Hur regleras Lac Operon

Genuttryck är syntesen av en polypeptidkedja av ett funktionellt protein baserat på den information som kodas av en speciell gen. Mängden syntes av ett visst protein kan regleras genom reglering av genuttrycket. Differentialuttrycket av gener kan uppnås under de olika stegen av proteinsyntesen. Reguleringen av genuttrycket är emellertid annorlunda i eukaryota och prokaryota gener. Lac operon är ett kluster gener som är ansvariga för laktosmetabolism av E coli. Regleringen av uttrycket av lac operon uppnås som svar på laktos- och glukosnivåerna i mediet. Regleringen av lac operon används som det främsta exemplet av prokaryotisk genreglering i inledande molekylära och cellulära biologiska studier.

Viktiga områden som omfattas

1. Vad är reglering av genuttryck
      - Definition, reglering av genuttryck
2. Vad är Lac Operon
     - Definition, struktur, funktion av genprodukter
3. Hur regleras Lac Operon
     - Lac repressor, CAP

Nyckelord: Catabolit Activator Protein (CAP), E. coli, Genuttryck, Glukos, Lac Operon, Lac Repressor, Lactosemetabolism

Vad är reglering av genuttryck

Reglering av genuttryck hänför sig till ett brett spektrum av mekanismer som används av cellen för att antingen öka eller minska produktionen av en viss genprodukt (ett protein eller ett RNA). Det uppnås under olika steg av proteinsyntesen såsom beskrivs nedan.

1. Replikationsnivå - Mutationerna som uppträder under DNA-replikation kan orsaka förändringar av genuttrycket.
2. Transkriptionell nivå - Transkriptionen av en viss gen kan kontrolleras av repressorer och aktivatorer.
3. Post-transkriptionsnivå - Genuttryck kan uppnås under post-transkriptionella modifieringar, såsom RNA-splicing.
4. Översättningsnivå - Översättningen av en mRNA-molekyl kan regleras genom olika processer såsom RNA-interferensvägen.
5. Post-translationell nivå - Syntesen av ett protein kan regleras på post-translationell nivå genom att styra de posttranslationella modifieringarna.

Reglering av genuttryck i prokaryoter uppnås emellertid huvudsakligen under initiering av transkription. Det innebär aktivatorer som positivt reglerar genuttrycket och repressorer som negativt reglerar genuttrycket. Reglering av genuttrycket vid olika steg av proteinsyntesen visas i Figur 1.

Figur 1: Reglering av genuttryck

Vad är Lac operon

De lac operon refererar till ett kluster gener som är ansvariga för laktosmetabolism av E. coli. Därav lac operon är en funktionell enhet av E coli genomet. Alla gener i lac operon styrs av en enda promotor. Därför transkriberas alla gener i operonen tillsammans. Genprodukterna är proteinerna som är ansvariga för att transportera laktos i cellens cytosol och digerering av laktos i glukos. Glukos används vid cellulär andning för att producera energi i form av ATP. De lac operon kan vara närvarande i många andra enteriska bakterier också. Strukturen av lac operon visas i figur 2.

Figur 2: Lac operon

De lac operon består av tre gener kontrollerade av en enda promotor. Dessa gener är lacZ, lacY, och LACA. Dessa gener kodas för de tre enzymerna som är involverade i laktosmetabolismen, känd som beta-galaktosidas, beta-galaktosidpermeas respektive beta-galaktosidtransacetylas. Beta-galaktosidas är inblandad i nedbrytningen av laktos i glukos och galaktos. Beta-galaktosidpermeas är inbäddat i cellmembranet, vilket möjliggör transport av laktos i cytosolen. Beta-galaktosidtransacetylas är involverad i överföringen av en acetylgrupp från acetyl Co-A till beta-galaktosid. Transkriptionen av lac operon producerar en polykistisk mRNA-molekyl som producerar alla tre genprodukter från en enda mRNA-molekyl. Generellt sett lacZ och lacY genprodukter är tillräckliga för laktoskatabolism.

Förutom de tre generna, lac operon består av ett antal reglerande regioner till vilken olika proteiner kan binda för att kontrollera transkriptionen. De viktigaste regulatoriska sekvenserna i lac operon är promotorns operatör och bindningsstället för katabolitaktivatorprotein (CAP). De promotor fungerar som bindningsstället för RNA-polymeraset, enzymet som är ansvarigt för transkriptionen av generna. De operatör fungerar som en negativ regleringsplats till vilken lac repressorn binder. De CAP-bindningsstället fungerar som den positiva regleringsplatsen som den gemensamma jordbrukspolitiken binder samman.

