Organisatie en regulatie van genen in prokaryoten

Organisatie en regulatie van genen in prokaryoten!

Verschillende genen in een organisme zijn bedoeld voor de synthese van verschillende eiwitten die op verschillende tijdstippen nodig zijn.

Specifieke enzymen zijn nodig op verschillende tijdstippen in de levenscyclus van een organisme. Op elk moment in de levenscyclus bevat elke cel echter dezelfde reeks genen. Het is daarom noodzakelijk om mechanismen te hebben die alleen de gewenste genen in staat stellen om op een bepaald tijdstip te functioneren en de activiteit van andere genen te beperken. Er zijn nu verschillende mechanismen bekend die genexpressie reguleren op verschillende niveaus, waaronder transcriptie, verwerking van mRNA en translatie.

Genregulatie in prokaryoten:

De snelheid van expressie van bacteriële genen wordt hoofdzakelijk beheerst op het niveau van mRNA-synthese (transcriptie). Regulatie kan zowel bij het begin als bij de beëindiging van mRNA-transcriptie plaatsvinden.

Regulatie van lac operon in E. coli:

Jacob en Monod, twee Franse microbiologen, suggereerden op basis van hun onderzoek naar E.coli het eerste model voor genregulatie dat het operon-model werd genoemd in 1961. In deze bacterie zijn er drie enzymen die de afbraak veroorzaken van de suiker-lactose, B- galactosidase, permease en transacetylase.

Wanneer E. coli-cellen worden gekweekt op een koolstofbron anders dan lactose, zijn de intercellulaire niveaus van deze drie eiwitten extreem laag - misschien 1/1000 van de niveaus die ze bereiken wanneer lactose aanwezig is. Lactose wordt daarom gezegd een inductor van deze eiwitten te zijn. Vroege studies stelden vast dat het inductieproces een de novo synthese van β-galactosidase omvat en niet de activering van sommige reeds bestaande enzymen.

Jacob en Monod stelden een operon-model voor om dergelijke regulatie van het lactose-gen te verklaren.

Er zijn drie structurele genen in lac operon die het volgende omvat:

(i) gen lacz (3063 bp) codeert voor het enzym P galactosidase, dat actief is als een tetrameer en lactose verbreekt in glucose en galactose om in de cel te worden gebruikt;

(ii) gen lac y (800 bp) codeert voor β-galactose permease, dat een membraangebonden eiwit is en helpt bij het transport van metabolieten en

(iii) gen lac a (800 bp) dat codeert voor p-galactose-transacetylase, een enzym dat een acetylgroep van acetyl-CoA naar P-galactosiden overdraagt.

In volgorde met deze genen en ernaast, is er een operator-gen dat niet codeert voor eiwit, maar de controle uitoefent over de drie structurele genen waardoor transcriptie van mRNA voor de drie enzymen kan plaatsvinden. Dit wordt genoemd als operator-gen 'o'.

Het promotorgen bevindt zich juist stroomopwaarts van de operator en verschaft de bindingsplaats voor RNA-polymerase dat transcriptie uitvoert. Het operator-gen staat onder controle van nog een ander segment van DNA dat een regulator-gen wordt genoemd dat zich bevindt los van de operator- en structuurgenen.

De regulator lijkt een eiwit te specificeren dat een repressor wordt genoemd en dat bindt met het operator-gen en het inactief maakt. Dit voorkomt dat de enzymen die zijn gebonden aan de promoter zich naar de structurele genen ontwikkelen en dus kan transcriptie niet plaatsvinden. De operator, promotor en structurele genen samen worden een operon genoemd.

Af en toe kunnen stoffen in het cytoplasma die inducer-stoffen worden genoemd binden met de repressormoleculen. In het systeem van Jacob en Monod werd gevonden dat lactose op deze manier interageert met de repressor, het bindt en het mogelijk maakt dat het operatorgen de structurele genen 'aanzet' die vervolgens mRNA produceren dat de synthese van enzymen bepaalt die de afbraak van lactose katalyseren.

Terwijl de lactose wordt gemetaboliseerd, worden repressormoleculen vrijgemaakt, die binden aan de operator en de transcriptie van de structurele genen ophoudt, dat wil zeggen dat ze worden uitgeschakeld. Het operator-gen dient dus als een schakelmechanisme voor de gehele groep structurele genen waarmee het is geassocieerd.

De repressor:

Repressoren geproduceerd door regulatorgenen zijn eiwitten die binden aan de respectievelijke operatorgenen en heeft vier identieke subeenheden die samenkomen om twee symmetrische groeven te vormen. Blijkbaar behoren repressors tot de groep van allosterische eiwitten die hun vorm veranderen bij interactie met specifieke moleculen.

