Organisation og regulering af gener i prokaryoter

Organisation og regulering af gener i prokaryoter!

Forskellige gener i en organisme er beregnet til syntese af forskellige proteiner, som er nødvendige på forskellige tidspunkter.

Specifikke enzymer er nødvendige på forskellige tidspunkter i en organisations livscyklus. På alle tidspunkter i livscyklusen indeholder hver celle imidlertid samme sæt gener. Det er derfor nødvendigt at have mekanismer, der kun tillader de ønskede gener at fungere på et bestemt tidspunkt og begrænse aktiviteten af ​​andre gener. En række mekanismer er nu kendt, som regulerer genekspression på forskellige niveauer, herunder transkription, behandling af mRNA og translation.

Genregulering i prokaryoter:

Ekspressionshastigheden af ​​bakteriegener kontrolleres hovedsageligt på niveauet af mRNA-syntese (transkription). Regulering kan forekomme ved både initiering og terminering af mRNA-transkription.

Regulering af lac operon i E. coli:

Jacob og Monod, to franske mikrobiologer, på grundlag af deres undersøgelse på E.coli foreslog den første model for genregulering kaldet operonmodellen i 1961. I denne bakterie er der tre enzymer, der forårsager nedbrydning af sukkerlactosen, B- galactosidase, permease og transacetylase.

Når E. coli-celler dyrkes på en anden carbonkilde end lactose, er de intercellulære niveauer af disse tre proteiner ekstremt lave, måske 1/1000 af de niveauer, de opnår, når lactose er til stede. Lactose siges derfor at være en inducer for disse proteiner. Tidlige undersøgelser viste, at induktionsprocessen indebærer en de novo-syntese af β-galactosidase og ikke aktiveringen af ​​nogle eksisterende enzymer.

Jacob og Monod fremlagde en operonmodel for at forklare sådan regulering af lactosegen.

Der er tre strukturgener i lac operon, som omfatter følgende:

(i) gen lac z (3063 bp) koder for enzymet P galactosidase, som er aktiv som tetramer og bryder lactose i glucose og galactose, der skal anvendes i cellen;

(ii) gen lac y (800 bp) koder for β-galactosepermease, som er et membranbundet protein og hjælper med transport af metabolitter og

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

I rækkefølge med disse gener og ved siden af ​​dem er der operatorgen, som ikke koder for protein, men udøver kontrol over de tre strukturgener, der tillader transkription af mRNA for de tre enzymer at finde sted. Dette kaldes som operatørgen 'o'.

Promotorgenet er placeret lige opstrøms for operatøren og tilvejebringer bindingsstedet for RNA-polymerase, som udfører transkription. Operationsgenet er under kontrol af endnu et andet segment af DNA kaldet et regulatorgen, der er placeret bortset fra operatør- og strukturgener.

Regulatoren synes at angive et protein kaldet en repressor, der binder med operatørgenet og gør det inaktivt. Dette forhindrer de enzymer, der er bundet til promotoren, fra at udvikle sig til strukturgenerne og således kan transskription ikke forekomme. Operatør-, promotor- og strukturgener sammen kaldes en operon.

Af og til kan stoffer i cytoplasma-kaldet inducerende stoffer binde sig til repressormolekylerne. I Jacob og Monodes system blev det konstateret, at lactose interagerer på denne måde med repressoren, binder den og tillader operatørgenet at "tænde" strukturgener, der dernæst frembringer mRNA, som bestemmer syntesen af ​​enzymer, der katalyserer nedbrydning af lactose.

Da lactosen metaboliseres frigives repressormolekyler, som binder til operatøren, og transkriptionen af ​​strukturgener ophører, dvs. de er slukket. Operatørgenet tjener således som en omskiftermekanisme for hele gruppen af ​​strukturgener, med hvilke den er associeret.

Repressoren:

Repressorer produceret af regulatorgener er proteiner, som binder til de respektive operatørgener og har fire identiske underenheder, der forbinder for at danne to symmetriske riller. Tilsyneladende tilhører repressorer gruppen af ​​allosteriske proteiner, der ændrer deres form på interaktion med specifikke molekyler.

