Het lac operon is een groep structurele genen waarvan de functie is om te coderen voor eiwitten die betrokken zijn bij het metabolisme van lactose. Het zijn genen die in het genoom van bijna alle bacteriën opeenvolgend geordend zijn en met bijzondere inspanning bestudeerd zijn in de "modelbacterie" Escherichia coli.
Het lac operon was het model dat Jacob en Monod in 1961 gebruikten voor het voorstellen van genetische arrangementen in de vorm van een operon. In hun werk beschreven deze auteurs hoe de expressie van een of meer genen kan worden “aangezet” of “uitgeschakeld” als gevolg van de aanwezigheid van een molecuul (bijvoorbeeld lactose) in het groeimedium.
Algemeen schema van het lac operon. Tereseik. Afgeleid werk van G3pro-afbeelding. Spaanse vertaling door Alejandro Porto.
Bacteriën die groeien in groeimedia die rijk zijn aan koolstofhoudende verbindingen of suikers anders dan lactose, zoals glucose en galactose, bezitten zeer lage hoeveelheden van de eiwitten die nodig zijn voor de metabolisering van lactose.
Vervolgens wordt bij afwezigheid van lactose het operon "uitgeschakeld", waardoor wordt voorkomen dat het RNA-polymerase het gensegment dat overeenkomt met het lac operon transcribeert. Wanneer de cel de aanwezigheid van lactose "voelt", wordt het operon geactiveerd en worden deze genen normaal getranscribeerd, wat bekend staat als het "aanzetten" van het operon.
Alle genen van het operon worden vertaald in een enkel molecuul boodschapper-RNA en daarom zal elke factor die de transcriptie van dit boodschapper-RNA van het lac-operon reguleert, direct de transcriptie reguleren van elk gen dat erbij hoort.
Ontdekking
De Jacob en Monod-theorie ontstond in een context waarin zeer weinig bekend was over de structuur van DNA. En het is dat slechts acht jaar voordat Watson en Crick hun voorstel hadden gedaan over de structuur van DNA en RNA, zodat boodschapper-RNA's nauwelijks bekend waren.
Jacob en Monod hadden in de jaren vijftig al aangetoond dat het metabolisme van bacteriële lactose genetisch werd gereguleerd door twee zeer specifieke omstandigheden: de aan- en afwezigheid van lactose.
Beide wetenschappers hadden opgemerkt dat een eiwit met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met een allosterisch enzym de aanwezigheid van lactose in het medium kon detecteren en dat zodra de suiker werd gedetecteerd, de transcriptie van twee enzymen werd gestimuleerd: een lactosepermease en een galactosidase.
Tegenwoordig is bekend dat permease functies heeft bij het transport van lactose naar de cel en dat galactosidase nodig is om het lactosemolecuul te 'breken' of 'knippen' in glucose en galactose, zodat de cel kan profiteren van dit disaccharide in zijn samenstellende delen.
In de jaren zestig was al vastgesteld dat lactose permease en galactosidase gecodeerd werden door twee aangrenzende genetische sequenties, respectievelijk het Z-gebied en het Y-gebied.
Lac operon maakt deel uit van het genoom van de bacterie Escherichia coli. Bron: NIAID, via Wikimedia Commons
Ten slotte presenteerden Jacob en Monod in 1961 een genetisch model dat uit vijf genetische elementen bestond:
- Een promotor
- Een telefoniste en
- genen Z, Y en A.
Al deze segmenten worden vertaald in een enkel boodschapper-RNA en bevatten de essentiële onderdelen om praktisch elk bacterieel operon in de natuur te definiëren.
Genetische analyse en experimenten
Jacob, Monod en hun medewerkers voerden veel experimenten uit met bacteriële cellen die mutaties hadden waardoor de stammen lactose niet konden metaboliseren. Dergelijke stammen werden geïdentificeerd door de naam van de stam en de overeenkomstige mutatie die ze bezaten.
