Organisasjon og regulering av gener i prokaryoter

Organisasjon og regulering av gener i prokaryoter!

Ulike gener i en organisme er ment for syntese av forskjellige proteiner som trengs på forskjellige tidspunkter.

Spesifikke enzymer trengs på forskjellige tidspunkter i livscyklusen til en organisme. Men til enhver tid i livssyklusen inneholder hver celle samme sett av gener. Det er derfor nødvendig å ha mekanismer som bare tillater de ønskede gener å fungere på et bestemt tidspunkt og begrense aktiviteten til andre gener. En rekke mekanismer er nå kjent som regulerer genuttrykk på forskjellige nivåer, inkludert transkripsjon, behandling av mRNA og oversettelse.

Gene regulering i prokaryoter:

Ekspressjonshastigheten for bakterielle gener styres hovedsakelig på nivået av mRNA-syntese (transkripsjon). Regulering kan forekomme ved både initiering og avslutning av mRNA transkripsjon.

Regulering av lac operon i E. coli:

Jacob og Monod, to franske mikrobiologer, på grunnlag av deres undersøkelse på E.coli, foreslo den første modellen for genregulering kalt operonmodellen i 1961. I denne bakterien er det tre enzymer som forårsaker nedbrytning av sukkerlaktosen, B- galaktosidase, permease og transacetylase.

Når E. coli-celler dyrkes på en annen karbonkilde enn laktose, er de intercellulære nivåene av disse tre proteinene ekstremt lave, kanskje 1/1000 av nivåene de oppnår når laktose er tilstede. Laktose er derfor sies å være en induktor av disse proteinene. Tidlige studier fastslår at induksjonsprosessen innebærer en de novo-syntese av β-galaktosidase og ikke aktiveringen av noen eksisterende enzymer.

Jacob og Monod utgir en operonmodell for å forklare slik regulering av laktosegen.

Det er tre strukturelle gener i lac operon som inkluderer følgende:

(i) gen lac z (3063 bp) koder for enzymet P galaktosidase, som er aktiv som en tetramer og bryter laktose til glukose og galaktose som skal utnyttes i cellen;

(ii) gen lac y (800 bp) koder for β-galaktosepermease, som er et membranbundet protein og hjelper til med transport av metabolitter og

(iii) gen lac a (800 bp) som koder for p galaktosetransacetylase, et enzym som overfører en acetylgruppe fra acetyl-CoA til P-galaktosider.

I rekkefølge med disse gener og ved siden av dem er det operasjonsgen som ikke koder for protein, men utøver kontroll over de tre strukturgener som tillater transkripsjon av mRNA for de tre enzymene å finne sted. Dette kalles som operatørgen 'o'.

Promotorgenet ligger like oppstrøms for operatøren og gir bindingsstedet for RNA-polymerase som utfører transkripsjon. Operatorgenet er under kontroll av enda et annet segment av DNA kalt et regulatorgen som ligger bortsett fra operatør- og strukturgenene.

Regulatoren ser ut til å spesifisere et protein som kalles en repressor som binder med operatørgenet og gjør det inaktivt. Dette forhindrer at enzymer bundet til promotoren fra å gå videre til strukturgenene, og slik at transkripsjon ikke kan forekomme. Operatøren, promotoren og strukturgenene sammen kalles en operon.

Av og til kan stoffer i cytoplasma-kalt inducerende stoffer binde seg til repressormolekylene. I Jacob og Monods system ble det funnet at laktose interagerer på denne måte med repressoren, binder den og lar operatørgenet "slå på" strukturgenene som deretter produserer mRNA som bestemmer syntesen av enzymer som katalyserer nedbrytningen av laktose.

Da laktosen metaboliseres frigjøres repressormolekyler, som binder til operatøren og transkripsjon av strukturgenene opphører, dvs. de er slått av. Operasjonsgenet tjener således som en brytermekanisme for hele gruppen av strukturgener som den er assosiert med.

Repressoren:

Repressorer produsert av regulatorgener er proteiner som binder til de respektive operasjonsgener og har fire identiske underenheter som sammenføyer for å danne to symmetriske spor. Tilsynelatende tilhører repressorer gruppen av allosteriske proteiner som forandrer sin form på interaksjon med bestemte molekyler.

