Модель оперона була вперше запропонована Ж. Моно та Ф. Жакобом. У 1961 р. вони досліджували процеси, пов'язані з розвитком клітин кишкової палички. Зокрема вивчалися механізми контролю ділянок ДНК, які кодують молочний цукор (лактозу).

Опис

Моно і Жакоб запропонували схему координованого контролю діяльності структурних ділянок ДНК. Вчені дали їй назву " оперон". Принцип роботи схеми наступний. Транскрипція групи ділянок ДНК, які кодують поліпептидів, тісно пов'язаних один з одним функціонально, контролюється двома елементами. Першим є регулятор, а другим – оператор. Останній представлений послідовністю нуклеотидів, що примикають до контрольованих структурним ділянок. Якщо в якості продукту регулятора виступає білок-компресор, то його приєднання до оператора буде блокувати транскрипцію ланок ДНК. Це, в свою чергу, є передумовою для формування стеріческіх перешкод для з'єднання РНК-полімерази зі специфічним ділянкою-промотором. Останній необхідний для ініціації транскрипції. Інший розвиток подій буде у разі, якщо в якості регулятора виступає апоиндуктор. У цій ситуації його з'єднання з оператором створить умови для транскрипції.

Специфіка

Оперон – це послідовність ДНК, яка складається з тісно зчеплених кодуючих ділянок, промотору та оператора. Контролюючий елемент може розташовуватися поруч з нею або на певній відстані від неї. Оператор часто знаходиться між структурними дільницями і промотором. Існують низькомолекулярні речовини, якими може контролюватися оперон. Це, зокрема, ефектори, які є індукторами або крепрессорами структурних ділянок, включених в схему.

Класифікація

Буває індукований або репрессируемий оперон. Це залежить від характеру впливу на їх діяльність молекул-ефекторів. У індукованих структур він приєднується до репрессору, блокуючи зв'язування з оператором. Відповідно, виникають перешкоди для транскрипції структурних ділянок. Така регуляція оперонов називається негативною. Разом з тим індуковані структури можуть бути під позитивним контролем. У цьому разі ефектор зв'язується з питань регуляторної білковою молекулою, активізуючи її апоиндуктор. Приєднуючись до оператора, він забезпечує можливість транскрипції. Ці типи контролю діють і щодо репресованих структур. Якщо регуляція негативна, ефектор, виступає як корепрессор, з'єднується з неактивним репрессором і активує його. В результаті останній отримує здатність стикуватися з оператором, блокуючи тим самим транскрипцію. Якщо позитивний контроль, зв'язування відбувається з активним апоиндуктором. Цей комплекс не може з'єднуватися з оператором. Відповідно, структурні ділянки не транскрибуються.

Висновки

При негативному контролі, таким чином, ефектор з'єднується з репрессором, викликаючи інактивацію або активацію. Відповідно, індукується або репресуються транскрипція оперона. У разі позитивного контролю приєднання здійснюється до апоиндуктору. Цей процес блокує або дозволяє транскрипцію. Результат залежить від форми, якої набуває апоиндуктор при приєднанні до еффектору.

Будова оперона E. coli

У кишкової палички є структура, володіє здатністю до зброджування молочного цукру. У неї входить промотор, оператор і три структурних ділянки ДНК. Кодування піддаються ферменти генгалактозидаза, галактозидпермеаза, тиогалактозидтрансацетилаза. Для кожного з них існує свій ген. Оперон включає в себе ділянки lac Z, lac А lac Y. Перший кодує генгалактозидазу, каталізатору молочний цукор до глюкози і галактози. Lac Y взаємодіє з галактозидпермеазой. Цей фермент забезпечує транспорт різних цукрів. Lac А кодує тиогалактозидтрансацетилазу. Її роль, однак, в процесі утилізації молочного цукру не ясна. Як правило, всі білки знаходяться в клітинах кишкової палички в слідових кількостях. Але при вирощуванні її в середовищі, де в якості єдиного джерела енергії і вуглецю виступає лактоза, число ферментів зростає в 1000 разів.

Конститутивний синтез

Лактозний оперон включає в себе структурний ділянку lac 1. Їм кодується білок-репрессор. В активному стані він являє собою тетрамер, який сформований з чотирьох копій ділянки lac 1 - поліпептидами, що включають в себе 360 амінокислот. Клітини зі змінами в цьому гені конститутивни по синтезу білків, що кодуються lac Z, Y і A. При цьому така ситуація можлива при наявності мутацій не тільки в репрессоре, але і в операторі. Такі зміни завжди є цис-домінантними. Це пов'язано з тим, що оператор, на відміну від репрессора, може впливати на можливість транскрипції тільки в тому випадку, якщо розташовується в безпосередній близькості від промотору. Якщо в клітці присутній індуковані з'єднання, вони вступають з оператором в конкуренцію за молекули репрессора.

Індуктори

Ними можуть бути різні сполуки. Молочний цукор виступає одночасно і як індуктор, і як субстрат. У нормальних клітинах і при відсутності індукованих сполук залишкова активність ферментів забезпечує можливість проникнення лактози в мінімальних кількостях. У результаті каталітичної реакції молочний цукор трансформується в аллолактозу. Він, у свою чергу, зв'язується з репрессором і провокує його від'єднання від оператора. Це дозволяє РНК-полимеразе зістикуватися з промотором. В результаті запускається транскрипція lac Z, A і Y. Сполуками, що виступають тільки як індуктори, є ІПТГ і ТМГ, використовувані для вивчення контролю лактозного оперона.

Позитивно діючі елементи

Їх виявлення обумовлюється диауксией. Суть цього феномену в тому, що утилізація молочного цукру розпочинається лише після використання всієї наявної у середовищі глюкози. Диауксия – одне з проявів катаболитной репресії. Цей глюкозний ефект відомий з 40-х рр. минулого століття. Він виражається в нездатності кишкової палички катаболизировать різні вуглеводи в присутності глюкози. Вона, в свою чергу, виступає як більш ефективне джерело енергії.

Механізм ефекту

Його змогли розшифрувати Пастан і Перлман. Вони виявили два елементи, якими транскрибується lac - оперон. Це невелика молекула-ефектор – цАМФ (циклічний аденозинмонофосфат) і білок-активатор катаболізму САР. У еукаріотів перший виступає в якості медіатора дії гормонів. З'ясувалося, що при додаванні цАМФ до клітин кишкової палички, зростаючим в середовищі з присутністю глюкози, їх швидкість сповільнюється, але при цьому знімається катаболическая репресія. Це, в свою чергу, обумовлює можливість експресії lac-оперона при одночасному присутності лактози і глюкози. Через деякий час була виявлена зворотна залежність. Активність ферменту, що синтезує цАМФ, пригнічується глюкозою.

Висновок

Транскрипція оперона перебуває під подвійним контролем – негативним і позитивним. Комплекс САР-цАМФ дає можливість РНК-полимеразе з'єднатися з матричної ДНК до початку процесу. В даний час вченими розшифрована повна нуклеотидна ланцюг регуляторної області lac-оперона, в якій присутній оператор і промотор. Більш того, у 1969 р. була виділена його чистий ДНК, що містить фрагмент lac 1 повністю промоторная і операторна послідовності, lac Z і фрагмент lac Y. При дослідженні було встановлено, що значна роль у взаємодії мультимерних білків з ДНК належить симетричним структурам – палиндромам. В операторі lac-оперона їх присутня 26. При цьому 14 з них відрізняються специфічністю. В різних ланцюгах вони читаються однаково, але в протилежному напрямку. Паліндром виявлено і в ділянці промотору, взаємодіючому з комплексом САР-цАМФ.