Da repressoren binder reversibelt til både lac-DNA og inducer-allolactosen, synes det at have to forskellige bindingssteder. I fravær af inducer er DNA-bindingsstedet aktivt, og repressoren binder til lac-DNA'et.

Men når allolactose binder til repressormolekylet, ændres DNA-bindingsstedet til en inaktiv tilstand, og repressoren kan ikke længere binde til lac-DNA. Binding af repressor til lac-DNA forhindrer transkriptionen af ​​lac-gener, mens dets frigivelse fra lac-DNA'et (efter dets interaktion med inducereren) tillader deres transkription.

Effektorerne eller induktorerne:

Affiniteten af ​​repressorbinding til operatøren er reguleret af inducer eller co-repressor, små molekyler også kaldet effektorer. En tilsyneladende effektor er forbindelsen, som synes at virke som effektor, når den er til stede i en tilstrækkelig koncentration.

I mange tilfælde kan en tilsyneladende effektor ændres af cellen til en anden forbindelse, der virker som effektoren; En sådan effektor er kendt som den faktiske effektor. Lactose er for eksempel den tilsyneladende effektor af lac operonen i E. coli, men den faktiske effektor er allolactose.

Negativ kontrol:

I negativ kontrol forhindrer associeringen af ​​et specifikt protein (repressor) med operatoren DNA transkriptionen af ​​operonen. Transkriptionen menes at være forhindret på grund af en ændring i konfigurationen af ​​operatør-DNA'et, således at RNA-polymerase ikke er i stand til at udføre sin funktion.

Da reguleringen af ​​genaktivitet i et sådant system opnås ved forebyggelse af transkription af en repressor, er det kendt som negativ kontrol. Det negative kontrolsystem er grupperet i to kategorier, (i) inducerbare og (ii) repressible.

Inducerbar negativ kontrol:

I dette system begynder enzymproduktion kun i nærvær af en inducer (effektor), generelt substratet af den pågældende metaboliske vej. I fravær af inducer er enzymproduktion blokeret, dvs. operonens gener undertrykkes. Lac-operonen af ​​E. coli er en inducerbar operon, og mange andre operoner, der er berørt af substratudnyttelse, viser induktion.

Repressibel Negativ Kontrol:

I dette system er operonen normalt funktionel, dvs. deprimeret, og de pågældende enzymer og produceres af cellen. Tilstedeværelsen af ​​en co-repressor (effektor) stopper generelt slutproduktet af den pågældende biosyntetiske vej enzymproduktionen, dvs. undertrykker operonen.

Operonerne, der beskæftiger sig med biosyntetiske veje, f.eks. Syntese af histidin, tryptophan og mange andre aminosyrer osv., Viser repressibel negativ kontrol. Regulatorgenet i dette system producerer en inaktiv repressor, som ikke er i stand til at binde til operatørgenet.

Den inaktive repressor, også kendt som aporepresser, bliver kun en aktiv repressor, når den binder til effektormolekylet. Den aktive repressor fäster operatørgenet og forhindrer transkriptionen af ​​operonen.

Positiv kontrol:

Ved positiv kontrol af transkription muliggør association af et specifikt protein, betegnet som aktivator til et segment af DNA i promotorgenet eller til RNA-polymerase, transkriptionen af ​​operonen. Den promotoriske virkning af aktivatoren antages at skyldes dens virkning på DNA-konfiguration i transkriptionsinitiatorregionen, som derefter bliver mere gunstig for virkningen af ​​RNA-polymerase. Den positive kontrol er også enten inducerbar eller undertrykelig.

Inducerbar positiv kontrol:

I dette system er aktivatoren i inaktiv tilstand og kan ikke vedhæfte til promotor-DNA'et. Aktivatoren binder kun til promotoren, efter at den interagerer med en bestemt inducer, der producerer en aktiv aktivator. De kataboliske følsomme operoner af E. coli fx de operonproducerende enzymer til nedbrydning af arabinose (ara) og galactose (gal) giver eksempler på en sådan kontrol.

Repressibel positiv kontrol:

I dette system binder aktivatoren til promotorgenet, der tillader transcription af operon. En interaktion med effektoren, en corepressor, ændrer aktivatorens konfiguration, så den ikke er i stand til at binde til promotoren, der forårsager en undertrykkelse af operonen.