operon ครั่งเป็นกลุ่มของยีนที่มีโครงสร้างที่มีฟังก์ชั่นคือการสำหรับโปรตีนมีส่วนร่วมในการเผาผลาญของแลคโตส เป็นยีนที่เรียงลำดับตามลำดับในจีโนมของแบคทีเรียเกือบทั้งหมดและได้รับการศึกษาด้วยความพยายามพิเศษในแบคทีเรีย "แบบจำลอง" Escherichia coli
lac operon เป็นแบบจำลองที่ Jacob และ Monod ใช้ในปีพ. ศ. ในงานของพวกเขาผู้เขียนเหล่านี้อธิบายว่าการแสดงออกของยีนอย่างน้อยหนึ่งยีนสามารถ "เปิด" หรือ "ปิด" ได้อย่างไรอันเป็นผลมาจากการมีอยู่ของโมเลกุล (เช่นแลคโตส) ในตัวกลางการเจริญเติบโต
รูปแบบทั่วไปของ lac operon Tereseik งานอนุพันธ์ของภาพ G3pro แปลภาษาสเปนโดย Alejandro Porto
แบคทีเรียที่เติบโตในสื่อการเจริญเติบโตที่อุดมไปด้วยสารประกอบคาร์บอนาเซียสหรือน้ำตาลอื่น ๆ ที่ไม่ใช่แลคโตสเช่นกลูโคสและกาแลคโตสมีโปรตีนในปริมาณที่ต่ำมากที่จำเป็นสำหรับการเผาผลาญแลคโตส
จากนั้นในกรณีที่ไม่มีแลคโตส operon จะถูก "ปิด" เพื่อป้องกันไม่ให้ RNA polymerase ถ่ายทอดส่วนของยีนที่ตรงกับ lac operon เมื่อเซลล์ "รับรู้" การมีอยู่ของแลคโตสโอเพรอนจะทำงานและยีนเหล่านี้จะถูกถ่ายทอดตามปกติซึ่งเรียกว่า "เปิด" โอเพรอน
ยีนทั้งหมดของ operon ถูกแปลเป็นโมเลกุลเดี่ยวของ messenger RNA ดังนั้นปัจจัยใด ๆ ที่ควบคุมการถอดความ RNA ของผู้ส่งสารนี้ของ lac operon จะควบคุมการถอดความของยีนที่เป็นของมันโดยตรง
การค้นพบ
ทฤษฎี Jacob และ Monod พัฒนาขึ้นในบริบทที่ไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA และเป็นเพียงแปดปีก่อนที่วัตสันและคริกได้ทำข้อเสนอเกี่ยวกับโครงสร้างของดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอจนแทบไม่เป็นที่รู้จักของผู้ส่งสารอาร์เอ็นเอ
Jacob และ Monod ในปี 1950 ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าการเผาผลาญแลคโตสของแบคทีเรียได้รับการควบคุมทางพันธุกรรมโดยเงื่อนไขที่เฉพาะเจาะจงสองประการ ได้แก่ การมีและไม่มีแลคโตส
นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้สังเกตเห็นว่าโปรตีนที่มีลักษณะคล้ายกับเอนไซม์อัลโลสเตอริกสามารถตรวจจับการมีอยู่ของแลคโตสในอาหารได้และเมื่อตรวจพบน้ำตาลแล้วการถอดความของเอนไซม์สองชนิดจะถูกกระตุ้น: แลคโตสเพอร์มีเอสและกาแลกโตซิเดส
ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าสารเพอร์มีเอสมีหน้าที่ในการลำเลียงแลคโตสเข้าสู่เซลล์และกาแลคโตซิเดสมีความจำเป็นในการ "ทำลาย" หรือ "ตัด" โมเลกุลของแลคโตสให้เป็นน้ำตาลกลูโคสและกาแลกโตสเพื่อให้เซลล์ สามารถใช้ประโยชน์จากไดแซคคาไรด์นี้ในส่วนที่เป็นส่วนประกอบ
ในช่วงทศวรรษที่ 1960 ได้มีการพิจารณาแล้วว่าแลคโตสเพอร์มีเอสและกาแลคโตซิเดสถูกเข้ารหัสโดยลำดับพันธุกรรมสองลำดับที่อยู่ติดกันคือภูมิภาค Z และภูมิภาค Y ตามลำดับ
Lac operon เป็นส่วนหนึ่งของจีโนมของแบคทีเรีย Escherichia coli ที่มา: NIAID ผ่าน Wikimedia Commons
ในที่สุดในปีพ. ศ. 2504 เจคอบและโมโนก็นำเสนอแบบจำลองทางพันธุกรรมซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบทางพันธุกรรม 5 ประการ:
- ผู้ก่อการ
- ตัวดำเนินการและ
- ยีน Z, Y และ A.
