Organisation och reglering av gener i prokaryoter

Organisation och reglering av gener i prokaryoter!

Olika gener i en organism är avsedda för syntes av olika proteiner som behövs vid olika tidpunkter.

Specifika enzymer behövs vid olika tidpunkter i en organisms livscykel. Men hela tiden i livscykeln innehåller varje cell samma uppsättning gener. Det är därför nödvändigt att ha mekanismer som skulle tillåta att endast de önskade generna fungerar vid en viss tid och begränsa aktiviteten hos andra gener. En mängd olika mekanismer är nu kända vilka reglerar genuttryck vid olika nivåer inklusive transkription, behandling av mRNA och translation.

Genreglering i prokaryoter:

Expressionshastigheten för bakteriegener kontrolleras huvudsakligen vid nivån av mRNA-syntes (transkription). Reglering kan inträffa vid både initiering och avslutning av mRNA-transkription.

Reglering av lac operon i E. coli:

Jacob och Monod, två franska mikrobiologer, på grundval av sin undersökning på E. coli föreslog den första modellen för genreglering kallad operonmodellen 1961. I denna bakterie finns tre enzymer som orsakar nedbrytningen av sockerlaktos, B- galaktosidas, permeas och transacetylas.

När E. coli-celler odlas på en annan kolkälla än laktos är de intercellulära nivåerna av dessa tre proteiner extremt låga, kanske 1/1000 av de nivåer som de uppnår när laktos föreligger. Laktos sägs därför vara en inducerare av dessa proteiner. Tidiga studier visade att induktionsprocessen involverar en de novo-syntes av p-galaktosidas och inte aktiveringen av några redan existerande enzymer.

Jacob och Monod presenterade en operonmodell för att förklara sådan reglering av laktosgenen.

Det finns tre strukturgener i lac operon som innehåller följande:

(i) gen lac z (3063 bp) kodar för enzymet P galaktosidas, som är aktiv som en tetramer och bryter laktos till glukos och galaktos som skall användas i cellen;

(ii) gen lac y (800 bp) koder för pgalaktospermeas, vilket är ett membranbundet protein och hjälper till vid transport av metaboliter och

(iii) gen lac a (800 bp) som kodar för p galaktos-transacetylas, ett enzym som överför en acetylgrupp från acetyl-CoA till P-galaktosider.

I följd med dessa gener och intill dem finns det operatörgen som inte kodar för protein men övar kontroll över de tre strukturgenerna som möjliggör transkription av mRNA för de tre enzymerna att äga rum. Detta kallas som operatörsgen 'o'.

Promotorgenen ligger strax uppströms operatören och tillhandahåller bindningsstället för RNA-polymeras som utför transkription. Operatörgenen är under kontroll av ännu ett annat segment av DNA som kallas en regulatorgen som är belägen bortsett från operatören och strukturgenerna.

Regulatorn verkar ange ett protein som kallas en repressor som binder med operatörgenen och gör den inaktiv. Detta förhindrar att enzymerna bundna till promotorn från att utvecklas till strukturgenerna och så att transkription inte kan ske. Operatören, promotorn och strukturgenerna tillsammans kallas en operon.

Ibland kan ämnen i cytoplasm-kallade inducerande ämnen binda med repressormolekylerna. I Jacob och Monods system visade sig att laktos interagerar på detta sätt med repressorn, bindar den och tillåter operatörgenen att "slå på" strukturgenerna som sedan producerar mRNA som bestämmer syntesen av enzymer som katalyserar nedbrytningen av laktos.

När laktos metaboliseras frigörs repressormolekyler, vilka binder till operatören och transkriptionen av strukturgenerna upphör, dvs de är avstängda. Operatörgenen tjänar således som en växlingsmekanism för hela gruppen av strukturgener med vilka den är associerad.

Repressorn:

Repressorer som produceras av regulatorgener är proteiner som binder till respektive operatörgener och har fyra identiska subenheter som sammanfogar för att bilda två symmetriska spår. Uppenbarligen hör repressorer till gruppen av allosteriska proteiner som förändrar sin form på interaktion med specifika molekyler.

