Основно съдържание
Курс: Биологична библиотека > Раздел 19
Урок 1: Регулация на гените в бактериитеЛактозният оперон
Регулация на гени за използване на лактоза. lac репресор, катаболитен активаторен протеин и cAMP.
Ключови точки:
- lac оперонът на E. coli съдържа гени, участващи в метаболизма на лактозата. Той бива експресиран само когато е налична лактоза и липсва глюкоза.
- Два регулатора "включват" и "изключват" оперона в отговор на нивата на лактоза и глюкоза: lac репресора и катаболитно активаторния протеин (САР).
- lac репресорът действа като сензор за лактоза. Той обикновено блокира транскрипцията на оперона, но спира да действа като репресор, когато е налична лактоза. lac репресорът усеща лактозата индиректно, чрез изомера ѝ алолактоза.
- Катаболитно активаторния протеин (САР) действа като сензор за глюкоза. Той активира транскрипцията на оперона, но само когато нивата на глюкоза са ниски. САР усеща глюкозата индиректно, чрез молекулата "сигнал за глад" цАМФ.
Въведение
Лактоза: Това е за вечеря! Може и да не ни звучи вкусно (лактозата е главната захар в млякото и вероятно не искаш да я ядеш чиста), лактозата може да е чудесно ястие за бактериите E. coli. Но те ще поемат лактоза само когато други, по-добри захари като глюкозата са недостъпни.
С това за контекст, какво точно е lac оперонът? lac оперонът е оперон, или група гени с един общ промотор (транскрибирани като единична иРНК). Гените в оперона кодират протеини, които позволяват на бактериите да използват лактоза като източник на енергия.
Какво кара lac оперона да се включи?
Бактериите E. coli могат да разграждат лактоза, но тя не е любимото им гориво. Ако наоколо има глюкоза, те биха използвали нея. Глюкозата се разгражда в по-малко стъпки и с по-малък разход на енергия от лактозата. Но ако лактозата е единствената налична захар, бактериите E. coli с радост ще я използват като източник на енергия.
За да използват лактоза, бактериите трябва да експресират гените на lac оперона, които кодират ключови ензими за прием и металболизиране на лактоза. За да са колкото се може по-ефикасни, E. coli трябва да експресират lac оперона само когато две условия са изпълнени:
- Има налична лактоза и
- няма налична глюкоза
Как се установяват нивата на лактоза и глюкоза и как промените в нивата влияят на транскрипцията на lac оперона? Участват два регулаторни протеина:
- Единият, lac репресорът, действа като сензор за лактоза.
- Другият, катаболитно активаторният протеин (САР), действа като сензор за глюкоза.
Тези протеини се прикрепят към ДНК на lac оперона и регулират неговата транскрипция въз основа на нивата на лактоза и глюкоза. Нека разгледаме как работи това.
Структура на lac оперона
lac оперонът съдържа три гена: lacZ, lacY и lacA. Тези гени биват транскрибирани като единична иРНК под контрола на един промотор.
Гените в lac оперона специфицират протеини, които помагат на клетката да използва лактозата. lacZ кодира ензим, който разделя лактозата на монозахариди (прости единици захари), които могат да преминат гликолиза. Подобно, lacY кодира мембранно-свързан транспортер, който помага за вкарване на лактоза в клетката.
В допълнение към трите гена, lac оперонът съдържа и няколко регулаторни ДНК последователности. Това са области на ДНК, към които определени регулаторни протеини могат да се прикрепят, контролирайки транскрипцията на оперона.
- Промоторът е мястото за свързване на РНК полимеразата – ензимът, който извършва транскрипцията.
- Операторът е участък за отрицателно регулиране, свързан с lac репресорния протеин. Оперотарът се припокрива с промотора и когато lac репресорът е свързан, РНК полимеразата не може да се прикрепи към промотора и да започне транскрипция.
- САР мястото за свързване е участък за положително регулиране, където се свързва катаболитно активаторния протеин (САР). Когато САР е свързан към това място, той промотира транскрипция като помага на РНК полимеразата да се свърже с промотора.
Нека разгледаме по-отблизо lac репресора и САР и техните роли в регулацията на lac оперона.
lac репресорът
lac репресорът е протеин, който репресира (инхибира) транскрипцията на lac оперона. За целта се свързва към оператора, който частично се припокрива с промотора. Когато е свързан, lac репресорът пречи на РНК полимеразата и не ѝ позволява да транскрибира оперона.
В отсъствие на лактоза lac репресорът се свързва здраво към оператора, предотвратявайки транскрипцията от РНК полимераза. Но в присъствие на лактоза lac репресорът губи способността си да се свързва с ДНК. Той "отплава" от оператора, разчиствайки място за РНК полимеразата да транскрибира оперона.
Тази промяна в lac репресора е причинена от малката молекула алолактоза, изомер (пренаредена версия) на лактозата. Когато е налична лактоза, някои молекули ще бъдат преобразувани в алолактоза вътре в клетката. Алолактозата се свързва с lac репресора и го кара да промени формата си, така че вече да не може да се свърже с ДНК.
