16.09.2019 Regulacja ekspresji genów u Prokaryota – operony. Zagadnienie Olimpiady Biologicznej
Wprowadzenie – Olimpiada Biologiczna a operony
Za chwilę zapoznasz się z artykułem przygotowanym przez jednego z Prowadzących Indeksu w Kieszeni, odpowiedzialnych za kurs przygotowujący do Olimpiady Biologicznej. Jest to rozwijane od wielu lat repozytorium wszystkich niezbędnych materiałów, takich jak prezentacje, skrypty, testy, kartkówki, próbne olimpiady i nie tylko. Dodatkowo, każdy uczestnik kursu ma możliwość stałego kontaktu z dwoma laureatami najwyższych miejsc poprzednich edycji, którzy przeprowadzają go przez cały proces nauki. Szczegóły dotyczące kursu sprawdzisz na dedykowanej zakładce.
Wszystkie organizmy nieustannie są stawiane w obliczu wyzwań zmieniającego się środowiska. Zmianie ulegać może praktycznie każdy czynnik, do którego ,,przyzwyczaiła się’’ dana komórka. W związku z tym komórki muszą w odpowiedni sposób regulować swoje funkcjonowanie, tak aby nie tracić energii na syntezę molekuł aktualnie niepożądanych, natomiast zachować informację o danej cząsteczce na przyszłość – nigdy nie wiadomo kiedy się przyda. Wszystko to dotyczy regulacji ekspresji genów – nie wszystkie geny w komórce są w takim samym stopniu aktywne. Gdyby było inaczej, komórki nie różniłyby się od siebie.
Co w takim razie różnicuje komórki? Zagadnienie Olimpiady Biologicznej
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).
Olimpiada Biologiczna: Jak zatem działają operony?
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.
Co wchodzi w skład operonu?
W przypadku tego laktozowego w jego skład wchodzą geny struktury, które kodują enzymy zaangażowane w rozkład laktozy w komórce bakteryjnej. Idąc od lewej strony są to geny określane jako: lacZ, lacY i lacA kodujące odpowiednio: beta-galaktozydazę (rozkłada laktozę na glukozę i galaktozę), permeazę laktozową (umożliwia wejście laktozy do komórki) oraz transacetylazę beta-galaktozydazową (biorącą udział w transporcie laktozy wewnątrz komórki). Geny te zlokalizowane są najbardziej na ,,prawo’’ w strukturze operonu, natomiast najbardziej na ,,lewo’’ znajdziemy promotor, czyli miejsce gdzie przyłącza się polimeraza RNA.
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.
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.
Co jednak w sytuacji, gdy laktozy jest dużo w środowisku, ale i glukozy jest pod dostatkiem? 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.
Inni uczestnicy procesu 🙂
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.
Czym więc różnią się od znanego nam już operonu laktozowego?
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.
Przedstawione dwa operony są najbardziej znanymi przykładami regulacji ekspresji genów. W rzeczywistości metabolizm wielu innych cząsteczek ważnych biologicznie również jest kontrolowany na tej samej zasadzie, chociaż istnieją również inne, bardziej skomplikowane mechanizmy.
To już koniec artykułu! Mamy nadzieję, że rozwiał on wszystkie Wasze wątpliwości dotyczące tego zagadnienia. Pamiętajcie, że w każdej chwili możecie dopisać się do olimpijskich przygotowań Indeksu w Kieszeni. Szczegóły znajdziecie na podstronie.
