Опероны и регуляция генов у прокариот

Оперон — кластер сгруппированных генов под общим контролем — а также репрессоры и активаторы, которые позволяют бактериям включать и выключать метаболические гены в ответ на изменения окружающей среды.

Definition

Оперон — это кластер бактериальных генов, транскрибируемых как единая единица с одного промотора под общим регуляторным контролем; регуляция генов у прокариот — это использование белков-репрессоров и активаторов, действующих на операторную и промоторную ДНК для настройки экспрессии оперона в ответ на клеточные сигналы.

Scope

Эта тема охватывает регуляцию генов у прокариот, сосредоточенную на опероне. В ней рассматриваются операторные и промоторные элементы, отрицательный контроль с помощью репрессоров и положительный контроль с помощью активаторов, индукция и репрессия сигналами малых молекул, а также классические примеры, такие как lac- и trp-опероны. В ней рассматривается логика регуляции у прокариот; эукариотический контроль и контроль на уровне хроматина рассматриваются в сопутствующих темах.

Core questions

• Что такое оперон и почему бактериальные гены часто организованы таким образом?
• Как репрессоры и операторы обеспечивают отрицательный контроль?
• Как активаторы и сигналы малых молекул обеспечивают положительный контроль и индукцию?
• Как lac- и trp-опероны иллюстрируют индуцибельную и репрессибельную регуляцию?

Key theories

Модель оперона

Жакоб и Моно предположили, что регуляторный ген кодирует репрессор, который связывается с оператором для контроля транскрипции соседних структурных генов, объясняя скоординированную, реагирующую на сигналы экспрессию генов у бактерий.

Отрицательный и положительный контроль

Опероны могут контролироваться отрицательно, с помощью репрессоров, которые блокируют транскрипцию до тех пор, пока не будут удалены индуктором, и положительно, с помощью активаторов, которые необходимы для включения транскрипции, что позволяет гибко реагировать на питательные вещества и сигналы.

Mechanisms

В опероне один промотор управляет транскрипцией нескольких структурных генов. Белок-репрессор, продукт регуляторного гена, может связываться с оператором, блокируя полимеразу; молекула-индуктор, связываясь с репрессором, снимает эту блокаду, включая оперон, как в случае lac-оперона. И наоборот, корепрессор может активировать репрессор, чтобы выключить биосинтетический оперон, как в случае trp-оперона. Положительный контроль добавляет белки-активаторы, которые, связываясь вблизи промотора, необходимы для эффективной транскрипции, интегрируя множественные сигналы в решение об экспрессии генов.

Clinical relevance

Логика оперонов лежит в основе реакции бактерий на антибиотики и питательный стресс, а также лежит в основе разработки синтетических генных цепей; представлено как значимость, а не как клиническое руководство.

History

Исследования lac-оперона Жакоба и Моно, опубликованные в 1961 году, определили оперон и механизм репрессор-оператор, принеся им часть Нобелевской премии по физиологии или медицине 1965 года и предоставив основу для понимания регуляции генов.

Key figures

• François Jacob
• Jacques Monod
• André Lwoff

Seminal works

• jacob1961
• watson2013

Frequently asked questions

Что такое lac-оперон?

Кластер генов у E. coli для использования лактозы, контролируемый репрессором, который высвобождается при наличии лактозы, включая гены только тогда, когда это необходимо.

В чем разница между индуцибельным и репрессибельным опероном?

Индуцибельный оперон обычно выключен и включается индуктором; репрессибельный оперон обычно включен и выключается, когда корепрессор сигнализирует о том, что его продукт в изобилии.