Оперон - Operon

Не путать с Opteron или Оберон.
Типичный оперон

В генетика, оперон функционирующая единица ДНК содержащий группу гены под контролем единственного промоутер.[1] Гены записано вместе в мРНК прядь и либо переведено вместе в цитоплазме или подвергаются сращивание создать моноцистронный мРНК, которые транслируются отдельно, то есть несколько цепей мРНК, каждая из которых кодирует один генный продукт. В результате гены, содержащиеся в опероне, либо выразил вместе или нет. Должно быть несколько генов транскрибируется определить оперон.[2]

Первоначально считалось, что опероны существуют только в прокариоты (который включает в себя органеллы подобно пластиды которые получены из бактерии ), но с момента открытия первых оперонов в эукариоты в начале 1990-х,[3][4] появилось больше доказательств того, что они встречаются чаще, чем предполагалось ранее.[5] В общем, экспрессия прокариотических оперонов приводит к генерации полицистронный мРНК, в то время как эукариотические опероны приводят к моноцистронным мРНК.

Опероны также встречаются в таких вирусах, как бактериофаги.[6][7] Например, Фаги Т7 имеют два оперона. Первые коды оперонов для различных продуктов, в том числе специальные РНК-полимераза Т7 который может связываться со вторым опероном и транскрибировать его. Второй оперон включает в себя лизис ген, предназначенный для разрушения клетки-хозяина.[8]

История

Термин «оперон» был впервые предложен в небольшой статье в Proceedings of the Французская Академия Наук в 1960 г.[9] На основе этой статьи была разработана так называемая общая теория оперона. Эта теория предполагала, что во всех случаях гены в опероне отрицательно контролируются репрессор выступая на едином оператор расположен перед первым геном. Позже было обнаружено, что гены могут положительно регулироваться, а также регулироваться на этапах, следующих за инициацией транскрипции. Следовательно, нельзя говорить об общем механизме регуляции, потому что разные опероны имеют разные механизмы. Сегодня оперон просто определяется как кластер генов, транскрибированных в одну молекулу мРНК. Тем не менее разработка концепции считается знаковым событием в истории молекулярной биологии. Первым описанным опероном был лак оперон в Кишечная палочка.[9] 1965 год Нобелевская премия по физиологии и медицине был присужден Франсуа Жакоб, Андре Мишель Львофф и Жак Моно за открытия, касающиеся оперона и синтеза вирусов.

Обзор

Изображение выше содержит интерактивные ссылки
Структура прокариотический оперон кодирования белков гены. Нормативная последовательность контролирует, когда выражение происходит для нескольких белковые кодирующие области (красный). Промоутер, оператор и усилитель области (желтый) регулируют транскрипция гена в мРНК. МРНК непереведенные регионы (синий) регулировать перевод в конечные белковые продукты.[10]

Опероны встречаются преимущественно в прокариоты но и в некоторых эукариоты, в том числе нематоды такие как C. elegans и плодовая муха, Drosophila melanogaster. рРНК гены часто присутствуют в оперонах, которые были обнаружены у ряда эукариот, включая хордовые. Оперон состоит из нескольких структурные гены организован под общим промоутер и регулируется общим оператором. Он определяется как набор смежных структурных генов плюс смежные регуляторные сигналы, которые влияют на транскрипцию структурных генов.5[11] Регуляторы данного оперона, в том числе репрессоры, корепрессоры, и активаторы, не обязательно кодируются этим опероном. Расположение и состояние регуляторов, промотора, оператора и структурных последовательностей ДНК могут определять эффекты общих мутаций.

Опероны связаны с регулоны, стимуляторы и модуляоны; тогда как опероны содержат набор генов, регулируемых одним и тем же оператором, регулоны содержат набор генов, регулируемых одним регуляторным белком, а стимулоны содержат набор генов, регулируемых одним клеточным стимулом. По мнению его авторов, термин «оперон» произошел от глагола «работать».[12]

Как единица транскрипции

Оперон содержит один или несколько структурные гены которые обычно записываются в один полицистронный мРНК (одна молекула мРНК, кодирующая более одного белок ). Однако определение оперона не требует, чтобы мРНК была полицистронной, хотя на практике это обычно так.[5] Перед структурными генами лежит промоутер последовательность, которая обеспечивает сайт для РНК-полимераза связывать и инициировать транскрипцию. Рядом с промотором находится участок ДНК, называемый оператор.