Op deze manier konden de onderzoekers identificeren dat mutaties in de genen lacZ, dat codeert voor β-galactosidase, en lacY, dat codeert voor lactosepermease, bacteriën van het lac-type produceerden, dat wil zeggen bacteriën die niet in staat zijn lactose te metaboliseren. .
Uit 'genetische mapping' met restrictie-enzymen werd vervolgens de locatie van de genen in de verschillende stammen bepaald, waardoor kon worden vastgesteld dat de drie genen lacZ, lacY en lacA (in die volgorde) op het bacteriële chromosoom in een groep aangrenzende genen.
Het bestaan van een ander eiwit, het repressoreiwit genaamd, dat niet noodzakelijk als "onderdeel" van het operon wordt beschouwd, werd opgehelderd door mutaties in een gen genaamd lacI-. Het codeert voor een eiwit dat bindt aan het "operator" -gebied in het operon en transcriptie van de genen voor β-galactosidase en lactose permease voorkomt.
Er wordt gezegd dat dit eiwit geen deel uitmaakt van de genen waaruit het lac operon bestaat, aangezien ze zich eigenlijk "stroomopwaarts" van de laatste bevinden en worden getranscribeerd in verschillende boodschapper-RNA's.
Schematische voorstelling van het lac operon (Bron: Barbarossa op Nederlandse Wikipedia via Wikimedia Commons)
Bacteriestammen die de lacI-mutatie bezitten, brengen "constitutief" de lacZ-, lacY- en lacA-genen tot expressie, die optreden ongeacht de aan- of afwezigheid van lactose in de extracellulaire omgeving.
Veel van deze waarnemingen werden bevestigd door de lacI + - en lacZ + -genen over te brengen naar een bacteriële cel die de eiwitten die door deze genen worden gecodeerd niet in een lactosevrij medium produceerde.
Aangezien bacteriën die op deze manier werden "getransformeerd", alleen het enzym β-galactosidase produceerden in aanwezigheid van lactose, bevestigde het experiment dat het lacI-gen belangrijk was voor de regulatie van lac-operon-expressie.
Functie
Het lac operon reguleert de transcriptie van genen die nodig zijn voor bacteriën om lactose te assimileren als een bron van koolstof en energie. De transcriptie van deze genen vindt echter alleen plaats als de belangrijkste energiebron overeenkomt met koolhydraten van het galactoside-type.
In bacteriële cellen zijn er mechanismen die de expressie van de lac-operon-genen reguleren wanneer ze in de aanwezigheid zijn van glucose of een andere suiker die gemakkelijker te metaboliseren is.
De metabolisering van deze suikers omvat hun transport naar het inwendige van de cel en hun daaropvolgende afbraak of verwerking.
Lactose wordt gebruikt als een alternatieve energiebron voor bacteriën, waardoor ze kunnen overleven, zelfs nadat andere energiebronnen in de omgeving, zoals glucose, zijn uitgeput.
Het lac operon-model was het eerste genetische systeem in zijn soort dat werd opgehelderd en diende dus als basis voor het beschrijven van vele andere operons in het genoom van verschillende soorten micro-organismen.
Met de studie van dit systeem is er veel vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de werking van de "repressor" type eiwitten die binden aan DNA. Er was ook vooruitgang in het begrip van allosterische enzymen en hoe ze selectief werken bij het herkennen van een of ander substraat.
Een andere belangrijke vooruitgang die voortkwam uit de studie van het lac operon was de vaststelling van de cruciale rol die boodschapper-RNA's spelen bij het vertalen van de instructies die in het DNA worden gevonden en ook als een voorbereidende stap naar eiwitsynthese.
Referenties
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT en Miller, JH (2005). Een inleiding tot genetische analyse. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetica: van genen tot genomen (pp. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery en de lac Operon. Journal of Molecular Biology, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Het lac operon (pp. 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., en Kazanci, C. (2011). Deterministische en stochastische simulatie en analyse van biochemische reactienetwerken: het lactose operon voorbeeld. In Methods in enzymology (Vol. 487, pp. 371-395). Academische pers.