Das lac-Operon ist eine Gruppe von Strukturgenen, deren Funktion darin besteht, Proteine zu codieren, die am Metabolismus von Laktose beteiligt sind. Es handelt sich um Gene, die im Genom fast aller Bakterien nacheinander geordnet sind und mit besonderem Aufwand im "Modell" -Bakterium Escherichia coli untersucht wurden.
Das lac-Operon war das Modell, das Jacob und Monod 1961 verwendeten, um genetische Anordnungen in Form eines Operons vorzuschlagen. In ihrer Arbeit beschrieben diese Autoren, wie die Expression eines oder mehrerer Gene als Folge des Vorhandenseins eines Moleküls (z. B. Lactose) im Wachstumsmedium "eingeschaltet" oder "ausgeschaltet" werden kann.
Allgemeines Schema des lac-Operons. Tereseik. Abgeleitete Arbeit des G3pro-Bildes. Spanische Übersetzung von Alejandro Porto.
Bakterien, die in Wachstumsmedien wachsen, die reich an kohlenstoffhaltigen Verbindungen oder anderen Zuckern als Laktose sind, wie Glukose und Galaktose, besitzen sehr geringe Mengen der Proteine, die für die Metabolisierung von Laktose erforderlich sind.
In Abwesenheit von Lactose wird das Operon dann "ausgeschaltet", wodurch verhindert wird, dass die RNA-Polymerase das dem lac-Operon entsprechende Gensegment transkribiert. Wenn die Zelle das Vorhandensein von Laktose "wahrnimmt", wird das Operon aktiviert und diese Gene werden normal transkribiert, was als "Einschalten" des Operons bekannt ist.
Alle Gene des Operons werden in ein einzelnes Molekül Messenger-RNA übersetzt, und daher reguliert jeder Faktor, der die Transkription dieser Messenger-RNA des lac-Operons reguliert, direkt die Transkription jedes dazugehörigen Gens.
Entdeckung
Die Jacob- und Monod-Theorie entwickelte sich in einem Kontext, in dem nur sehr wenig über die Struktur der DNA bekannt war. Und es ist so, dass nur acht Jahre zuvor Watson und Crick ihren Vorschlag zur Struktur von DNA und RNA gemacht hatten, so dass Messenger-RNAs kaum bekannt waren.
Jacob und Monod hatten bereits in den 1950er Jahren gezeigt, dass der bakterielle Laktosestoffwechsel durch zwei sehr spezifische Bedingungen genetisch reguliert wird: das Vorhandensein und Fehlen von Laktose.
Beide Wissenschaftler hatten beobachtet, dass ein Protein mit ähnlichen Eigenschaften wie ein allosterisches Enzym das Vorhandensein von Lactose im Medium nachweisen konnte und dass nach dem Nachweis des Zuckers die Transkription von zwei Enzymen stimuliert wurde: einer Lactosepermease und einer Galactosidase.
Heutzutage ist bekannt, dass Permease Funktionen beim Transport von Laktose in die Zelle hat und dass Galaktosidase notwendig ist, um das Laktosemolekül in Glukose und Galaktose zu „brechen“ oder zu „schneiden“, so dass die Zelle kann dieses Disaccharid in seinen Bestandteilen ausnutzen.
Bereits in den 1960er Jahren wurde festgestellt, dass Lactosepermease und Galactosidase von zwei benachbarten genetischen Sequenzen, der Z-Region bzw. der Y-Region, codiert wurden.
Das Lac-Operon ist Teil des Genoms des Bakteriums Escherichia coli. Quelle: NIAID, über Wikimedia Commons
Schließlich stellten Jacob und Monod 1961 ein genetisches Modell vor, das aus fünf genetischen Elementen bestand:
- Ein Promoter
- Ein Betreiber und
- Gene Z, Y und A.
Alle diese Segmente werden in eine einzelne Messenger-RNA übersetzt und umfassen die wesentlichen Teile, um praktisch jedes bakterielle Operon in der Natur zu definieren.
