Hvordan er Lac Operon regulert

Genuttrykk er syntesen av en polypeptidkjede av et funksjonelt protein basert på informasjonen kodet av et bestemt gen. Mengden av syntese av et bestemt protein kan reguleres ved reguleringen av genuttrykket. Differensialuttrykket av gener kan oppnås under de forskjellige trinnene i proteinsyntesen. Reguleringen av genuttrykket er imidlertid forskjellig i eukaryote og prokaryote gener. Lac operon er en klynge av gener som er ansvarlig for laktosemetabolismen av E coli. Reguleringen av uttrykket av lac operon oppnås som svar på laktose- og glukosenivåene i mediet. Reguleringen av lac operon brukes som det fremste eksempelet på prokaryotisk genregulering i innledende molekylære og cellulære biologi studier.

Nøkkelområder dekket

1. Hva er regulering av genuttrykk
      - Definisjon, regulering av genuttrykk
2. Hva er Lac Operon
     - Definisjon, struktur, funksjon av genprodukter
3. Hvordan er Lac Operon regulert
     - Lac repressor, CAP

Nøkkelbetingelser: Catabolitt Activator Protein (CAP), E. coli, Gene Expression, Glukose, Lac Operon, Lac Repressor, Lactose Metabolism

Hva er regulering av genuttrykk

Reguleringen av genuttrykk refererer til et bredt spekter av mekanismer som brukes av cellen til enten å øke eller redusere produksjonen av et bestemt genprodukt (et protein eller et RNA). Det oppnås under forskjellige trinn av proteinsyntesen som beskrevet nedenfor.

1. Replikasjonsnivå - Mutasjonene som oppstår under DNA-replikasjon kan føre til endringer i genuttrykket.
2. Transkripsjonsnivå - Transkripsjonen av et bestemt gen kan styres av repressorer og aktivatorer.
3. Post-transkripsjonell nivå - Gene uttrykk kan oppnås under post-transkripsjonelle modifikasjoner som RNA spleising.
4. Oversettelsesnivå - Oversettelsen av et mRNA-molekyl kan kontrolleres ved forskjellige prosesser som RNA-interferensvei.
5. Post-oversettelse nivå - Syntesen av et protein kan reguleres på post-translasjonell nivå ved å kontrollere de posttranslasjonelle modifikasjonene.

Reguleringen av genuttrykk i prokaryoter oppnås imidlertid hovedsakelig under initiering av transkripsjon. Det involverer aktivatorene som positivt regulerer genuttrykket og repressorene som negativt regulerer genuttrykket. Reguleringen av genuttrykket ved forskjellige trinn av proteinsyntese er vist i Figur 1.

Figur 1: Regulering av genuttrykk

Hva er Lac operon

De lac operon refererer til en klynge av gener som er ansvarlig for laktosemetabolismen av E. coli. Derav lac operon er en funksjonell enhet av E coli genom. Alle gener i lac operon styres av en enkelt promotor. Derfor blir alle gener i operonen transkribert sammen. Genproduktene er proteiner som er ansvarlige for transport av laktose til cytosol i cellen og fordøyelse av laktose til glukose. Glukose brukes i cellulær respirasjon for å produsere energi i form av ATP. De lac operon kan også være tilstede i mange andre enteriske bakterier. Strukturen til lac operon er vist i figur 2.

Figur 2: Lac operon

De lac operon består av tre gener kontrollert av en enkelt promotor. Disse gener er lacZ, lacY, og Laca. Disse gener er kodet for de tre enzymene som er involvert i laktosemetabolismen, kjent som henholdsvis beta-galaktosidase, beta-galaktosidpermease og beta-galaktosid-transacetylase. Beta-galaktosidase er involvert i nedbrytning av laktose i glukose og galaktose. Beta-galaktosidpermease er innebygd i cellemembranet, som muliggjør transport av laktose til cytosol. Beta-galaktosid-transacetylase er involvert i overføringen av en acetylgruppe fra acetyl Co-A til beta-galaktosid. Transkripsjonen av lac operon produserer et polykistronisk mRNA-molekyl som produserer alle de tre genproduktene fra et enkelt mRNA-molekyl. Generelt, den lacZ og lacY genprodukter er tilstrekkelige for laktoskatabolisme.

I tillegg til de tre gener, lac operon består av en rekke regulerende regioner som forskjellige proteiner kan binde for å kontrollere transkripsjonen. De viktigste regulatoriske sekvensene i lac operon er promotor, operatør og katabolittaktivatorprotein (CAP) bindingssted. De promoter tjener som bindingssted for RNA-polymerasen, enzymet som er ansvarlig for transkripsjon av gener. De operatør fungerer som et negativt reguleringssted som lac repressor binder. De CAP bindingssted fungerer som det positive reguleringsstedet som den felles jordbrukspolitikk binder seg til.

