene sub controlul unui singur promotor . Genele sunt transcrise împreună într-o catenă de ARNm și fie traduse împreună în citoplasmă, fie sunt supuse unei îmbinări pentru a crea ARNm monocistronici care sunt traduși separat, adică mai multe catene de ARNm care fiecare codifică un singur produs genetic. Rezultatul este că genele conținute în operon sunt fie exprimate împreună, fie deloc. Mai multe gene trebuie co-transcrise pentru a defini un operon.

Inițial, se credea că operonii există doar în procariote (care includ organite precum plastidele care sunt derivate din bacterii ), dar de la descoperirea primilor operoni în eucariote la începutul anilor 1990, au apărut mai multe dovezi care sugerează că sunt mai frecvente decât anterior asumat. În general, expresia operonilor procarioti duce la generarea de ARNm policistronici , în timp ce operonii eucariotici duc la ARNm monocistronici.

Operonii se găsesc și în viruși precum bacteriofagii . De exemplu, fagii T7 au doi operoni. Primul operon codifică diverse produse, inclusiv o polimerază specială ARN T7 care se poate lega și transcrie al doilea operon. Al doilea operon include o genă de liză menită să provoace explozia celulei gazdă.

Istorie

Termenul „operon” a fost propus pentru prima dată într-o lucrare scurtă în Proceedings of the French Academy of Science din 1960. Din această lucrare a fost dezvoltată așa-numita teorie generală a operonului. Această teorie a sugerat că, în toate cazurile, genele dintr-un operon sunt controlate negativ de un represor care acționează la un singur operator situat înaintea primei gene. Mai târziu, s-a descoperit că genele ar putea fi reglate pozitiv și, de asemenea, reglate la pașii care urmează inițierii transcripției. Prin urmare, nu se poate vorbi despre un mecanism general de reglare, deoarece operonii diferiți au mecanisme diferite. Astăzi, operonul este pur și simplu definit ca un grup de gene transcrise într-o singură moleculă de ARNm. Cu toate acestea, dezvoltarea conceptului este considerată un eveniment important în istoria biologiei moleculare. Primul operon care a fost descris a fost operonul lac în E. coli . Premiul Nobel pentru fiziologie și medicină din 1965 a fost acordat lui François Jacob , André Michel Lwoff și Jacques Monod pentru descoperirile lor privind sinteza operonului și a virusului.

Prezentare generală

Imaginea de mai sus conține linkuri pe care se poate face clic
Structura unui operon procariot al genelor care codifică proteinele . Secvența de reglementare controlează atunci când apare expresia pentru mai multe regiuni de codificare a proteinelor (roșu). Regiunile promotor , operator și amplificator (galben) reglează transcrierea genei într-un ARNm. Regiunile netranslate de mARN (albastru) reglează translația în produsele proteice finale.

Operonii apar în primul rând în procariote, dar și în unele eucariote , inclusiv nematode precum C. elegans și musca fructelor, Drosophila melanogaster . Genele ARNr există adesea în operonii care au fost găsiți într-o serie de eucariote, inclusiv în cordate . Un operon este alcătuit din mai multe gene structurale dispuse sub un promotor comun și reglementate de un operator comun. Este definit ca un set de gene structurale adiacente, plus semnalele de reglare adiacente care afectează transcrierea genelor structurale. 5 Regulatorii unui operon dat, inclusiv represori , corepresori și activatori , nu sunt neapărat codificați de acel operon. Localizarea și starea regulatorilor, promotorului, operatorului și secvențelor structurale de ADN pot determina efectele mutațiilor comune.

Operonii sunt legați de reguloni , stimuli și moduloni ; întrucât operonii conțin un set de gene reglementate de același operator, regulonii conțin un set de gene sub reglare printr-o singură proteină reglatoare, iar stimulii conțin un set de gene sub reglare printr-un singur stimul celular. Potrivit autorilor săi, termenul „operon” este derivat din verbul „a opera”.

