مدل اپرون و تنظیم ژن در پروکاریوتها
در باکتریها، ژنهای مرتبط از نظر عملکردی اغلب در کنار هم قرار گرفته و به عنوان یک واحد منفرد به نام اپرون رونویسی میشوند. بیان این اپرونها توسط پروتئینهای تنظیمی که به محیط سلول پاسخ میدهند، روشن یا خاموش میشود. مدل اپرون که توسط ژاکوب و مونو برای سیستم لاکتوز اشریشیا کلی پیشنهاد شد، چارچوب اصلی برای درک چگونگی کنترل بیان ژن گردید.
Definition
اپرون خوشهای از ژنهای باکتریایی است که تحت کنترل یک پروموتر و اپراتور منفرد به طور همزمان رونویسی میشوند و رونویسی آنها توسط پروتئینهای سرکوبکننده یا فعالکننده که به سیگنالهای مولکول کوچک پاسخ میدهند، تنظیم میشود.
Scope
این موضوع ساختار اپرون (پروموتر، اپراتور و ژنهای ساختاری خوشهای)، عملکرد سرکوبکنندهها و فعالکنندهها، تمایز بین سیستمهای القایی و سرکوبپذیر، و کنترل منفی در مقابل کنترل مثبت را با استفاده از سیستمهای لاکتوز و تریپتوفان به عنوان مثالهای اصلی پوشش میدهد. این مبحث تنظیم پروکاریوتی را به عنوان یک مفهوم مولکولی بنیادی، و نه به عنوان محتوای بالینی، بررسی میکند.
Core questions
- ژنهای باکتریایی مرتبط از نظر عملکردی چگونه به صورت هماهنگ بیان میشوند؟
- چه چیزی کنترل منفی (سرکوب) را از کنترل مثبت (فعالسازی) متمایز میکند؟
- یک سیگنال مولکول کوچک چگونه یک خوشه ژنی را روشن یا خاموش میکند؟
- چرا آرایش اپرون در پروکاریوتها سودمند است؟
Key concepts
- پروموتر، اپراتور و ژنهای ساختاری
- پروتئینهای سرکوبکننده و فعالکننده
- اپرونهای القایی در مقابل سرکوبپذیر
- کنترل منفی در مقابل کنترل مثبت
- القاکنندهها و همسرکوبکنندهها
- mRNA پلیسیسترونیک
- سرکوب کاتابولیتی
Key theories
- مدل اپرون
- ژاکوب و مونو پیشنهاد کردند که یک ژن تنظیمی یک سرکوبکننده را کد میکند که به اپراتور متصل میشود تا رونویسی ژنهای ساختاری مجاور را مسدود کند، و یک القاکننده میتواند سرکوبکننده را غیرفعال کند تا ژنها را روشن کند، که بیان ژن باکتریایی هماهنگ و القایی را توضیح میدهد.
- تنظیم از طریق جذب
- پتاشن و گان فعالسازی پروکاریوتی را به عنوان جذب RNA پلیمراز به پروموتر از طریق تماسهای پروتئین-پروتئین تعمیم دادند و کنترل مثبت را به عنوان یک مسئله اتصال چارچوببندی کردند.
Mechanisms
در یک اپرون القایی با کنترل منفی مانند اپرون lac، یک پروتئین سرکوبکننده به اپراتور متصل شده و رونویسی ژنهای ساختاری پاییندست را مسدود میکند؛ هنگامی که یک القاکننده (متابولیتی که نشاندهنده حضور سوبسترا است) به سرکوبکننده متصل میشود، سرکوبکننده از اپراتور جدا شده و رونویسی ادامه مییابد. در یک اپرون سرکوبپذیر مانند اپرون trp، پروتئین تنظیمی تنها زمانی به اپراتور متصل میشود که یک عامل (یک همسرکوبکننده، که اغلب محصول نهایی است) وجود داشته باشد، و ژنها را زمانی که محصول فراوان است خاموش میکند. کنترل مثبت، پروتئینهای فعالکننده را اضافه میکند که رونویسی را افزایش میدهند، مانند سرکوب کاتابولیتی که در آن یک فعالکننده متصل به cAMP، RNA پلیمراز را به پروموترهای ضعیف جذب میکند. از آنجا که ژنهای خوشهای یک پروموتر مشترک دارند، آنها بر روی یک mRNA پلیسیسترونیک منفرد رونویسی شده و با هم بیان میشوند، که یک صرفهجویی است که مستقیماً در تصاویر میکروسکوپ الکترونی اولیه از ژنهای باکتریایی در حال رونویسی و ترجمه مشاهده شده است.
Clinical relevance
منطق اپرون زیربنای چگونگی تنظیم متابولیسم توسط باکتریها و در سیستمهای مرتبط، عوامل بیماریزا و ژنهای مقاومت آنتیبیوتیکی است، بنابراین بخشی از پیشزمینه مفهومی میکروبیولوژی و زیستشناسی عفونت را تشکیل میدهد. این مدخل آموزشی است و راهنمایی تشخیصی یا درمانی ارائه نمیدهد.
History
مفهوم اپرون از مطالعات متابولیسم لاکتوز در اشریشیا کلی پدید آمد و در مقاله ژاکوب و مونو در سال 1961 رسمیت یافت، کاری که با جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی در سال 1965 به رسمیت شناخته شد. مشاهده مستقیم رونویسی توسط میلر و همکارانش در سال 1970، ماهیت جفتشده و پلیسیسترونیک بیان ژن باکتریایی را تأیید کرد، و کارهای بعدی کنترل مثبت و اصل کلی تنظیم از طریق جذب را روشن ساخت.
Key figures
- François Jacob
- Jacques Monod
- Mark Ptashne
Related topics
Seminal works
- jacob-monod-1961
- miller-1970
- ptashne-1997
Frequently asked questions
- تفاوت بین اپرون القایی و سرکوبپذیر چیست؟
- یک اپرون القایی (مانند lac) به طور معمول خاموش است و توسط یک القاکننده روشن میشود؛ یک اپرون سرکوبپذیر (مانند trp) به طور معمول روشن است و زمانی که یک همسرکوبکننده سیگنال میدهد که محصول نهایی آن فراوان است، خاموش میشود.
- چرا اپرونها در باکتریها رایج هستند اما در یوکاریوتها نادر؟
- ژنهای باکتریایی میتوانند بر روی یک mRNA پلیسیسترونیک برای کنترل هماهنگ به طور همزمان رونویسی شوند، در حالی که رونویسیهای یوکاریوتی معمولاً تکسیسترونیک هستند و تنظیم در سراسر کروماتین، تقویتکنندهها و مراحل پسارونویسی توزیع شده است.