ส่วนทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการแปลเป็น RNA ผู้ส่งสารเดี่ยวและประกอบด้วยส่วนสำคัญในการกำหนด operon ของแบคทีเรียในธรรมชาติ
การวิเคราะห์และทดลองทางพันธุกรรม
Jacob, Monod และผู้ทำงานร่วมกันได้ทำการทดลองหลายครั้งกับเซลล์แบคทีเรียที่มีการกลายพันธุ์ซึ่งทำให้สายพันธุ์ไม่สามารถเผาผลาญแลคโตสได้ สายพันธุ์ดังกล่าวถูกระบุโดยชื่อของสายพันธุ์และการกลายพันธุ์ที่สอดคล้องกันที่พวกมันมี
ด้วยวิธีนี้นักวิจัยจึงสามารถระบุได้ว่าการกลายพันธุ์ในยีน lacZ ซึ่งเป็นรหัสของβ-galactosidase และ lacY ซึ่งเป็นรหัสของแลคโตสเพอร์มีเอสทำให้เกิดแบคทีเรียประเภทแลคนั่นคือแบคทีเรียไม่สามารถเผาผลาญแลคโตสได้ .
จาก "การทำแผนที่ทางพันธุกรรม" โดยใช้เอนไซม์ จำกัด ตำแหน่งของยีนในสายพันธุ์ที่แตกต่างกันได้ถูกกำหนดในเวลาต่อมาข้อเท็จจริงที่อนุญาตให้ระบุว่าพบยีน lacZ, lacY และ lacA ทั้งสาม (ตามลำดับ) บนโครโมโซมของแบคทีเรียใน กลุ่มยีนที่อยู่ติดกัน
การมีอยู่ของโปรตีนชนิดอื่นที่เรียกว่าโปรตีนรีเพรสเซอร์ซึ่งไม่จำเป็นต้องถูกพิจารณาว่าเป็น "ส่วนหนึ่ง" ของโอเพรอนถูกอธิบายโดยการกลายพันธุ์ของยีนที่เรียกว่า lacI- รหัสสำหรับโปรตีนที่จับกับบริเวณ "ตัวดำเนินการ" ในโอเพรอนและป้องกันการถอดรหัสยีนสำหรับβ-galactosidase และ lactose permease
ว่ากันว่าโปรตีนนี้ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของยีนที่ประกอบเป็นแลคโอเพรอนเนื่องจากแท้จริงแล้วพวกมันอยู่ "ต้นน้ำ" ของส่วนหลังและถูกถ่ายทอดเป็นอาร์เอ็นเอของสารที่แตกต่างกัน
แผนผังของ lac operon (ที่มา: Barbarossa ที่ Dutch Wikipedia ผ่าน Wikimedia Commons)
สายพันธุ์ของแบคทีเรียที่มีการกลายพันธุ์ของ lacI- "โดยกำเนิด" แสดงออกถึงยีน lacZ, lacY และ lacA ซึ่งเกิดขึ้นไม่ว่าจะมีหรือไม่มีแลคโตสในสภาพแวดล้อมนอกเซลล์
ข้อสังเกตเหล่านี้จำนวนมากได้รับการยืนยันโดยการถ่ายโอนยีน lacI + และ lacZ + ไปยังเซลล์แบคทีเรียที่ไม่ได้สร้างโปรตีนที่เข้ารหัสโดยยีนเหล่านี้ในตัวกลางที่ไม่มีแลคโตส
เนื่องจากแบคทีเรีย "เปลี่ยนรูป" ด้วยวิธีนี้ผลิตเอนไซม์β-galactosidase เฉพาะที่มีแลคโตสเท่านั้นการทดลองจึงยืนยันว่ายีน lacI มีความสำคัญต่อการควบคุมการแสดงออกของแล็กโอเพรอน
ฟังก์ชัน