Omdat de repressor reversibel bindt aan zowel lac-DNA als de inductor-allolactose, lijkt het twee verschillende bindingsplaatsen te hebben. In afwezigheid van induceerder is de DNA-bindingsplaats actief en bindt de repressor aan het lac-DNA.

Maar als allolactose zich bindt aan het repressormolecuul, wordt de DNA-bindingsplaats veranderd in een inactieve toestand en de repressor kan niet langer binden aan lac-DNA. De binding van repressor aan lac-DNA voorkomt de transcriptie van lac-genen, terwijl de afgifte ervan uit het lac-DNA (na de interactie met de inductor) hun transcriptie mogelijk maakt.

De effectoren of inductoren:

De affiniteit van repressorbinding aan de operator wordt gereguleerd door de inductor of co-repressor, kleine moleculen die ook effectoren worden genoemd. Een schijnbare effector is de verbinding die lijkt te werken als effector wanneer aanwezig in een voldoende concentratie.

In veel gevallen kan een schijnbare effector door de cel worden veranderd in een andere verbinding die als de effector fungeert; zo'n effector staat bekend als de eigenlijke effector. Lactose is bijvoorbeeld de schijnbare effector van het lac-operon in E. coli, maar de eigenlijke effector is allolactose.

Negatieve controle:

Bij negatieve controle voorkomt de associatie van een specifiek eiwit (repressor) met het operator-DNA de transcriptie van de operon. Aangenomen wordt dat de transcriptie wordt voorkomen als gevolg van een verandering in de configuratie van het DNA van de operator zodat RNA-polymerase niet in staat is zijn functie uit te voeren.

Aangezien de regulatie van genactie in een dergelijk systeem wordt bereikt door het voorkomen van transcriptie door een repressor is dit bekend als negatieve controle. Het negatieve controlesysteem is gegroepeerd in twee categorieën, (i) induceerbaar en (ii) onderdrukbaar.

Induceerbare negatieve controle:

In dit systeem begint de enzymproductie alleen in aanwezigheid van een inductor (effector), meestal het substraat van de betreffende metabolische route. In afwezigheid van inductor wordt de enzymproductie geblokkeerd, dwz de genen van de operon worden onderdrukt. Het lac-operon van E. coli is een induceerbaar operon en veel andere operons die zich bezighouden met substraatgebruik vertonen inductie.

Onderdrukbare negatieve controle:

In dit systeem is de operon normaal functioneel, dwz depressief, en de betrokken enzymen en geproduceerd door de cel. De aanwezigheid van een co-repressor (effector) in het algemeen het eindproduct van de betreffende biosynthetische route stopt de enzymproductie, dwz onderdrukt de operon.

De operonen die zich bezighouden met biosyntheseroutes, bijv. Synthese van histidine, tryptofaan en vele andere aminozuren, enz., Tonen een onderdrukbare negatieve controle. Het regulator-gen in dit systeem produceert een inactieve repressor die niet aan het operator-gen kan binden.

De inactieve repressor, ook wel aporepressor genoemd, wordt alleen een actieve repressor wanneer deze zich bindt aan het effectormolecuul. De actieve repressor hecht het operator-gen en voorkomt de transcriptie van de operon.

Positieve controle:

Bij positieve controle van transcriptie maakt associatie van een specifiek eiwit, aangeduid als activator voor een segment van DNA in het promotorgen of voor RNA-polymerase, de transcriptie van het operon mogelijk. Aangenomen wordt dat het promoterende effect van de activator te wijten is aan het effect ervan op DNA-configuratie in het transcriptie-initiatorgebied, dat vervolgens gunstiger wordt voor de werking van RNA-polymerase. De positieve controle is ook induceerbaar of onderdrukbaar.

Induceerbare positieve controle:

In dit systeem bevindt de activator zich in een inactieve toestand en kan hij zich niet hechten aan het promotor-DNA. De activator bindt zich pas aan de promotor nadat deze in wisselwerking staat met een specifieke inductor die een actieve activator produceert. De katabole gevoelige operons van E. coli, bijvoorbeeld de operonproducerende enzymen voor de afbraak van arabinose (ara) en galactose (gal) verschaffen voorbeelden van een dergelijke controle.

Onderdrukbare positieve controle:

In dit systeem bindt de activator aan het promotorgen dat de transcriptie van operon mogelijk maakt. Een interactie met de effector, een corepressor, verandert de configuratie van de activator zodat deze niet in staat is om te binden aan de promotor die een repressie van de operon veroorzaakt.