Wszystkie organizmy – od bakterii po człowieka – żyją w zmiennych warunkach środowiskowych. Ich przetrwanie zależy od zdolności dostosowania aktywności genów do bieżących potrzeb. Komórki nie mogą bowiem produkować wszystkiego naraz: byłoby to nieefektywne energetycznie i zaburzyłoby ich funkcjonowanie. Sprawdź, co w związku z tym musisz wiedzieć o regulacji ekspresji genów u Prokaryota.
Najważniejsze informacje, których dowiesz się z tego artykułu:
Regulacja ekspresji genów to zestaw mechanizmów kontrolujących to:
Gdyby wszystkie geny były włączone jednocześnie, komórki nie różniłyby się od siebie budową ani funkcją. To właśnie różny repertuar aktywnych genów czyni neuron neuronem, a hepatocyt hepatocytem.
Operon to zespół genów ułożonych liniowo w DNA, które:
W skład operonu wchodzą najczęściej:
To właśnie dzięki operonom bakterie mogą ekspresję całych szlaków metabolicznych włączać i wyłączać jednym ruchem.
To właśnie różny repertuar aktywnych genów prowadzi do wytworzenia komórek o zupełnie odmiennych funkcjach i budowie. Jak zatem przebiega ten system dostrajania ekspresji informacji genetycznej? Na jakich poziomach ekspresji genu może on zachodzić?
Skupimy się na komórkach, które jądra komórkowego nie posiadają, czyli na bakteriach. Chyba najbardziej znanym sposobem, w jaki te organizmy panują nad własnym metabolizmem są operony. Odkrycie operonów u E. Coli, będącej organizmem modelowym w badaniach nad bakteriami, było nie lada osiągnięciem, uhonorowanym zresztą Nagrodą Nobla w 1965 roku. Operony są to zgrupowania genów w jednym miejscu w materiale genetycznym, które wspólnie ulegają ekspresji lub tę ekspresję wyciszają. Mówiąc ściśle – operony są sposobem na kontrolę ekspresji genów na poziomie transkrypcji, czyli przepisywania genu zbudowanego z DNA na cząsteczkę innego kwasu nukleinowego, a mianowicie RNA.
Dopasowywanie tempa ekspresji danego genu do aktualnych potrzeb komórki zachodzić może też na poziomie replikacji, translacji oraz już na poziomie białka – posttranslacyjnie. Organizmy zazwyczaj kontrolują ekspresję genów na najwyższym możliwym poziomie, czyli wtedy, gdy białko jest zakodowane w DNA – ogranicza to straty energii do minimum (lepiej zahamować transkrypcję niechcianego aktualnie białka niż jego translację, czyli etap kolejny).
Źródło: pixabay.com
Najłatwiej będzie to wytłumaczyć na przykładzie najbardziej znanego operonu laktozowego. Daleko przed sekwencją operonu znajduje się gen, z którego powstaje białko ulegające konstytutywnej (czyli ciągłej) ekspresji. Białko to, zwane białkiem represora, jest od razu aktywne, gdy powstaje – ma zdolność do przyłączania się do podwójnej helisy DNA.
Operon laktozowy (lac operon) odpowiada za rozkład laktozy i jest klasycznym modelem negatywnej regulacji transkrypcji.
W jego skład wchodzą geny:
Idąc od ,,lewej’’ do ,,prawej’’ strony napotkamy również operator, czyli miejsce, w którym przyłącza się aktywne białko represora. Skoro więc białko represora jest produkowane w formie aktywnej i przyłącza się do operatora, to stoi na przeszkodzie dla polimerazy RNA, której celem byłoby przepisać geny struktury na cząsteczki RNA. Tak więc naturalnym stanem komórki E. Coli jest brak ekspresji wyżej wspomnianych genów struktury. Jest to całkowicie logiczne, bowiem komórki te nie zawsze mają kontakt z laktozą. Dużo bardziej wolą glukozę, której rozkład wiąże się z mniejszymi wydatkami energetycznymi.
To tłumaczy, dlaczego bakterie zawsze najpierw wykorzystują glukozę.
W przypadku gdy komórka bakteryjna znajdzie w swoim otoczeniu znaczne ilości laktozy, a z drugiej strony małe ilości glukozy, to jest to idealna sytuacja do włączenia operonu laktozowego – w przeciwnym razie komórka bakteryjna będzie skazana na śmierć. Laktoza wówczas przyłącza się do białka represora działając jako induktor ,,wyłączający’’ to białko. Wówczas represor nie może stanąć na przeszkodzie polimerazie RNA i do ekspresji genów struktury dojść już musi. Całe zjawisko nazywamy negatywną kontrolą transkrypcji genów.
Kierując się skąpstwem energetycznym bakterie oczywiście zaczną od glukozy, a dopiero po wyczerpaniu jej zapasów zajmą się laktozą. Zatem jaki jest dodatkowy mechanizm do wyżej przedstawionego, który wyjaśnia brak ekspresji genów struktury, nawet gdy laktozy jest dużo? Całość tłumaczy pozytywna kontrola transkrypcji genów przedstawiona poniżej.
