Các operon lac là một nhóm gen cấu trúc có chức năng là mã cho các protein tham gia vào quá trình chuyển hóa lactose. Chúng là những gen được sắp xếp theo thứ tự liên tiếp trong bộ gen của hầu hết tất cả các vi khuẩn và đã được nghiên cứu với nỗ lực đặc biệt trên vi khuẩn Escherichia coli "kiểu mẫu".
Operon lac là mô hình được Jacob và Monod sử dụng vào năm 1961 để đề xuất sự sắp xếp di truyền dưới dạng operon. Trong công trình của mình, các tác giả này đã mô tả cách thức biểu hiện của một hoặc nhiều gen có thể được “bật” hoặc “tắt” do sự hiện diện của một phân tử (ví dụ như lactose) trong môi trường tăng trưởng.
Sơ đồ tổng quát của operon lac. Tereseik. Tác phẩm phái sinh của hình ảnh G3pro. Bản dịch tiếng Tây Ban Nha của Alejandro Porto.
Vi khuẩn phát triển trong môi trường sinh trưởng giàu các hợp chất cacbon hoặc đường khác ngoài lactose, chẳng hạn như glucose và galactose, sở hữu một lượng rất thấp các protein cần thiết cho quá trình chuyển hóa lactose.
Sau đó, khi không có lactose, operon bị "tắt", ngăn cản RNA polymerase phiên mã đoạn gen tương ứng với operon lac. Khi tế bào “cảm nhận” được sự hiện diện của lactose, operon được kích hoạt và các gen này được phiên mã bình thường, được gọi là “bật” operon.
Tất cả các gen của operon đều được dịch mã thành một phân tử ARN thông tin đơn lẻ và do đó, bất kỳ yếu tố nào điều chỉnh sự phiên mã của ARN thông tin này của operon lac sẽ trực tiếp điều chỉnh quá trình phiên mã của bất kỳ gen nào thuộc về nó.
Khám phá
Lý thuyết Jacob và Monod được phát triển trong bối cảnh mà người ta biết rất ít về cấu trúc của DNA. Và đó là chỉ 8 năm trước khi Watson và Crick đưa ra đề xuất của họ về cấu trúc của DNA và RNA, do đó RNA thông tin hầu như không được biết đến.
Jacob và Monod vào những năm 1950 đã chỉ ra rằng sự chuyển hóa đường lactose của vi khuẩn được điều chỉnh về mặt di truyền bởi hai điều kiện rất cụ thể: có và không có lactose.
Cả hai nhà khoa học đã quan sát thấy rằng một protein có các đặc điểm tương tự như một enzym allosteric có thể phát hiện ra sự hiện diện của lactose trong môi trường và một khi đường được phát hiện, quá trình phiên mã của hai enzym được kích thích: một lactose permease và một galactosidase.
Ngày nay, người ta biết rằng permease có chức năng vận chuyển lactose vào tế bào và galactosidase cần thiết để “bẻ gãy” hoặc “cắt” phân tử lactose thành glucose và galactose, để tế bào có thể tận dụng disaccharide này trong các bộ phận cấu thành của nó.
Đến những năm 1960, người ta đã xác định được rằng lactose permease và galactosidase được mã hóa bởi hai trình tự di truyền liền kề, tương ứng là vùng Z và vùng Y.
Operon Lac là một phần của bộ gen của vi khuẩn Escherichia coli. Nguồn: NIAID, qua Wikimedia Commons
Cuối cùng, vào năm 1961, Jacob và Monod đã trình bày một mô hình di truyền được tạo thành từ năm yếu tố di truyền:
- Người quảng bá
- Một nhà điều hành và
- gen Z, Y và A.
Tất cả các phân đoạn này được dịch thành một RNA thông tin duy nhất và bao gồm các phần thiết yếu để xác định trên thực tế bất kỳ operon vi khuẩn nào trong tự nhiên.
Phân tích và thí nghiệm di truyền
Jacob, Monod và các cộng sự của họ đã tiến hành nhiều thí nghiệm với các tế bào vi khuẩn có đột biến khiến các chủng không thể chuyển hóa lactose. Các chủng này được xác định bằng tên của chủng và đột biến tương ứng mà chúng sở hữu.
