Génová expresia je syntéza polypeptidového reťazca funkčného proteínu na základe informácií kódovaných konkrétnym génom. Množstvo syntézy konkrétneho proteínu je možné regulovať reguláciou génovej expresie. Diferenciálnu expresiu génov je možné dosiahnuť v rôznych krokoch syntézy proteínu. Regulácia génovej expresie je však v eukaryotických a prokaryotických génoch odlišná. Lac operon je zhluk génov zodpovedných za metabolizmus laktózy E.coli. Regulácia expresie lac operónu sa dosahuje v reakcii na hladiny laktózy a glukózy v médiu. Regulácia lac operónu sa používa ako popredný príklad regulácie prokaryotických génov v úvodných štúdiách molekulárnej a bunkovej biológie.

Pokryté kľúčové oblasti

1. Čo je to regulácia génovej expresie - Definícia, regulácia génovej expresie 2. Čo je to Lac Operon - Definícia, štruktúra, funkcia génových produktov 3. Ako je regulovaný operátor Lac - Lac represor, CAP

Kľúčové pojmy: proteín aktivátora katabolitu (CAP), E. coli, génová expresia, glukóza, lak operón, lakový represor, metabolizmus laktózy

Čo je regulácia génovej expresie

Regulácia génovej expresie sa týka širokého spektra mechanizmov, ktoré bunka používa na zvýšenie alebo zníženie produkcie konkrétneho génového produktu (proteínu alebo RNA). To sa dosahuje v rôznych krokoch syntézy proteínov, ako je popísané nižšie.

1. Úroveň replikácie - Mutácie, ktoré sa vyskytujú počas replikácie DNA, môžu spôsobiť zmeny génovej expresie.
2. Transkripčná úroveň - Transkripcia konkrétneho génu môže byť riadená represormi a aktivátormi.
3. Post-transkripčná úroveň-Génovú expresiu je možné dosiahnuť počas post-transkripčných modifikácií, ako je napríklad zostrih RNA.
4. Translačná úroveň - Transláciu molekuly mRNA je možné ovládať rôznymi procesmi, ako je napríklad interferenčná dráha RNA.
5. Posttranslačná úroveň -Syntézu proteínu je možné regulovať na posttranslačnej úrovni riadením posttranslačných modifikácií.

Regulácia génovej expresie v prokaryotoch sa však dosahuje hlavne počas iniciácie transkripcie. Zahŕňa aktivátory, ktoré pozitívne regulujú génovú expresiu, a represory, ktoré negatívne regulujú génovú expresiu. Regulácia génovej expresie v rôznych krokoch syntézy proteínov je znázornená na obrázku 1.

Obrázok 1: Regulácia génovej expresie

Čo je Lac Operon

Lacný operón označuje zhluk génov zodpovedných za metabolizmus laktózy v E. coli. Lacný operón je teda funkčnou jednotkou genómu E. coli. Všetky gény v lac operóne sú riadené jediným promótorom. Preto sú všetky gény v operóne transkribované spoločne. Génové produkty sú proteíny zodpovedné za transport laktózy do cytosolu bunky a štiepenie laktózy na glukózu. Glukóza sa používa v bunkovom dýchaní na výrobu energie vo forme ATP. Lak operón môže byť prítomný aj v mnohých ďalších enterických baktériách. Štruktúra lac operónu je znázornená na obrázku 2.

Obrázok 2: Lac Operon

Lak operón sa skladá z troch génov kontrolovaných jediným promótorom. Tieto gény sú lacZ, lacY a lacA. Tieto gény sú kódované pre tri enzýmy zapojené do metabolizmu laktózy, známe ako beta-galaktozidáza, beta-galaktozid permeasa a beta-galaktozid transacetyláza. Beta-galaktozidáza sa podieľa na štiepení laktózy na glukózu a galaktózu. Beta-galaktozidová permeáza je vložená do bunkovej membrány, čo umožňuje transport laktózy do cytosolu. Beta-galaktozid transacetyláza sa podieľa na prenose acetylovej skupiny z acetyl Co-A na beta-galaktozid. Transkripcia lac operónu produkuje polycistronickú molekulu mRNA, ktorá produkuje všetky tri génové produkty z jednej molekuly mRNA. Génové produkty lacZ a lacY sú spravidla dostatočné na katabolizmus laktózy.

Okrem týchto troch génov sa lac operón skladá z niekoľkých ďalších regulačné oblasti na ktoré sa môžu viazať rôzne proteíny na kontrolu transkripcie. Kľúčovými regulačnými sekvenciami v lac operóne sú väzbové miesto promótora, operátora a proteínu aktivátora katabolitového proteínu (CAP). The promótor slúži ako väzbové miesto pre RNA polymerázu, enzým zodpovedný za transkripciu génov. The operátor slúži ako negatívne regulačné miesto, na ktoré sa viaže lac represor. The Väzbové miesto CAP slúži ako pozitívne regulačné miesto, na ktoré sa CAP viaže.