W całej tej układance są jeszcze inni gracze, którzy za to odpowiadają. Jest cAMP, czyli cykliczny monofosforan adenozyny, którego stężenie w komórce odwrotnie koreluje ze stężeniem glukozy w cytoplazmie komórki oraz białko CAP (białko aktywujące katabolizm), będące zarazem akceptorem cAMP pod wpływem którego CAP się aktywuje i przyłącza do DNA. Spójrzmy na przedstawiony przykład – sytuację dostępu do laktozy i glukozy. Po pierwsze laktoza jest, więc białko represora jest wyłączane i ekspresja genów struktury powinna zachodzić. Czy zachodzi? Tak, lecz bardzo nieefektywnie, nie na skalę odpowiadającą komórce.
Do efektywnej ekspresji potrzebne jest jeszcze niskie stężenie glukozy w środowisku. Przed chwilą napisałem, że niskie stężenie glukozy = wysokie stężenie cAMP, a to oznacza aktywację znacznej liczby cząsteczek białka CAP. Proteina ta w formie aktywnej przyłącza się w okolice promotora i sprawia, że wiązanie polimerazy RNA do DNA jest znacznie bardziej efektywne.
Tak zatem działa operon laktozowy, chyba najbardziej znany przykład tego, jak komórka bakteryjna reguluje ekspresję własnych genów. Jest nazywany operonem katabolicznym, gdyż ostatecznym celem jest rozkład laktozy. Są też operony anaboliczne, które mają za zadanie syntetyzować – najbardziej znanym jest operon tryptofanowy.
Ogólna zasada w tym przypadku jest taka sama jak w poprzednim przykładzie, natomiast szkopuł tkwi w szczegółach. Pierwsza różnica – białko represora jest produkowane w formie nieaktywnej, a włączane jest przez tryptofan. Tak więc aminokwas ten pełni tu rolę korepresora, który wyłącza operon tryptofanowy. Wszystko to jest bardzo logiczne – gdy tryptofan jest w środowisku, to nie ma potrzeby marnowania energii na ekspresję genów struktury (tutaj druga różnica – to geny odpowiadające za syntezę, a nie za rozpad). Wówczas ten egzogenny tryptofan po prostu wyłącza operon, a komórka żyje na tryptofanie otrzymywanym ze środowiska.
Operon trp odpowiada za syntezę tryptofanu, dlatego jest odwrotnością operonu laktozowego.
Logika jest prosta:
Warto również zauważyć, że u operonu trp działa dodatkowy mechanizm: attenuacja, czyli wygaszanie transkrypcji zależne od struktury powstającego mRNA i poziomu tryptofanu w komórce.
Źródło: pixabay.com
Regulacja ekspresji genów u prokaryota to jeden z kluczowych mechanizmów pozwalających bakteriom błyskawicznie reagować na zmiany środowiska i gospodarować energią w sposób maksymalnie efektywny. Najważniejszą rolę odgrywa tu kontrola na poziomie transkrypcji, realizowana dzięki operonom – zespołom genów wspólnie regulowanych i transkrybowanych z jednego promotora.
Dwa klasyczne modele, operon laktozowy oraz operon tryptofanowy, doskonale pokazują, jak odmienne strategie metaboliczne – rozkład i synteza związków – determinują charakter regulacji. Operon laktozowy aktywuje się w obecności laktozy i przy niskim stężeniu glukozy, natomiast operon tryptofanowy jest wyłączany, gdy aminokwas dostępny jest w środowisku i komórka nie musi go syntetyzować.
Choć bakterie stosują także inne formy kontroli — translacyjne, posttranslacyjne czy globalne reakcje stresowe — to właśnie operony stanowią najbardziej elegancki i najbardziej znany przykład regulacji ekspresji genów u organizmów prokariotycznych. Zrozumienie ich działania jest fundamentem zarówno nauki do matury z biologii, jak i przygotowań olimpijskich, ponieważ pokazuje, jak ściśle powiązane są metabolizm, środowisko i ekspresja informacji genetycznej.
Operony to dowód na to, że nawet najprostsze komórki stosują niezwykle przemyślane i precyzyjne mechanizmy kontrolne — bez których życie bakteryjne (i nasze rozumienie biologii) wyglądałoby zupełnie inaczej.
Zaciekawił Cię powyższy artykuł i szukasz więcej przydatnych treści, które pomogą Ci przygotować się do Olimpiady Biologicznej? Możesz liczyć na wsparcie Indeksu w Kieszeni! Skorzystaj z naszego przygotowania do Olimpiady Biologicznej i zdobądź indeks na wymarzony kierunek studiów!
To zestaw procesów decydujących o tym, które geny są aktywne i w jakim stopniu.
Ponieważ to najbardziej energooszczędny etap – zatrzymanie procesu na poziomie DNA zapobiega tworzeniu zbędnych RNA i białek.
To grupa genów regulowanych wspólnie, transkrybowanych z jednego promotora i kontrolowanych przez operator.
Nie – operony są charakterystyczne dla prokaryota.
Strona przygotowana przez Zyskowni.pl