و الاوبرون لاك هو مجموعة من الجينات الهيكلية وظيفتها إلى رمز للبروتينات المشاركة في عملية التمثيل الغذائي للسكر اللاكتوز. إنها جينات يتم ترتيبها على التوالي في جينوم جميع البكتيريا تقريبًا وقد تمت دراستها بجهد خاص في بكتيريا Escherichia coli "النموذجية".
كان lac operon هو النموذج الذي استخدمه Jacob and Monod في عام 1961 لاقتراح الترتيبات الجينية في شكل أوبرون. وصف هؤلاء المؤلفون في عملهم كيف يمكن "تشغيل" أو "إيقاف" التعبير عن جين واحد أو أكثر نتيجة لوجود جزيء (اللاكتوز ، على سبيل المثال) في وسط النمو.
المخطط العام لأوبرون لاك. تيريسيك. اشتقاق صورة G3pro. الترجمة الإسبانية بواسطة اليخاندرو بورتو.
تمتلك البكتيريا التي تنمو في وسط النمو الغني بالمركبات الكربونية أو السكريات بخلاف اللاكتوز ، مثل الجلوكوز والجالاكتوز ، كميات قليلة جدًا من البروتينات اللازمة لاستقلاب اللاكتوز.
ثم ، في حالة عدم وجود اللاكتوز ، يتم "إيقاف تشغيل" الأوبرا ، مما يمنع بوليميريز الحمض النووي الريبي من نسخ الجزء الجيني المقابل لأوبيرون اللاكتوز. عندما "تستشعر" الخلية وجود اللاكتوز ، يتم تنشيط الأوبرون ويتم نسخ هذه الجينات بشكل طبيعي ، وهو ما يُعرف باسم "تشغيل" الأوبرا.
يتم ترجمة جميع جينات الأوبون إلى جزيء واحد من الحمض النووي الريبي المرسال ، وبالتالي فإن أي عامل ينظم نسخ هذا الحمض النووي الريبي المرسال لأوبيرون اللاكتيك سينظم بشكل مباشر نسخ أي جين ينتمي إليه.
اكتشاف
تطورت نظرية جاكوب ومونود في سياق لم يُعرف سوى القليل جدًا عن بنية الحمض النووي. وكان ذلك قبل ثماني سنوات فقط من تقديم واطسون وكريك اقتراحهما بشأن بنية الحمض النووي والحمض النووي الريبي ، لذلك لم يكن من الصعب معرفة الرنا المرسال.
أظهر جاكوب ومونود في الخمسينيات من القرن الماضي أن استقلاب اللاكتوز البكتيري ينظم وراثيًا بشرطين محددين للغاية: وجود اللاكتوز وغيابه.
لاحظ كلا العالمين أن بروتينًا له خصائص شبيهة بالإنزيم الخيفي كان قادرًا على اكتشاف وجود اللاكتوز في الوسط وأنه بمجرد اكتشاف السكر ، تم تحفيز نسخ إنزيمين: إنزيم اللاكتوز وجلاكتوزيداز.
من المعروف اليوم أن بيرميز يلعب دورًا في نقل اللاكتوز إلى الخلية وأن الجالاكتوزيداز ضروري "لكسر" أو "قطع" جزيء اللاكتوز إلى جلوكوز وجلاكتوز ، بحيث يمكن الاستفادة من هذا السكاريد في أجزائه المكونة.
بحلول الستينيات من القرن الماضي ، تم تحديد أن نفاذية اللاكتوز والجالاكتوزيداز قد تم ترميزهما بواسطة تسلسلين وراثيين متجاورين ، المنطقة Z والمنطقة Y ، على التوالي.
أوبرون لاك هو جزء من جينوم بكتيريا الإشريكية القولونية. المصدر: NIAID ، عبر ويكيميديا كومنز
أخيرًا ، في عام 1961 ، قدم جاكوب ومونود نموذجًا جينيًا مكونًا من خمسة عناصر وراثية:
- مروج
- عامل و
- الجينات Z و Y و A.
يتم ترجمة كل هذه الأجزاء إلى رسول واحد RNA وتشتمل على الأجزاء الأساسية لتعريف أي مشغل بكتيري عمليًا في الطبيعة.
التحاليل والتجارب الجينية
أجرى جاكوب ومونود ومساعدوهما العديد من التجارب على الخلايا البكتيرية التي كانت بها طفرات جعلت السلالات غير قادرة على استقلاب اللاكتوز. تم تحديد هذه السلالات من خلال اسم السلالة والطفرة المقابلة التي تمتلكها.
وبهذه الطريقة ، تمكن الباحثون من تحديد الطفرات في جينات lacZ ، التي ترمز إلى β-galactosidase ، و lacY ، التي ترمز إلى نفاذية اللاكتوز ، وأنتجت بكتيريا من نوع lac ، أي البكتيريا غير القادرة على استقلاب اللاكتوز..