Опероны против кластеризации прокариотических генов

Все структурные гены оперона включаются или выключаются вместе из-за наличия одного промотора и оператора перед ними, но иногда требуется больший контроль над экспрессией гена. Для достижения этого аспекта некоторые бактериальные гены расположены рядом друг с другом, но для каждого из них есть свой промотор; это называется кластеризация генов. Обычно эти гены кодируют белки, которые работают вместе по одному и тому же пути, например метаболическому пути. Кластеризация генов помогает прокариотической клетке производить метаболические ферменты в правильном порядке.[13]

Общая структура

1: РНК-полимераза, 2: Репрессор, 3: Промоутер, 4: Оператор, 5: Лактоза, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA. верхний: Ген по сути выключен. Нет лактозы, ингибирующей репрессор, поэтому репрессор связывается с оператором, что препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором и выработке лактазы. Дно: Ген включен. Лактоза ингибирует репрессор, позволяя РНК-полимеразе связываться с промотором и экспрессировать гены, которые синтезируют лактазу. В конце концов, лактаза переваривает всю лактозу до тех пор, пока она не перестанет связываться с репрессором. Затем репрессор свяжется с оператором, остановив производство лактазы.

Оперон состоит из 3 основных компонентов ДНК:

  • Промоутер - а нуклеотид последовательность, которая позволяет гену быть записано. Промоутер признан РНК-полимераза, который затем инициирует транскрипцию. При синтезе РНК промоторы указывают, какие гены следует использовать для создания информационной РНК, и, как следствие, контролировать, какие белки вырабатывает клетка.
  • Оператор - сегмент ДНК к которому репрессор связывает. Это классически определяется в лак оперон как сегмент между промотором и генами оперона.[14] Главный оператор (O1) в лак оперон расположен немного ниже промотора; два дополнительных оператора, O1 и O3, расположены на -82 и +412 соответственно. В случае репрессора, репрессорный белок физически препятствует РНК-полимеразе транскрибировать гены.
  • Структурные гены - гены, которые совместно регулируются опероном.

Не всегда входит в состав оперона, но важен в его функции регуляторный ген, постоянно экспрессируемый ген, который кодирует белки-репрессоры. Регуляторный ген не обязательно должен находиться внутри, рядом или даже рядом с опероном, чтобы контролировать его.[15]

An индуктор (малая молекула) может вытеснять репрессор (белок) с сайта оператора (ДНК), в результате чего оперон становится неингибированным.

В качестве альтернативы корепрессор может связываться с репрессором, чтобы разрешить его привязку к сайту оператора. Хороший пример такого регулирования виден для trp оперон.

Регулирование

Управление опероном - это разновидность генная регуляция что позволяет организмам регулировать экспрессию различных генов в зависимости от условий окружающей среды. Регулирование оперона может быть либо отрицательным, либо положительным путем индукции или репрессии.[14]

Отрицательный контроль предполагает привязку репрессор оператору для предотвращения транскрипции.

  • В отрицательные индуцибельные опероны, регуляторный белок-репрессор обычно связан с оператором, что предотвращает транскрипцию генов оперона. Если индуктор Молекула присутствует, она связывается с репрессором и меняет свою конформацию так, что она не может связываться с оператором. Это позволяет экспрессировать оперон. В лак оперон отрицательно контролируемый индуцибельный оперон, где молекула-индуктор аллолактоза.
  • В отрицательные репрессивные оперонытранскрипция оперона обычно имеет место. Репрессорные белки производятся регуляторный ген, но они не могут связываться с оператором в своей нормальной конформации. Однако определенные молекулы, называемые корепрессорами, связываются с репрессорным белком, вызывая конформационные изменения активного сайта. Активированный белок-репрессор связывается с оператором и предотвращает транскрипцию. В trp оперон, участвующих в синтезе триптофан (который сам действует как корепрессор) является отрицательно контролируемым репрессируемым опероном.

Опероны также можно положительно контролировать. При положительном контроле активатор белок стимулирует транскрипцию за счет связывания с ДНК (обычно не на сайте оператора).

  • В положительные индуцибельные опероныбелки-активаторы обычно не способны связываться с соответствующей ДНК. Когда индуктор связывается белком-активатором, он претерпевает изменение конформации, так что он может связываться с ДНК и активировать транскрипцию.
  • В положительные репрессивные опероныбелки-активаторы обычно связаны с соответствующим сегментом ДНК. Однако когда ингибитор связывается активатором, предотвращается связывание ДНК. Это останавливает активацию и транскрипцию системы.