Ako je regulovaný Lac Operon

Regulácia expresie génu v prokaryotických génoch sa uskutočňuje pomocou indukovateľné operóny v ktorom sa viažu rôzne typy proteínov, a to buď aktiváciou alebo potlačením transkripcie operónu na základe požiadaviek bunky. Lacový operón je indukovateľný operón. Umožňuje použitie laktózy, disacharidu, na výrobu energie tým, že sa zmení na glukózu, ktorá sa dá ľahko použiť v bunkovom dýchaní, keď glukóza nie je pre bunku k dispozícii. Lak operón je regulovaný v stavoch „vypnúť“ a „zapnúť“ na základe prítomnosti glukózy v bunke. Lakový represor je zodpovedný za režim „vypnutia“ lac operónu, zatiaľ čo CAP je zodpovedný za režim „zapnutia“ lac operónu.

Lac represor

Lac represor označuje senzor laktózy, ktorý blokuje transkripciu lac operónu v prítomnosti glukózy. Použitie glukózy v bunkovom dýchaní vyžaduje menej krokov pri výrobe energie v porovnaní s laktózou. Preto, keď je glukóza v bunke k dispozícii, je ľahko rozložená v bunkových cestách za vzniku energie. Okrem toho, keď sa na dýchanie používa glukóza, je potrebné vyhnúť sa použitiu laktózy na predchádzajúci účel, aby sa dosiahla maximálna účinnosť bunkového dýchania. V tejto situácii je blokovanie transkripcie lac operónu dosiahnuté väzbou lac represora na oblasť operátora lac operónu. Oblasť operátora sa spravidla prekrýva s oblasťou promótora. Preto, keď sa lac represor viaže na operátorovú oblasť, RNA polymeráza nie je schopná väzby na promótorovú oblasť, pretože kompletná promótorová oblasť nie je k dispozícii. Keď je glukóza v bunke ľahko dostupná a laktóza nie je k dispozícii, lac represor sa pevne viaže na oblasť operátora, čím inhibuje transkripciu lac operónu. Regulácia lac operónu je znázornená na obrázku 3.

Obrázok 3: Regulácia Lac Operonu

Katabolitový aktivátorový proteín (CAP)

Proteín CAP označuje represor glukózy, ktorý aktivuje transkripciu lac operónu. Keď bunke dôjde glukóza a laktóza je ľahko dostupná v cytosole, lac represor stratí svoju schopnosť viazať sa s DNA. Preto pláva z oblasti operátora, čím je promótorová oblasť dostupná na väzbu na RNA polymerázu. Keď je laktóza k dispozícii, niektoré molekuly sa premenia na alolaktóza, malý izomér laktózy. Väzba alolaktózy na lac represor spôsobuje jej uvoľnenie z oblasti operátora. Alolaktóza preto slúži ako induktor, ktorý spúšťa expresiu lac operónu. Ďalej je lac operón považovaný za indukovateľný operón.

Samotná RNA polymeráza sa však nemôže dokonale viazať na promótorovú oblasť. CAP preto pomáha v tesnej väzbe RNA polymerázy na promótor. Viaže sa na väzbové miesto CAP upstream k promótoru. Väzba CAP na DNA je regulovaná malou molekulou známou ako cyklický AMP (cAMP). CAMP slúži ako signál hladu produkovaný E. coli v neprítomnosti glukózy. Väzba cAMP na CAP mení konformáciu CAP, čo umožňuje väzbu CAP na väzobné miesto CAP lac operónu. CAMP je však v bunke prítomný, keď sú hladiny glukózy vo vnútri bunky veľmi nízke. Aktiváciu lac operónu je teda možné dosiahnuť iba vtedy, ak pre bunku nie je k dispozícii glukóza. Na záver je možné povedať, že aktiváciu lac operónu je možné dosiahnuť, ak nie je k dispozícii glukóza a laktóza je k dispozícii vo vnútri bunky. Keď v bunke chýba glukóza, ako aj laktóza, lac represor zostáva viazaný na lac operón, čím sa zabráni transkripcii operónu.

Glukóza	Laktóza	Mechanizmus	Nariadenia
Neprítomný	Prítomný	CAP sa viaže na väzbové miesto CAP	Vyjadrenie lac operónu
Prítomný	Neprítomný	lac represor sa viaže na oblasť operátora	Potlačenie lac operónu

Záver

Lak operón je indukovateľný operón, kde sú proteíny požadované metabolizmom laktózy prítomné v zhlukoch génov. Preto transkripcia lac operónu produkuje polycistronickú molekulu mRNA schopnú syntetizovať produkty viacerých génov. Lak operón je exprimovaný iba v neprítomnosti glukózy a prítomnosti laktózy vo vnútri bunky na bunkové dýchanie. Lakový represor sa viaže na oblasť operátora lac operónu, keď je glukóza ľahko dostupná a laktóza nie je k dispozícii. CAP sa viaže na operátora lac operónu, čím napomáha transkripcii, keď je glukóza nedostupná a laktóza je ľahko dostupná. Bunka je teda schopná využiť laktózu v bunkovom dýchaní na výrobu energie.

Obrázok so súhlasom:

1. „Riadenie expresie génov“ od ArneLH-vlastná práca (CC BY-SA 3.0) cez Commons Wikimedia 2. „Lac operon1“ (verejná doména) cez Commons Wikimedia 3. „Lac operon“ (CC BY 2.0) cez Commons Wikimedia

Referencia:

1. „Regulácia prokaryotických génov.“ Lumen / Boundless Biology, k dispozícii tu. 2. „Lacný operón.“ Khan Academy, K dispozícii tu. 3. „Lac Operon: Regulácia génovej expresie v prokaryotoch.“ Biology, Byjus Classes, 21. novembra 2017, K dispozícii tu.