Czym jest operon?

Zacznijmy od podstawy, czyli wyjaśnienia, czym jest gen. Gen to odcinek DNA, w którym znajdują się triplety kodujące informacje na temat pojedynczego łańcucha polipeptydowego lub łańcucha RNA. Zatem, geny to części helisy, które ulegają transkrypcji, a potem translacji. Bo jak pamiętasz, są również odcinki, takie jak introny, które ulegają samej transkrypcji (ponieważ nie zawierają informacji o budowie peptydu lub RNA).

Operony zostały po raz pierwszy zidentyfikowane w 1961 r. przez francuskich biologów François Jacoba i Jacquesa Monoda. Operon definiowany jest jako zbiór genów, które podlegają wspólnej regulacji i transkrypcji. Sąsiadujące ze sobą w operonie geny, zwykle powiązane są ze sobą funkcjonalnie (np. geny należące do jednego szlaku metabolicznego), ale są wyjątki od tej reguły. Ekspresja genów znajdujących się w tym samym operonie jest regulowana (indukowana lub hamowana) przez wspólne elementy kontroli (sekwencje operatorowe, promotory, regulatory, efektory, itp.).

Organizacja genów w operonach jest podstawowym elementem regulacji genów u prokariotów, ale rzadko występują u eukariotów, które mają inne mechanizmy regulacyjne. Przykładem eukariontów, u których występują operony są nicienie.

Z czego składa się operon?

Promotor – położony przed sekwencją kodującą. Jest to sekwencja nukleotydów, która umożliwia transkrypcję genu. Promotor jest rozpoznawany przez polimerazę RNA, która następnie inicjuje transkrypcję.
Operator – odcinek DNA, z którym wiąże się represor. Jest on definiowany jako odcinek między promotorem a genami operonu. Białko represorowe wiążąc się z operatorem fizycznie utrudnia polimerazie RNA transkrypcję genów.
Geny strukturalne (inaczej geny struktury) – geny współregulowane przez operon. Są to geny, z których po transkrypcji i translacji powstają białka
Terminator – położony za genami struktury, oznacza koniec operonu

Dodatkowo w skład operonu mogą wchodzić:
• Gen regulatorowy – to gen kodujący białko regulatorowe, które łączy się z odpowiednią sekwencją na genie operatorze przez co wpływa na regulację procesów transkrypcji i translacji hamująco lub aktywująco. Gen ten nie musi znajdować się w operonie, ani nawet być położony fizycznie w jego pobliżu.

Induktor (mała cząsteczka) może wypierać białko represora z miejsca operatora (DNA), w wyniku czego transktypcja jest wznawiana.
Korepresor może związać się z represorem i umożliwić jego związanie się z miejscem operatora. Przykładem tego rodzaju regulacji jest operon tryptofanowy.

Model operonu:

Rodzaje operonów bakteryjnych

indukowane (kataboliczne) – produkcja enzymów nastąpi, jeśli substrat jest obecny w środowisku. W operonach indukowanych, białko represora regulatorowego jest normalnie związane z operatorem, co zapobiega transkrypcji genów operonu. Jeśli obecna jest cząsteczka induktora, wiąże się ona z represorem i zmienia swoją konformację, tak że nie jest w stanie związać się z operatorem. Pozwala to na transkrypcje operonu
ulegające represji (anaboliczne) – produkcja enzymów nastąpi, jeśli substancja syntetyzowana nie istnieje w komórce. Białka represorowe są wytwarzane przez gen regulatora, ale nie są w stanie wiązać się z operatorem w normalnej konformacji. Jednak pewne cząsteczki zwane korepresorami są wiązane przez białko represorowe co prowadzi do braku transkrypcji operonu.
podlegające regulacji pozytywnej – blokowanie transkrypcji nastąpi przez represor związany z aktywatorem
podlegające regulacji negatywnej – blokowanie transkrypcji nastąpi przez wolny represor

Operon lac (laktozowy) jest przykładem operonu indukowanego z negatywną regulacją, a operon trp (tryptofnowy) przykładem operonu hamowanego z negatywną regulacją.

Operon laktozowy

Najlepiej poznanym przykładem operonu indukowanego jest operon kodujący enzymy niezbędne do hydrolizy laktozy u Escherichia coli. W skład operonu laktozowego E. coli wchodzą trzy geny strukturalne: lacZ (β-galaktozydaza), lacY (permeaza β-galaktozydazy) i lacA (transacetylaza β-galaktozydowa).