lac operon ควบคุมการถอดความของยีนที่จำเป็นสำหรับแบคทีเรียในการดูดซึมแลคโตสเป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงาน อย่างไรก็ตามการถอดความของยีนเหล่านี้จะเกิดขึ้นเมื่อแหล่งพลังงานหลักตรงกับคาร์โบไฮเดรตประเภทกาแลกโตไซด์
ในเซลล์แบคทีเรียมีกลไกที่ควบคุมการแสดงออกของยีน lac operon เมื่ออยู่ในที่ที่มีกลูโคสหรือน้ำตาลอื่น ๆ ที่เผาผลาญได้ง่ายกว่า
การเผาผลาญน้ำตาลเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการขนส่งไปยังภายในเซลล์และการสลายหรือการแปรรูปในภายหลัง
แลคโตสใช้เป็นแหล่งพลังงานทดแทนสำหรับแบคทีเรียช่วยให้พวกมันอยู่รอดได้แม้แหล่งพลังงานอื่น ๆ ในสิ่งแวดล้อมเช่นกลูโคสจะหมดลง
แบบจำลอง lac operon เป็นระบบพันธุกรรมระบบแรกที่สามารถอธิบายได้และทำหน้าที่เป็นพื้นฐานในการอธิบายโอเปอรอนอื่น ๆ อีกมากมายในจีโนมของจุลินทรีย์ประเภทต่างๆ
จากการศึกษาระบบนี้มีความก้าวหน้าอย่างมากในการทำความเข้าใจการทำงานของโปรตีนประเภท "ตัวกดทับ" ที่จับกับดีเอ็นเอ นอกจากนี้ยังมีความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับเอนไซม์อัลโลสเตอริกและวิธีที่พวกมันทำหน้าที่คัดเลือกเมื่อรับรู้สารตั้งต้นอย่างใดอย่างหนึ่ง
ความก้าวหน้าที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่เกิดขึ้นจากการศึกษา lac operon คือการสร้างบทบาทสำคัญที่ผู้ส่งสารมีบทบาทในการแปลคำสั่งที่พบใน DNA และเป็นขั้นตอนเบื้องต้นในการสังเคราะห์โปรตีน
อ้างอิง
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005) ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการวิเคราะห์ทางพันธุกรรม Macmillan
- Hartwell, L. , Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008) พันธุศาสตร์: จากยีนสู่จีโนม (หน้า 978-0073227382) นิวยอร์ก: McGraw-Hill
- ลูอิส, M. (2013). Allostery และ Lac Operon วารสารอณูชีววิทยา, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B. , & Oehler, S. (1996). แล็คโอเพรอน (หน้า 66-67) นิวยอร์ก :: Walter de Gruyter
- ปาร์กเกอร์เจ. (2544). lac Operon
- Yildirim, N. , & Kazanci, C. (2011). การจำลองแบบกำหนดและการสุ่มตัวอย่างและการวิเคราะห์เครือข่ายปฏิกิริยาทางชีวเคมี: ตัวอย่างแลคโตสโอเพรอน ใน Methods in enzymology (Vol. 487, pp. 371-395) สำนักพิมพ์วิชาการ.