Bằng cách này, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định các đột biến trong gen lacZ, gen này mã cho β-galactosidase và lacY, mã cho men lactose permease, tạo ra vi khuẩn thuộc loại lac, tức là vi khuẩn không có khả năng chuyển hóa lactose. .
Từ việc "lập bản đồ di truyền" bằng cách sử dụng các enzym giới hạn, vị trí của các gen trong các chủng khác nhau sau đó đã được xác định, điều này có thể giúp xác định rằng ba gen lacZ, lacY và lacA được tìm thấy (theo thứ tự đó) trên nhiễm sắc thể vi khuẩn trong một nhóm gen liền kề.
Sự tồn tại của một protein khác, được gọi là protein repressor, không nhất thiết được coi là "một phần" của operon, đã được làm sáng tỏ thông qua các đột biến trong gen gọi là lacI-. Nó mã hóa một protein liên kết với vùng "operator" trong operon và ngăn chặn sự phiên mã của các gen cho β-galactosidase và lactose permease.
Người ta nói rằng protein này không phải là một phần của các gen tạo nên operon lac, vì chúng thực sự nằm ở "thượng nguồn" của gen sau và được phiên mã thành các RNA thông tin khác nhau.
Sơ đồ của operon lac (Nguồn: Barbarossa tại Wikipedia tiếng Hà Lan qua Wikimedia Commons)
Các dòng vi khuẩn sở hữu đột biến lacI- "cấu thành" biểu hiện các gen lacZ, lacY và lacA, xảy ra bất kể sự có mặt hay không có lactose trong môi trường ngoại bào.
Nhiều quan sát trong số này đã được chứng thực bằng cách chuyển các gen lacI + và lacZ + sang một tế bào vi khuẩn không tạo ra các protein được mã hóa bởi các gen này trong môi trường không có lactose.
Vì vi khuẩn "biến đổi" theo cách này chỉ tạo ra enzym β-galactosidase khi có lactose, thí nghiệm xác nhận rằng gen lacI rất quan trọng đối với việc điều hòa biểu hiện operon lac.
Chức năng
Operon lac quy định sự phiên mã của các gen cần thiết để vi khuẩn đồng hóa lactose như một nguồn cacbon và năng lượng. Tuy nhiên, sự phiên mã của các gen này chỉ xảy ra khi nguồn năng lượng chính tương ứng với cacbohydrat kiểu galactoside.
Trong tế bào vi khuẩn, có những cơ chế điều chỉnh sự biểu hiện của các gen operon lac khi chúng có mặt của glucose hoặc bất kỳ loại đường nào khác dễ chuyển hóa hơn.
Quá trình chuyển hóa các loại đường này liên quan đến việc vận chuyển chúng vào bên trong tế bào và quá trình phân hủy hoặc xử lý sau đó.
Lactose được sử dụng như một nguồn năng lượng thay thế cho vi khuẩn, giúp chúng tồn tại ngay cả khi các nguồn năng lượng khác trong môi trường như glucose đã cạn kiệt.
Mô hình operon lac là hệ thống di truyền đầu tiên của loại hình này được làm sáng tỏ và do đó được dùng làm cơ sở để mô tả nhiều operon khác trong bộ gen của các loại vi sinh vật khác nhau.
Với việc nghiên cứu hệ thống này, nhiều tiến bộ đã đạt được trong việc tìm hiểu hoạt động của các protein loại "bộ kìm hãm" liên kết với DNA. Cũng có sự tiến bộ trong sự hiểu biết về các enzym allosteric và cách chúng hoạt động có chọn lọc khi nhận ra một hoặc một chất nền khác.
Một tiến bộ quan trọng khác nảy sinh từ việc nghiên cứu operon lac là việc thiết lập vai trò quan trọng của RNA thông tin trong việc dịch các chỉ dẫn được tìm thấy trong DNA và cũng là bước sơ bộ để tổng hợp protein.
Người giới thiệu
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Giới thiệu về phân tích di truyền. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Di truyền: từ gen sang bộ gen (trang 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery và Operon lac. Tạp chí sinh học phân tử, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Operon lac (trang 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Mô phỏng xác định và ngẫu nhiên và phân tích mạng lưới phản ứng sinh hóa: Ví dụ operon lactose. Trong Các phương pháp trong enzym học (Tập 487, trang 371-395). Báo chí Học thuật.