Ich ekspresja jest możliwa ze wspólnego promotora umiejscowionego przed genem lacZ . W normalnych warunkach bakteria czerpie energię z glukozy, a nie laktozy, dlatego operon laktozowy jest zazwyczaj wyłączony. Ulega on aktywowaniu dopiero w momencie gdy w środowisku pojawi się laktoza, której prokarionty nie umieją wykorzystywać bezpośrednio jako źródło energii. Gen regulacyjny dla operonu lac koduje represor, gdy nie ma laktozy. Wiąże się on z operatorem i blokuje połączenie się polimerazy RNA i transkrypcje genów struktury. Enzymy odpowiedzialne za rozkład laktozy nie są zatem wytwarzane, jeśli nie ma laktozy. Dzięki temu komórka bakteryjna oszczędza dużo energii.

Ekspresja genów strukturalnych wchodzących w skład operonu laktozowego jest indukowana poprzez pojawienie się substratu: laktozy. Laktoza, a dokładniej allolaktoza jest naturalnym induktorem operonu lac u bakteri. Laktoza powstaje w wyniku aktywności β -galaktozydazy. β -galaktozydaza indukuje i utrzymuje ekspresję operonu lac (w tym własnego genu lacZ), jest to tzw. sprzężenie zwrotne dodatnie. Jeśli laktoza jest dostępna w środowisku, wtedy wiąże się ona z aktywnym represorem i dezaktywuje go poprzez zmianę struktury przestrzennej. W rezultacie represor nie może już wiązać się z operatorem, a polimeraza RNA prowadzi transkrypcję genów potrzebnych do metabolizmu laktozy. Enzymy rozkładają laktozę, w wyniku czego represor nie jest już dezaktywowany, co zapobiega syntezie dalszych enzymów rozkładających laktozę.

Operon laktozowy aktywny:

Nieaktywny operon laktozowy:

Opis działanie operonu:
1. Bakteria znajduje się na pożywce z glukozy i nie potrzebuje enzymów, które będą rozkładać laktozę.
2. Dochodzi do transkrypcji genu represora, a następnie do procesu translacji.
3. Z informacji zapisanej w genie represorze powstaje aktywne białko represorowe.
4. Białko łączy się z genem operatorem.
5. Proces transkrypcji łańcucha DNA (3’ → 5’) zatrzymuje się na genie promotorze – enzym dokonujący transkrypcji, polimeraza DNA nie jest w stanie działać dalej, ponieważ jest blokowana przez białko represorowe połączone z genem operatorem.
6. Geny strukturalne, zawierające informację o budowie enzymów rozkładających laktozę nie ulegają transkrypcji.
7. Nie powstają enzymy – OPERON JEST WYŁĄCZONY.

Jeżeli bakteria znajduje się na pożywce z laktozy, wówczas:
1. Powstałe białko represorowe jest wiązane przez cząsteczki glukozy i staje się nieaktywne.
2. Białko nie wiąże się z genem operatorem.
3. Polimeraza DNA przeprowadza transkrypcję genów strukturalnych.
4. Dochodzi do wytworzenie enzymów rozkładających laktozę – OPERON WŁĄCZONY.

Operon tryptofanowy
Aminokwas tryptofan jest potrzebny do budowy wielu białek. Bakterie (w przeciwieństwie do ludzi) są w stanie same wytwarzać ten aminokwas. Synteza jest regulowana przez operon trp. Gen regulacyjny przed operonem koduje nieaktywny represor. Jeśli w komórce nie ma tryptofanu lub jest go bardzo mało, represor nie wiąże się z operatorem, więc polimeraza RNA może prowadzić transkrypcję genów operonu. Z nich syntezowane są enzymy odpowiedzialne za produkcję tryptofanu. Jeśli stężenie tryptofanu wzrasta, wiąże się on z represorem i aktywuje go poprzez zmianę struktury przestrzennej. Represor wiąże się w tym przypadku z operatorem, uniemożliwiając polimerazie RNA odczytanie genów strukturalnych. Enzymy, które syntetyzują tryptofan, nie są już produkowane i dzięki temu bakteria oszczędza energię.