Genetische Analyse und Experimente
Jacob, Monod und ihre Mitarbeiter führten viele Experimente mit Bakterienzellen durch, deren Mutationen die Stämme in die Lage versetzten, Laktose zu metabolisieren. Solche Stämme wurden durch den Namen des Stammes und die entsprechende Mutation, die sie besaßen, identifiziert.
Auf diese Weise konnten die Forscher identifizieren, dass Mutationen in den Genen lacZ, die für β-Galactosidase kodieren, und lacY, das für Laktosepermease kodiert, Bakterien vom Typ lac produzierten, dh Bakterien, die nicht in der Lage sind, Laktose zu metabolisieren. .
Aus der "genetischen Kartierung" unter Verwendung von Restriktionsenzymen wurde anschließend die Position der Gene in den verschiedenen Stämmen bestimmt, wodurch festgestellt werden konnte, dass die drei Gene lacZ, lacY und lacA (in dieser Reihenfolge) auf dem Bakterienchromosom in a gefunden werden Gruppe benachbarter Gene.
Die Existenz eines anderen Proteins, das als Repressorprotein bezeichnet wird und nicht unbedingt als "Teil" des Operons angesehen wird, wurde durch Mutationen in einem Gen namens lacI- aufgeklärt. Es codiert ein Protein, das an die "Operator" -Region im Operon bindet und die Transkription der Gene für β-Galactosidase und Lactosepermease verhindert.
Es wird gesagt, dass dieses Protein nicht Teil der Gene ist, aus denen das lac-Operon besteht, da sie sich tatsächlich "stromaufwärts" des letzteren befinden und in verschiedene Messenger-RNAs transkribiert werden.
Schema des Lac-Operons (Quelle: Barbarossa in der niederländischen Wikipedia über Wikimedia Commons)
Bakterienstämme, die die lacI-Mutation "konstitutiv" besitzen, exprimieren die Gene lacZ, lacY und lacA, die unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit von Lactose in der extrazellulären Umgebung auftreten.
Viele dieser Beobachtungen wurden durch Übertragung der lacI + - und lacZ + -Gene auf eine Bakterienzelle bestätigt, die die von diesen Genen codierten Proteine nicht in einem laktosefreien Medium produzierte.
Da Bakterien auf diese Weise nur in Gegenwart von Lactose das Enzym β-Galactosidase "transformierten", bestätigte das Experiment, dass das lacI-Gen für die Regulation der lac-Operon-Expression wichtig war.
Funktion
Das lac-Operon reguliert die Transkription von Genen, die Bakterien benötigen, um Laktose als Kohlenstoff- und Energiequelle zu assimilieren. Die Transkription dieser Gene erfolgt jedoch nur, wenn die Hauptenergiequelle Kohlenhydraten vom Galactosid-Typ entspricht.
In Bakterienzellen gibt es Mechanismen, die die Expression der lac-Operon-Gene regulieren, wenn sie sich in Gegenwart von Glucose oder einem anderen Zucker befinden, der leichter zu metabolisieren ist.
Die Metabolisierung dieser Zucker beinhaltet ihren Transport in das Innere der Zelle und ihren anschließenden Abbau oder ihre Verarbeitung.
Laktose wird als alternative Energiequelle für Bakterien verwendet und hilft ihnen, auch nach dem Abbau anderer Energiequellen in der Umwelt wie Glukose zu überleben.
Das lac-Operon-Modell war das erste genetische System seiner Art, das aufgeklärt wurde, und diente somit als Grundlage für die Beschreibung vieler anderer Operons im Genom verschiedener Arten von Mikroorganismen.
Mit der Untersuchung dieses Systems wurden große Fortschritte beim Verständnis der Funktionsweise der Proteine vom Typ "Repressor" erzielt, die an DNA binden. Es gab auch Fortschritte beim Verständnis allosterischer Enzyme und ihrer selektiven Wirkung beim Erkennen des einen oder anderen Substrats.
Ein weiterer wichtiger Fortschritt, der sich aus der Untersuchung des lac-Operons ergab, war die Feststellung der entscheidenden Rolle, die Messenger-RNAs bei der Übersetzung der in der DNA enthaltenen Anweisungen spielen, sowie als vorläufiger Schritt zur Proteinsynthese.
Verweise
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