Алолактозата е пример за индусер, малка молекула, която задейства експресията на ген или оперон. lac оперонът се смята за индуцируем оперон, понеже обичайното му състояние е да е изключен (репресиран), но може да бъде включен при наличието на индусера алолактоза.
Катаболитно активаторен протеин (САР)
В присъствие на лактоза lac репресорът губи способността си да се свързва с ДНК. Това освобождава пътя на РНК полимеразата да се прикрепи към промотора и да транскрибира lac оперона. Това звучи като края на историята, нали?
Ами... не точно. Както се оказва, РНК полимеразата сама не се прикрепя много добре към промотора на lac оперона. Може да направи няколко транскрипта, но няма да направи много повече, освен ако не получи допълнителна помощ от катаболитно активаторния протеин (САР). САР се свързва с участък от ДНК точно преди промотора на lac оперона и помага на РНК полимеразата да се свърже с промотора, задвижвайки високи нива на транскрипция.
САР не винаги е активен (способен да се прикрепи към ДНК). Вместо това се регулира от малка молекула, наречена цикличен АМФ (цАМФ). цАМФ е "сигнал за глад", произвеждан от E. coli, когато нивата на глюкоза са ниски. цАМФ се прикрепя към САР, променяйки формата му и правейки го годен да се прикрепи към ДНК и да промотира транскрипцията. Без цАМФ САР не може да се прикрепи към ДНК и е неактивен.
САР е активен само когато нивата на глюкоза са ниски (цАМФ нивата са високи). Следователно lac оперонът може да бъде транскрибиран само при високи нива, когато липсва глюкоза. Тази стратегия гарантира, че бактериите ще включат lac оперона и ще започнат да използват лактоза само след като са оползотворили целия си предпочитан енергиен източник (глюкоза).
Тогава кога се включва lac оперонът наистина?
lac оперонът ще бъде експресиран във високи концентрации, ако са изпълнени две условия:
- Отсъствие на глюкоза: Когато не е налична глюкоза, цАМФ се прикрепя към САР, правейки САР способен да се прикрепи към ДНК. Свързаният САР помага на РНК полимеразата да се прикрепи към промотора на lac оперона.
- Наличие на лактоза: Ако е налична лактоза, lac репресорът ще бъде освободен от оператора (чрез свързването на алолактоза). Това позволява на РНК полимеразата да премине напред по ДНК и да транскрибира оперона.
Тези две събития в комбинация – свързването на активатора и освобождаването на репресора – позволяват на РНК полимеразата да се свърже здраво към промотора и да му даде чист път за траскрипция. Това води до бурна транскрипция на lac оперона и производството на ензими, необходими за използването на лактоза.
Да сглобим общата картина
Сега, когато видяхме всички движещи се части на lac оперона, нека свържем това, което научихме, за да видим как оперонът реагира на разнообразие от различни състояния (наличие или липса на глюкоза и лактоза).
- Налична е глюкоза, липсва лактоза: Не протича транскрипция на lac оперона. Причината е в това, че lac репресорът остава свързан към оператора и предотвратява транскрипция от РНК полимеразата. Също така концентрацията на цАМФ е ниска, понеже концентрацията на глюкоза е висока, тоест САР е неактивен и не може да се свърже към ДНК.
- Налична е глюкоза, налична е лактоза: Протича слаба транскрипция на lac оперона. lac репресорът бива освободен от оператора, понеже е наличен индукторът (алолактоза). цАМФ нивата обаче са ниски, понеже е налична глюкоза. Следователно САР остава неактивен и не може да се прикрепи към ДНК, така че транскрипцията протича слабо.
- Липсва глюкоза, липсва лактоза: Не протича транскрипция на lac оперона. цАМФ нивата са високи, понеже нивата на глюкоза са ниски, така че САР е активен и ще бъде свързан към ДНК. Но lac репресорът също ще е свързан към оператора (поради липсата на алолактоза), действайки като блокер за РНК полимеразата и предотвратявайки транскрипцията.
- Липсва глюкоза, налична е лактоза: Протича бурна транскрипция на lac оперона. lac репресорът е освободен от оператора, понеже индукторът (алолактоза) е наличен. цАМФ нивата са високи, понеже липсва глюкоза, така че САР е активен и свързан към ДНК. САР помага на РНК полимеразата да се прикрепи към промотора, позволявайки високи нива транскрипция.
Обобщение на отговорите на lac оперона
| Глюкоза | Лактоза | CAP се свързва | Репресорът се свързва | Ниво на транскрипция |
|---|---|---|---|---|
| + | - | - | + | Няма транскрипция |
| + | + | - | - | Слаба транскрипция |
| - | - | + | + | Няма транскрипция |
| - | + | + | - | Силна транскрипция |
Разгледай темата извън Кан Академия
Искаш да научиш повече за lac оперона? Виж тази интерактивна анимация от LabXchange.
LabXchange е безплатна, научно-образователна онлайн платформа, създадена от факултета по изкуства и науки на университета Харвард с подкрепата на фондация Amgen.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.