Hvordan er Lac Operon Regulert

Reguleringen av genuttrykket i prokaryotiske gener skjer ved hjelp av inducerbare operoner der forskjellige typer proteiner binder, enten aktivering eller undertrykkelse av transkripsjonen av operonen basert på kravene til cellen. Lac operon er en inducerbar operon. Det tillater bruk av laktose, et disakkarid, i energiproduksjonen ved å omdanne det til glukose som lett kan brukes i cellulær respirasjon, når glukosen ikke er tilgjengelig for cellen. De lac operon er regulert i "slå av" og "slå på" tilstandene basert på tilstedeværelsen av glukose i cellen. De lac repressor er ansvarlig for "av" -modus av lac operon mens CAP er ansvarlig for "slå på" modusen til lac operon.

Lac repressor

De lac repressor refererer til en laktosensor som blokkerer transkripsjonen av lac operon i nærvær av glukose. Bruken av glukose i cellulær respirasjon krever færre trinn i produksjon av energi sammenlignet med laktose. Derfor, når glukose er tilgjengelig i cellen, er det lett å bryte ned i cellulære veier for å produsere energi. I tillegg, når glukose brukes i respirasjonen, bør bruk av laktose for det tidligere formål unngås for å oppnå maksimal effektivitet av den cellulære respirasjonen. I denne situasjonen, blokkering av transkripsjonen av lac operon oppnås ved binding av lac-repressor til operatørregionen av lac operon. Generelt overlapper operatørområdet med promotorområdet. Derfor, når lac repressor binder til operatørområdet, er RNA-polymerase ikke i stand til binding til promotorområdet da det komplette promotorområdet ikke er tilgjengelig. Når glukose er lett tilgjengelig i cellen og laktose ikke er tilgjengelig, vil lac repressor binder seg tett til operatørregionen, hindrer transkripsjonen av lac operon. Reguleringen av lac operon er vist i figur 3.

Figur 3: Regulering av Lac operon

Katabolitt aktivatorprotein (CAP)

CAP-proteinet refererer til en glukose-repressor som aktiverer transkripsjonen av lac operon. Når cellen går ut av glukose og laktose er lett tilgjengelig inne i cytosol, lac repressor mister sin evne til å binde med DNA. Derfor flyter det av fra operatørområdet, slik at promotorområdet er tilgjengelig for binding til RNA-polymerase. Når laktose er tilgjengelig, blir noen av molekylene omdannet til allolactose, en liten isomer av laktose. Bindingen av allolaktosen til lac repressor forårsaker løsningen av det fra operatørområdet. Allolaktose tjener derfor som en induktor som utløser uttrykket av lac operon. Videre, lac operon anses også som en inducerbar operon.

Imidlertid er RNA-polymerase alene ikke i stand til å binde perfekt til promotorområdet. Derfor bidrar CAP til den tette binding av RNA-polymerasen til promotoren. Det binder seg til CAP-bindingsstedet oppstrøms til promotoren. Bindingen av CAP til DNA er regulert av et lite molekyl som er kjent som syklisk AMP (cAMP). CAMPet fungerer som sultesignalet laget av E. coli i fravær av glukose. Bindingen av cAMP til CAP endrer konformasjonen av CAP, noe som muliggjør binding av CAP til CAP-bindingsstedet til lac operon. Imidlertid er cAMP tilstede i cellen når glukosenivåene er svært lave inne i cellen. Derfor aktiveringen av lac operon kan bare oppnås når glukose ikke er tilgjengelig for cellen. Til slutt, aktiveringen av lac operon kan oppnås når glukose ikke er tilgjengelig og laktose er tilgjengelig inne i cellen. Når både glukose og laktose er fraværende i cellen, lac repressor forblir bindende for lac operon, forhindrer transkripsjon av operonen.

glukose	laktose	Mekanisme	Regulering
Fraværende	Nåværende	CAP knytter seg til CAP-bindingsstedet	Ekspresjon av lac operon
Nåværende	Fraværende	lac repressor binder til operatørregionen	Suppression av lac operon

Konklusjon

De lac operon er en inducerbar operon der proteiner som kreves av laktosemetabolismen er tilstede i klaser av gener. Derfor transkripsjonen av lac operon produserer et polykistronisk mRNA-molekyl som er i stand til å syntetisere flere genprodukter. De lac operon uttrykkes kun i fravær av glukose og tilstedeværelsen av laktose inne i cellen for cellulær respirasjon. De lac repressor binder til operatørregionen av lac operon når glukose er lett tilgjengelig, og laktose er utilgjengelig. CAP knytter til operatøren av lac operon, som hjelper transkripsjonen når glukose ikke er tilgjengelig, og laktose er lett tilgjengelig. Derfor blir cellen i stand til å utnytte laktose i cellulær respirasjon for å produsere energi.

Bilde Courtesy:

1. "Gene expression control" Av ArneLH - Eget arbeid (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. "Lac operon1" (Public Domain) via Commons Wikimedia
3. "Lac operon" (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia

Henvisning:

1. "Prokaryotisk Gene Regulering." Lumen / Boundless Biology, tilgjengelig her.
2. "Lac operonen." Khan Academy, Tilgjengelig her.
3. "Lac Operon: Regulering av genuttrykk i prokaryoter." Biologi, Byjus-klasser, 21. november 2017, Tilgjengelig her.