В лак оперон

Основная статья: лак оперон

В лак оперон модель бактерия кишечная палочка был первым открытым опероном, который представляет собой типичный пример функции оперона. Он состоит из трех смежных структурные гены, а промоутер, а терминатор, и оператор. В лак оперон регулируется несколькими факторами, включая доступность глюкоза и лактоза. Его можно активировать аллолактоза. Лактоза связывается с репрессорным белком и предотвращает репрессию транскрипции гена. Это пример депрессивный (сверху: отрицательно индуцибельная) модель. Итак, это отрицательный индуцибельный оперон, индуцированный присутствием лактозы или аллолактозы.

В trp оперон

Основная статья: trp оперон

Открыт в 1953 г. Жак Моно и коллег, оперон trp в Кишечная палочка был первым обнаруженным подавляемым опероном. В то время как lac-оперон может быть активирован химическим (аллолактоза ) оперон триптофана (Trp) ингибируется химическим веществом (триптофаном). Этот оперон содержит пять структурных генов: trp E, trp D, trp C, trp B и trp A, который кодирует триптофансинтетаза. Он также содержит промотор, который связывается с РНК-полимеразой, и оператор, который блокирует транскрипцию при связывании с белком, синтезируемым геном-репрессором (trp R), который связывается с оператором. В lac-опероне лактоза связывается с репрессорным белком и предотвращает репрессию транскрипции гена, тогда как в trp-опероне триптофан связывается с репрессорным белком и позволяет ему репрессировать транскрипцию гена. Также в отличие от оперона lac, оперон trp содержит лидерный пептид и аттенюатор последовательность, которая позволяет ступенчатое регулирование.[16] Это пример сжатый модель.

Прогнозирование количества и организации оперонов

Число и организация оперонов наиболее критически изучены в Кишечная палочка. В результате прогнозы могут быть сделаны на основе геномной последовательности организма.

Один из методов прогнозирования использует межгенное расстояние между рамками считывания в качестве основного предиктора количества оперонов в геноме. Разделение просто изменяет фрейм и гарантирует эффективное чтение. Более длинные участки существуют там, где опероны начинаются и заканчиваются, часто до 40–50 оснований.[17]

Альтернативный метод прогнозирования оперонов основан на обнаружении кластеров генов, в которых порядок и ориентация генов сохраняются в двух или более геномах.[18]

Предсказание оперона становится еще более точным, если учитывать функциональный класс молекул. Бактерии сгруппировали свои рамки считывания в единицы, разделенные совместным участием в белковые комплексы, общие пути или общие субстраты и переносчики. Таким образом, точный прогноз потребовал бы всех этих данных, что действительно является сложной задачей.