Ca unitate de transcriere

Un operon conține una sau mai multe gene structurale care sunt în general transcrise într-un singur ARNm policistronic (o singură moleculă de ARNm care codifică mai mult de o proteină ). Cu toate acestea, definiția unui operon nu necesită ca ARNm să fie policistronic, deși, în practică, este de obicei. În amonte de gene structurale se află o secvență promotor care oferă un site pentru ARN polimeraza pentru a se lega și a iniția transcripția. Aproape de promotor se află o secțiune de ADN numită operator .

Operoni versus grupare de gene procariote

Toate genele structurale ale unui operon sunt pornite sau oprite împreună, datorită unui singur promotor și operator în amonte față de acestea, dar uneori este nevoie de mai mult control asupra expresiei genice. Pentru a realiza acest aspect, unele gene bacteriene sunt localizate aproape împreună, dar există un promotor specific pentru fiecare dintre ele; aceasta se numește gruparea genelor . De obicei, aceste gene codifică proteine ​​care vor funcționa împreună în aceeași cale, cum ar fi o cale metabolică. Gruparea genelor ajută o celulă procariotă să producă enzime metabolice într-o ordine corectă.

Structura generală

1 : ARN polimerază, 2 : Represor, 3 : Promotor, 4 : Operator, 5 : Lactoză, 6 : lacZ, 7 : lacY, 8 : lacA. Sus : gena este în esență oprită. Nu există lactoză care să inhibe represorul, așa că represorul se leagă de operator, ceea ce împiedică ARN polimeraza să se lege de promotor și să producă lactază. Partea de jos : gena este pornită. Lactoza inhibă represorul, permițând ARN polimerazei să se lege cu promotorul și să exprime genele care sintetizează lactaza. În cele din urmă, lactaza va digera toată lactoza, până când nu există nimeni care să se lege de represor. Represorul se va lega apoi de operator, oprind fabricarea lactazei.

Un operon este alcătuit din 3 componente ADN de bază:

  • Promotor - o secvență de nucleotide care permite transcrierea unei gene . Promotorul este recunoscut de ARN polimeraza , care apoi inițiază transcrierea. În sinteza ARN, promotorii indică ce gene ar trebui utilizate pentru crearea de ARN mesager și, prin extensie, controlează ce proteine ​​produce celula.
  • Operator - un segment de ADN de care se leagă un represor . Este definit clasic în operonul lac ca un segment între promotor și genele operonului. Operatorul principal (O1) din operonul lac este situat ușor în aval de promotor; doi operatori suplimentari, O2 și O3 sunt localizați la -82 și, respectiv, +412. În cazul unui represor, proteina represoră obstrucționează fizic ARN-polimeraza de la transcrierea genelor.
  • Gene structurale - genele care sunt corregulate de operon.

Nu este întotdeauna inclus în operon, dar important în funcția sa este o genă reglatoare , o genă exprimată constant, care codifică proteinele represoare . Gena reglatoare nu trebuie să se afle în, adiacentă sau chiar lângă operon pentru a o controla.

Un inductor (moleculă mică) poate deplasa un represor (proteină) din locul operatorului (ADN), rezultând un operon neinhibat.

Alternativ, un corepressor se poate lega de represor pentru a permite legarea acestuia la locul operatorului. Un bun exemplu al acestui tip de reglare este văzut pentru operonul trp .

Regulament

Controlul unui operon este un tip de reglare a genelor care permite organismelor să regleze expresia diferitelor gene în funcție de condițiile de mediu. Reglarea operonului poate fi fie negativă, fie pozitivă prin inducție sau represiune.

Controlul negativ implică legarea unui represor la operator pentru a preveni transcrierea.

  • În operonii inductibili negativi , o proteină represoare reglatoare este legată în mod normal de operator, ceea ce împiedică transcrierea genelor de pe operon. Dacă este prezentă o moleculă de inductor , aceasta se leagă de represor și își modifică conformația, astfel încât să nu se poată lega de operator. Aceasta permite exprimarea operonului. Lac Operonul este un operon inductibile controlat negativ, în care molecula inducer este allolactose .
  • În operonii negativi represibili , transcrierea operonului are loc în mod normal. Proteinele represoare sunt produse de o genă regulatoare , dar nu sunt capabile să se lege de operator în conformația lor normală. Cu toate acestea, anumite molecule numite corepresori sunt legați de proteina represor, provocând o schimbare conformațională la locul activ. Proteina represor activă se leagă de operator și previne transcrierea. Trp operon , implicat în sinteza triptofanului (care se acționează ca corepressor), este un operon represibil controlat negativ.