Siden repressoren binder reversibelt til både lac-DNA og induktorallolaktosen, ser det ut til å ha to forskjellige bindingssteder. I fravær av induktor er DNA-bindingsstedet aktivt og repressoren binder til lac-DNA.

Men når allolaktose binder til repressormolekylet, blir DNA-bindingsstedet endret til en inaktiv tilstand, og repressoren kan ikke lenger binde seg til lac-DNA. Binding av repressor til lac-DNA forhindrer transkripsjon av lac-gener, mens frigivelsen fra lac-DNA'et (etter samspillet med induktoren) tillater transkripsjonen.

Effektorer eller induktorer:

Affiniteten til repressor bindende til operatøren er regulert av induktor eller co-repressor, små molekyler også kalt effektorer. En tilsynelatende effektor er forbindelsen som ser ut til å virke som effektor når den er tilstede i en tilstrekkelig konsentrasjon.

I mange tilfeller kan en tilsynelatende effektor bli forandret av cellen til en annen forbindelse som virker som effektoren; En slik effektor er kjent som den faktiske effektoren. Laktose er for eksempel den tilsynelatende effektoren av lac operonen i E. coli, men den faktiske effektoren er allolaktose.

Negativ kontroll:

I negativ kontroll forhindrer assosiasjonen av et spesifikt protein (repressor) med operatør-DNA transkripsjonen av operonen. Transkripsjonen antas å bli forhindret på grunn av en endring i konfigurasjonen av operatør-DNA, slik at RNA-polymerase ikke klarer å utføre sin funksjon.

Siden reguleringen av genvirkning i et slikt system oppnås ved å forhindre transkripsjon av en repressor, er det kjent som negativ kontroll. Det negative kontrollsystemet er gruppert i to kategorier, (i) inducerbare og (ii) repressible.

Induktiv negativ kontroll:

I dette systemet begynner enzymproduksjon bare i nærvær av en induktor (effektor), generelt substratet til den aktuelle metabolske vei. I fravær av inducer er enzymproduksjon blokkert, dvs. genene av operonen blir undertrykt. Lac operon av E. coli er en inducerbar operon, og mange andre operoner som er opptatt av substratutnyttelse, viser induksjon.

Trykkbar negativ kontroll:

I dette systemet er operonen normalt funksjonell, dvs. deprimert, og de berørte enzymer og produsert av cellen. Tilstedeværelsen av en co-repressor (effektor) stopper vanligvis sluttproduktet av den berørte biosyntetiske banen enzymproduksjonen, dvs. undertrykker operonen.

Operonene som er opptatt av biosyntetiske veier, f.eks. Syntese av histidin, tryptofan og mange andre aminosyrer, etc., viser repressibel negativ kontroll. Regulatorgenet i dette systemet produserer en inaktiv repressor som ikke er i stand til å binde til operatorgenet.

Den inaktive repressoren, også kjent som aporepresser, blir en aktiv repressor bare når den binder til effektormolekylet. Den aktive repressoren fester operasjonsgenet og forhindrer transkripsjon av operonen.

Positiv kontroll:

Ved positiv kontroll av transkripsjon muliggjør assosiasjon av et spesifikt protein, betegnet som aktivator til et segment av DNA i promotorgenet eller til RNA-polymerase transkripsjonen av operonen. Den promotoriske effekten av aktivatoren antas å skyldes dens virkning på DNA-konfigurasjon i transkripsjonsinitiatorområdet, som da blir mer gunstig for virkningen av RNA-polymerase. Den positive kontrollen er også enten inducerbar eller repressibel.

Induktiv positiv kontroll:

I dette systemet er aktivatoren i en inaktiv tilstand og kan ikke feste til promotor-DNA. Aktivatoren binder seg til promotoren først etter at den har interaksjon med en bestemt induktor som produserer en aktiv aktivator. De katabolske sensitive operonene av E. coli, for eksempel de operonproduserende enzymer for nedbrytning av arabinose (ara) og galaktose (gal), gir eksempler på en slik kontroll.

Repressibel positiv kontroll:

I dette systemet binder aktivatoren til promotorgenet som tillater transkripsjon av operon. En interaksjon med effektoren, en corepressor, endrer konfigurasjonen av aktivatoren slik at den ikke er i stand til å binde seg til promotoren som forårsaker undertrykkelse av operonen.