Паскаль Коссарт лаборатория первой экспериментально идентифицировала все опероны микроорганизма, Listeria monocytogenes. 517 полицистронных оперонов перечислены в исследовании 2009 года, описывающем глобальные изменения транскрипции, которые происходят в L. monocytogenes в разных условиях.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Садава Д.Е., Хиллис Д.М., Хеллер Х.С., Беренбаум М. (2009). Жизнь: Наука биологии (9-е изд.). Макмиллан. п. 349. ISBN  978-1-4292-1962-4.
  2. ^ Лодиш Х, Зипурски Л., Мацудаира П., Балтимор Д., Дарнел Дж. (2000). «Глава 9: Молекулярное определение гена». Молекулярная клеточная биология. В. Х. Фриман. ISBN  978-0-7167-3136-8.
  3. ^ Спит Дж., Брук Дж., Куэрстен С., Леа К., Блюменталь Т. (май 1993 г.). «Опероны в C. elegans: полицистронные предшественники мРНК процессируются путем транс-сплайсинга SL2 в нижележащие кодирующие области». Клетка. 73 (3): 521–32. Дои:10.1016 / 0092-8674 (93) 90139-Н. PMID  8098272.
  4. ^ Brogna S, Ashburner M (апрель 1997 г.). «Связанный с Adh ген Drosophila melanogaster выражается как функциональная дицистронная информационная РНК: мультигенная транскрипция в высших организмах». Журнал EMBO. 16 (8): 2023–31. Дои:10.1093 / emboj / 16.8.2023. ЧВК  1169805. PMID  9155028.
  5. ^ а б Блюменталь Т. (ноябрь 2004 г.). «Опероны у эукариот». Брифинги по функциональной геномике и протеомике. 3 (3): 199–211. Дои:10.1093 / bfgp / 3.3.199. PMID  15642184.
  6. ^ «Определение оперона». Медицинский словарь. MedicineNet.com. Получено 30 декабря 2012.
  7. ^ Лю Дж., Мушегян А. (июль 2004 г.). «Смещения генов протеаз прогеда в поздних оперонах двухцепочечных ДНК бактериофагов». Журнал бактериологии. 186 (13): 4369–75. Дои:10.1128 / JB.186.13.4369-4375.2004. ЧВК  421614. PMID  15205439.
  8. ^ «Бактериофаги используют опероны». Прокариотический генный контроль. Дартмутский колледж. Архивировано из оригинал 28 января 2013 г.. Получено 30 декабря 2012.
  9. ^ а б Джейкоб Ф., Перрин Д., Санчес С., Монод Дж. (Февраль 1960 г.). «[Оперон: группа генов, экспрессия которых координируется оператором]» [Оперон: группа генов, экспрессия которых координируется оператором] (PDF). Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences (Факсимильная версия переиздана в 2005 г.) (на французском языке). 250 (6): 1727–9. PMID  14406329. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2015-08-27.
  10. ^ Шафи, Томас; Лоу, Рохан (2017). «Структура эукариотических и прокариотических генов». WikiJournal of Медицина. 4 (1). Дои:10.15347 / wjm / 2017.002. ISSN  2002-4436.
  11. ^ Миллер Дж. Х., Сузуки Д. Т., Гриффитс А. Дж., Левонтин Р. К., Весслер С. Р., Гелбарт В. М. (2005). Введение в генетический анализ (8-е изд.). Сан-Франциско: W.H. Фримен. п. 740. ISBN  978-0-7167-4939-4.
  12. ^ Джейкоб Ф (Май 2011 г.). «Рождение оперона». Наука. 332 (6031): 767. Bibcode:2011Sci ... 332..767J. Дои:10.1126 / science.1207943. PMID  21566161.
  13. ^ Ли Дж. М., Зоннхаммер Э.Л. (май 2003 г.). «Геномный кластерный анализ путей у эукариот». Геномные исследования. 13 (5): 875–82. Дои:10.1101 / гр.737703. ЧВК  430880. PMID  12695325.
  14. ^ а б Левин Б. (1990). Гены IV (4-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр.243–58. ISBN  978-0-19-854267-4.
  15. ^ Майер Г. "Бактериология - Глава девятая генетические механизмы регуляции". Микробиология и иммунология онлайн. Школа медицины Университета Южной Каролины. Получено 30 декабря 2012.
  16. ^ Каммингс М.С., Клуг В.С. (2006). Концепции генетики (8-е изд.). Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education. С. 394–402. ISBN  978-0-13-191833-7.
  17. ^ Salgado H, Moreno-Hagelsieb G, Smith TF, Collado-Vides J (июнь 2000 г.). «Опероны у Escherichia coli: геномный анализ и прогнозы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 97 (12): 6652–7. Bibcode:2000PNAS ... 97.6652S. Дои:10.1073 / pnas.110147297. ЧВК  18690. PMID  10823905.
  18. ^ Ермолаева М.Д., Белый О., Зальцберг С.Л. (март 2001 г.). «Прогнозирование оперонов в микробных геномах». Исследования нуклеиновых кислот. 29 (5): 1216–21. Дои:10.1093 / nar / 29.5.1216. ЧВК  29727. PMID  11222772.
  19. ^ Толедо-Арана А, Дюссурже О, Никитас Джи, Сесто Н, Гет-Ревилле Х, Балестрино Д, Ло Э, Грипенланд Дж., Тиенсуу Т., Вайткявичюс К., Бартелеми М., Вергассола М, Нахори М.А., Субигу Дж., Регно Б, JY, Lecuit M, Johansson J, Cossart P (июнь 2009 г.). «Транскрипционный ландшафт Listeria от сапрофитизма до вирулентности». Природа. 459 (7249): 950–6. Bibcode:2009Натура.459..950т. Дои:10.1038 / природа08080. PMID  19448609.

внешняя ссылка