Hur är Lac Operonreglerade

Reglering av genuttrycket i prokaryota gener sker med hjälp av inducerbara operoner i vilka olika typer av proteiner binder, antingen aktiverar eller undertrycker transkriptionen av operonen baserat på cellens krav. Lac operon är en inducerbar operon. Det tillåter användning av laktos, en disackarid, i energiproduktionen genom att omvandla den till glukos som lätt kan användas vid cellulär andning när glukosen inte är tillgänglig för cellen. De lac operon är reglerad i "avstängning" och "aktivera" tillstånd baserat på närvaron av glukos i cellen. De lac repressor är ansvarig för "avstängning" läge av lac operon medan CAP är ansvarig för "aktivera" läget för lac operonet.

Lac repressor

De lac repressor hänvisar till en laktosgivare som blockerar transkriptionen av lac operon i närvaro av glukos. Användningen av glukos vid cellulär andning kräver färre steg i produktionen av energi jämfört med laktos. När glukos finns tillgängligt i cellen är det därför lätt att bryta ner i cellvägarna för att producera energi. Dessutom, när glukos används vid andningen, bör användningen av laktos för det tidigare ändamålet undvikas för att uppnå den maximala effektiviteten hos cellulär andning. I denna situation, blockering av transkriptionen av lac operon uppnås genom bindning av lac repressor till operatörsregionen av lac operonet. I allmänhet överlappar operatörsregionen med promotorområdet. Därför när lac repressorn binder till operatörsregionen är RNA-polymeras oförmöget att binda till promotorområdet eftersom det fullständiga promotorområdet inte är tillgängligt. När glukos är lättillgängligt i cellen och laktos inte är tillgänglig, lac repressorn binder hårt till operatörsregionen, hämmar transkriptionen av lac operonet. Regleringen av lac operon visas i figur 3.

Figur 3: Reglering av Lac operon

Katabolitaktivatorprotein (CAP)

CAP-proteinet hänför sig till en glukosrepressor som aktiverar transkriptionen av lac operonet. När cellen löper ut ur glukos och laktos är lättillgänglig inuti cytosolen, lac repressorn förlorar sin förmåga att binda med DNA. Därför flyter den bort från operatörsregionen, vilket gör promotorområdet tillgängligt för bindningen till RNA-polymeras. När laktos är tillgänglig omvandlas några av molekylerna till allolaktos, en liten isomer av laktos. Allolaktosens bindning till lac repressor orsakar lossning av det från operatörsregionen. Allolaktos tjänar därför som en inducer, som utlöser uttrycket av lac operonet. Vidare lac operon anses också som en inducerbar operon.

RNA-polymeras kan emellertid inte binda perfekt till promotorområdet. KAP bistår således i den täta bindningen av RNA-polymeraset till promotorn. Det binder till CAP-bindningsstället uppströms promotorn. Bindningen av CAP-en till DNA regleras av en liten molekyl som är känd som cyklisk AMP (cAMP). CAMPet tjänar som hunger-signalen framställd av E. coli i frånvaro av glukos. Bindningen av cAMP till CAP ändrar konformationen av CAP, vilket möjliggör bindning av CAP till CAP-bindningsstället hos lac operonet. CAMP är dock närvarande i cellen när glukosnivåerna är mycket låga inne i cellen. Följaktligen aktiveringen av lac operon kan endast uppnås när glukos inte är tillgänglig för cellen. Sammanfattningsvis är aktiveringen av lac operon kan uppnås när glukos inte är tillgänglig och laktos finns i cellen. När både glukos och laktos saknas i cellen, lac repressorn förblir bindande till lac operon, förhindrande av transkription av operonen.

Glukos	Laktos	Mekanism	förordning
Frånvarande	Närvarande	GJP bindar sig till CAP-bindningsstället	Uttryck av lac operon
Närvarande	Frånvarande	lac repressorn binder till operatörsregionen	Suppression av lac operon

Slutsats

De lac operon är en inducerbar operon där proteinerna som krävs av laktosmetabolism finns närvarande i kluster av gener. Därför transkriptionen av lac operon producerar en polykistisk mRNA-molekyl som kan syntetisera flera genprodukter. De lac operon uttrycks endast i frånvaro av glukos och närvaron av laktos inuti cellen för cellulär andning. De lac repressorn binder till operatörsregionen av lac operon när glukos är lättillgänglig och laktos är otillgänglig. GJP bindar till operatören av lac operon, som hjälper transkriptionen när glukos är otillgänglig, och laktos är lättillgänglig. Således blir cellen kapabel att använda laktos vid cellulär andning för att producera energi.

Image Courtesy:

1. "Gene expression control" Av ArneLH - Egent arbete (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. "Lac operon1" (Public Domain) via Commons Wikimedia
3. "Lac operon" (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia

Referens:

1. "Prokaryotisk genreglering." Lumen / gränslös biologi, tillgänglig här.
2. "Lac Operon." Khan Academy, Tillgänglig här.
3. "Lac Operon: Reglering av genuttryck i prokaryoter". Biologi, Byjus klasser, 21 nov 2017, Tillgänglig här.