من خلال "رسم الخرائط الجينية" باستخدام إنزيمات التقييد ، تم تحديد موقع الجينات في السلالات المختلفة لاحقًا ، مما جعل من الممكن إثبات وجود الجينات الثلاثة lacZ و lacY و lacA (بهذا الترتيب) على الكروموسوم البكتيري في مجموعة الجينات المجاورة.
تم توضيح وجود بروتين آخر ، يسمى بروتين القامع ، والذي لا يعتبر بالضرورة "جزءًا" من الأوبون ، من خلال طفرات في جين يسمى lacI-. يقوم بتشفير البروتين الذي يرتبط بمنطقة "المشغل" في الأوبون ويمنع نسخ الجينات لـ β-galactosidase و lactose permease.
يُقال أن هذا البروتين ليس جزءًا من الجينات التي تتكون منها أوبرون اللاكوبون ، حيث أنها تقع في الواقع "أعلى المنبع" من الأخير ويتم نسخها إلى رنا مرسال مختلف.
رسم تخطيطي لأوبرون لاك (المصدر: بارباروسا في ويكيبيديا الهولندية عبر ويكيميديا كومنز)
السلالات البكتيرية التي تمتلك lacI- طفرة "تكوين" تعبر عن جينات lacZ و lacY و lacA ، والتي تحدث بغض النظر عن وجود أو عدم وجود اللاكتوز في البيئة خارج الخلية.
تم تأكيد العديد من هذه الملاحظات عن طريق نقل جينات lacI + و lacZ + إلى خلية بكتيرية لا تنتج البروتينات المشفرة بواسطة هذه الجينات في وسط خالٍ من اللاكتوز.
نظرًا لأن البكتيريا "تحولت" بهذه الطريقة فقط أنتجت إنزيم β-galactosidase في وجود اللاكتوز ، فقد أكدت التجربة أن جين lacI كان مهمًا لتنظيم تعبير lac operon.
وظيفة
ينظم أوبرون اللاكتوز نسخ الجينات الضرورية للبكتيريا لاستيعاب اللاكتوز كمصدر للكربون والطاقة. ومع ذلك ، فإن نسخ هذه الجينات يحدث فقط عندما يتوافق مصدر الطاقة الرئيسي مع الكربوهيدرات من نوع الجالاكتوزيد.
في الخلايا البكتيرية ، توجد آليات تنظم التعبير عن جينات أوبرون اللاكتوز عندما تكون في وجود الجلوكوز أو أي سكر آخر يسهل استقلابه.
ينطوي استقلاب هذه السكريات على نقلها إلى داخل الخلية وتكسيرها أو معالجتها لاحقًا.
يستخدم اللاكتوز كمصدر طاقة بديل للبكتيريا ، مما يساعدها على البقاء على قيد الحياة حتى بعد استنفاد مصادر الطاقة الأخرى في البيئة مثل الجلوكوز.
كان نموذج lac operon هو أول نظام جيني من نوعه يتم توضيحه ، وبالتالي كان بمثابة الأساس لوصف العديد من الأوبرونات الأخرى في جينوم الأنواع المختلفة من الكائنات الحية الدقيقة.
مع دراسة هذا النظام ، تم إحراز تقدم كبير في فهم عمل البروتينات من النوع "الكابت" التي ترتبط بالحمض النووي. كان هناك أيضًا تقدم في فهم الإنزيمات الخيفية وكيف تعمل بشكل انتقائي عند التعرف على ركيزة أو أخرى.
كان التقدم المهم الآخر الذي نشأ عن دراسة أوبرون اللاكتات هو إنشاء الدور الحاسم الذي تلعبه الرنا المرسال في ترجمة التعليمات الموجودة في الحمض النووي وأيضًا كخطوة أولية لتخليق البروتين.
المراجع
- Griffiths، AJ، Wessler، SR، Lewontin، RC، Gelbart، WM، Suzuki، DT، & Miller، JH (2005). مقدمة في التحليل الجيني. ماكميلان.
- هارتويل ، إل ، غولدبرغ ، إم إل ، فيشر ، جا ، هود ، جنيه ، وأكوادرو ، سي إف (2008). علم الوراثة: من الجينات إلى الجينوم (ص 978-0073227382). نيويورك: ماكجرو هيل.
- لويس ، م. (2013). Allostery و lac Operon. مجلة البيولوجيا الجزيئية ، 425 (13) ، 2309-2316.
- Müller-Hill، B.، & Oehler، S. (1996). أوبرون لاك (ص 66-67). نيويورك:: Walter de Gruyter.
- باركر ، ج. (2001). أوبيرون لاك.
- يلدريم ، ن. ، وكازانجي ، سي (2011). المحاكاة الحتمية والاستوكاستك وتحليل شبكات التفاعل الكيميائي الحيوي: مثال مشغل اللاكتوز. في طرق علم الإنزيمات (المجلد 487 ، ص 371-395). الصحافة الأكاديمية.