Eftersom repressorn binder reversibelt till både lac-DNA och inducerande allolaktos, verkar det ha två distinkta bindningsställen. I frånvaro av inducerare är DNA-bindningsstället aktivt och repressorn binder till lac-DNA.

Men när allolaktos binder till repressormolekylen, ändras DNA-bindningsstället till ett inaktivt tillstånd, och repressorn kan inte längre binda till lac-DNA. Bindningen av repressor till lac-DNA förhindrar transkription av lac-gener, medan dess frisättning från lac-DNA (efter dess interaktion med induceraren) tillåter deras transkription.

Effekterna eller inducerarna:

Affinitetsförmågan hos repressorbindning till operatören regleras av induceraren eller co-repressorn, små molekyler som också kallas effektorer. En uppenbar effektor är föreningen som verkar fungera som effektor när den är närvarande i en tillräcklig koncentration.

I många fall kan en skenbar effektor ändras av cellen till en annan förening som verkar som effektorn; en sådan effektor är känd som den faktiska effektorn. Laktos är till exempel den synliga effektorn av lac-operonen i E. coli, men den verkliga effektorn är allolaktos.

Negativ kontroll:

I negativ kontroll förhindrar associeringen av ett specifikt protein (repressor) med operatör-DNA transkriptionen av operonen. Transkriptionen antas vara förhindrad på grund av en förändring i konfigurationen av operatör-DNA så att RNA-polymeras inte kan utföra sin funktion.

Eftersom regleringen av genverkan i ett sådant system uppnås genom förebyggande av transkription av en repressor är det känt som negativ kontroll. Det negativa kontrollsystemet är grupperat i två kategorier, (i) inducerbara och (ii) repressibla.

Inducerbar negativ kontroll:

I detta system börjar enzymproduktionen endast i närvaro av en inducerare (effektor), i allmänhet substratet för den berörda metaboliska vägen. I frånvaro av inducerare blockeras enzymproduktionen, dvs operonernas gener är undertryckta. Lac-operonen av E. coli är en inducerbar operon, och många andra operoner som berörs av substratutnyttjande visar induktion.

Repressibel negativ kontroll:

I detta system är operonen normalt funktionell, dvs deprimerad, och de berörda enzymerna och produceras av cellen. Närvaron av en co-repressor (effektor) stoppar generellt slutprodukten av den berörda biosyntetiska vägen enzymproduktionen, det vill säga represserar operonen.

Operonerna som berörs av biosyntetiska vägar, t.ex. syntes av histidin, tryptofan och många andra aminosyror, etc. visar repressibel negativ kontroll. Regulatorgenen i detta system producerar en inaktiv repressor som inte kan binda till operatörgenen.

Den inaktiva repressorn, även känd som aporepresser, blir en aktiv repressor endast när den binder till effektormolekylen. Den aktiva repressorn fäster operatorgenen och förhindrar transkriptionen av operonen.

Positiv kontroll:

Vid positiv kontroll av transkription möjliggör association av ett specifikt protein, betecknat som aktivator till ett segment av DNA i promotorgenen eller till RNA-polymeras transkriptionen av operonen. Den promotoriska effekten av aktivatorn antas bero på dess effekt på DNA-konfiguration i transkriptionsinitiatorns område, som då blir mer fördelaktig för verkan av RNA-polymeras. Den positiva kontrollen är också antingen inducerbar eller repressibel.

Inducerbar positiv kontroll:

I detta system är aktivatorn i ett inaktivt tillstånd och kan inte fästa vid promotor-DNA. Aktivatorn binds till promotorn först efter det att den interagerar med en specifik inducer som producerar en aktiv aktivator. De kataboliska känsliga operonerna av E. coli, t.ex. de operonproducerande enzymerna för nedbrytning av arabinos (ara) och galaktos (gal), ger exempel på en sådan kontroll.

Repressibel positiv kontroll:

I detta system binder aktivatorn till promotorgenen vilket möjliggör transkription av operon. En interaktion med effektorn, en corepressor, ändrar aktivatorns konfiguration så att den inte kan binda till promotorn som orsakar repression av operon.