Operonii pot fi, de asemenea, controlați pozitiv. Cu control pozitiv, o proteină activatoare stimulează transcripția prin legarea la ADN (de obicei la un alt loc decât operatorul).

  • În operonii inductibili pozitivi , proteinele activatoare sunt în mod normal incapabile să se lege de ADN-ul pertinent. Când un inductor este legat de proteina activatoare, acesta suferă o schimbare a conformației, astfel încât să se poată lega de ADN și să activeze transcripția.
  • În operonii represibili pozitivi , proteinele activatoare sunt în mod normal legate de segmentul de ADN pertinent. Cu toate acestea, atunci când un inhibitor este legat de activator, acesta este împiedicat să lege ADN-ul. Aceasta oprește activarea și transcrierea sistemului.

Lac Operonul

Articol principal: operon lac

Lac Operonul a modelului bacteria Escherichia coli a fost prima operonul să fie descoperite și oferă un exemplu tipic al funcției operon. Se compune din trei gene structurale adiacente , un promotor , un terminator și un operator . Lac Operonul este reglementată de mai mulți factori , inclusiv disponibilitatea glucozei și lactoză . Poate fi activat de alolactoză . Lactoza se leagă de proteina represor și o împiedică să reprime transcrierea genei. Acesta este un exemplu al modelului deprimibil (de sus: inductibil negativ). Deci este un operon inductibil negativ indus de prezența lactozei sau alolactozei.

Trp Operonul

Articol principal: operon trp

Descoperit în 1953 de Jacques Monod și colegii săi, operonul trp din E. coli a fost primul operon represibil care a fost descoperit. În timp ce operonul lac poate fi activat de o substanță chimică ( alolactoză ), operonul triptofan (Trp) este inhibat de o substanță chimică (triptofan). Acest operon conține cinci gene structurale: trp E, trp D, trp C, trp B și trp A, care codifică triptofan sintetaza . De asemenea, conține un promotor care se leagă de ARN polimeraza și un operator care blochează transcripția atunci când este legat de proteina sintetizată de gena represor (trp R) care se leagă de operator. În operonul lac, lactoza se leagă de proteina represor și o împiedică să reprime transcrierea genei, în timp ce în operonul trp, triptofanul se leagă de proteina represor și îi permite să reprime transcrierea genei. De asemenea, spre deosebire de operonul lac, operonul trp conține o peptidă lider și o secvență de atenuare care permite reglarea gradată. Acesta este un exemplu al modelului corepressible .

Prezicerea numărului și organizării operonilor

Numărul și organizarea operonilor a fost studiat cel mai critic în E. coli . Ca urmare, predicțiile pot fi făcute pe baza secvenței genomice a unui organism.

O metodă de predicție utilizează distanța intergenică dintre cadrele de citire ca predictor principal al numărului de operoni din genom. Separarea doar schimbă cadrul și garantează că citirea este eficientă. Există întinderi mai lungi în care operonii pornesc și se opresc, adesea până la 40-50 de baze.

O metodă alternativă de a prezice operonii se bazează pe găsirea grupurilor de gene în care ordinea și orientarea genelor sunt conservate în două sau mai multe genome.

Predicția operonului este chiar mai precisă dacă este luată în considerare clasa funcțională a moleculelor. Bacteriile și-au grupat cadrele de citire în unități, sechestrate de co-implicarea în complexe proteice, căi comune sau substraturi și transportoare comune. Astfel, predicția exactă ar implica toate aceste date, o sarcină dificilă într-adevăr.

Laboratorul lui Pascale Cossart a fost primul care a identificat experimental toți operonii unui microorganism, Listeria monocytogenes . 517 operoni policistronici sunt enumerați într-un studiu din 2009 care descrie modificările globale ale transcripției care apar la L. monocytogenes în condiții diferite.

Vezi si

Referințe

linkuri externe