แบบจำลองโอเปอรอนและการควบคุมการแสดงออกของยีนในโปรคาริโอต

ในแบคทีเรีย ยีนที่มีความสัมพันธ์กันทางหน้าที่มักจะถูกจัดเรียงอยู่ด้วยกันและถอดรหัสเป็นหน่วยเดียวที่เรียกว่าโอเปอรอน ซึ่งการแสดงออกของยีนจะถูกเปิดหรือปิดโดยโปรตีนควบคุมที่ตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมของเซลล์ แบบจำลองโอเปอรอนที่เสนอโดย Jacob และ Monod สำหรับระบบแลคโตสของ Escherichia coli ได้กลายเป็นกรอบแนวคิดพื้นฐานในการทำความเข้าใจว่าการแสดงออกของยีนถูกควบคุมได้อย่างไร

Definition

โอเปอรอนคือกลุ่มของยีนแบคทีเรียที่ถูกถอดรหัสร่วมกันภายใต้การควบคุมของโปรโมเตอร์และโอเปอเรเตอร์เดี่ยว ซึ่งการถอดรหัสถูกควบคุมโดยโปรตีนรีเพรสเซอร์หรือแอคติเวเตอร์ที่ตอบสนองต่อสัญญาณโมเลกุลขนาดเล็ก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างของโอเปอรอน (โปรโมเตอร์, โอเปอเรเตอร์, และยีนโครงสร้างที่อยู่รวมกันเป็นกลุ่ม), การทำงานของรีเพรสเซอร์และแอคติเวเตอร์, ความแตกต่างระหว่างระบบที่ถูกเหนี่ยวนำได้ (inducible) และระบบที่ถูกยับยั้งได้ (repressible), และการควบคุมเชิงลบเทียบกับการควบคุมเชิงบวก โดยใช้ระบบแลคโตสและทริปโตเฟนเป็นตัวอย่างหลัก หัวข้อนี้ถือว่าการควบคุมในโปรคาริโอตเป็นแนวคิดทางโมเลกุลพื้นฐาน ไม่ใช่เนื้อหาทางคลินิก

Core questions

• ยีนแบคทีเรียที่มีความสัมพันธ์กันทางหน้าที่แสดงออกร่วมกันได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างการควบคุมเชิงลบ (การยับยั้ง) และการควบคุมเชิงบวก (การกระตุ้น)?
• สัญญาณโมเลกุลขนาดเล็กสามารถเปิดหรือปิดกลุ่มยีนได้อย่างไร?
• เหตุใดการจัดเรียงแบบโอเปอรอนจึงเป็นประโยชน์ในโปรคาริโอต?

Key concepts

• โปรโมเตอร์, โอเปอเรเตอร์, และยีนโครงสร้าง
• โปรตีนรีเพรสเซอร์และแอคติเวเตอร์
• โอเปอรอนที่ถูกเหนี่ยวนำได้เทียบกับโอเปอรอนที่ถูกยับยั้งได้
• การควบคุมเชิงลบเทียบกับการควบคุมเชิงบวก
• ตัวเหนี่ยวนำและตัวร่วมยับยั้ง
• Polycistronic messenger RNA
• การยับยั้งด้วยแคแทบอไลต์

Key theories

แบบจำลองโอเปอรอน

Jacob และ Monod เสนอว่ายีนควบคุมเข้ารหัสรีเพรสเซอร์ที่จับกับโอเปอเรเตอร์เพื่อขัดขวางการถอดรหัสของยีนโครงสร้างที่อยู่ติดกัน และตัวเหนี่ยวนำสามารถทำให้รีเพรสเซอร์ไม่ทำงานเพื่อเปิดยีน ซึ่งอธิบายการแสดงออกของยีนแบคทีเรียที่ประสานกันและถูกเหนี่ยวนำได้

การควบคุมโดยการดึงดูด

Ptashne และ Gann ได้สรุปการกระตุ้นในโปรคาริโอตว่าเป็นการดึงดูด RNA polymerase ไปยังโปรโมเตอร์ผ่านการสัมผัสระหว่างโปรตีน-โปรตีน โดยกำหนดให้การควบคุมเชิงบวกเป็นปัญหาการจับกัน

Mechanisms

ในโอเปอรอนที่ถูกเหนี่ยวนำได้ซึ่งมีการควบคุมเชิงลบ เช่น lac operon โปรตีนรีเพรสเซอร์จะจับกับโอเปอเรเตอร์และขัดขวางการถอดรหัสของยีนโครงสร้างที่อยู่ถัดไป เมื่อตัวเหนี่ยวนำ (เมแทบอไลต์ที่ส่งสัญญาณว่ามีสารตั้งต้นอยู่) จับกับรีเพรสเซอร์ รีเพรสเซอร์จะปล่อยโอเปอเรเตอร์และกระบวนการถอดรหัสจะดำเนินต่อไป ในโอเปอรอนที่ถูกยับยั้งได้ เช่น trp operon โปรตีนควบคุมจะจับกับโอเปอเรเตอร์ก็ต่อเมื่อมีตัวกระตุ้น (ตัวร่วมยับยั้ง ซึ่งมักจะเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย) อยู่เท่านั้น โดยจะปิดยีนเมื่อผลิตภัณฑ์มีปริมาณมาก การควบคุมเชิงบวกจะเพิ่มโปรตีนแอคติเวเตอร์ที่เพิ่มการถอดรหัส เช่นในการยับยั้งด้วยแคแทบอไลต์ (catabolite repression) ที่แอคติเวเตอร์ที่จับกับ cyclic-AMP จะดึง RNA polymerase ไปยังโปรโมเตอร์ที่อ่อนแอ เนื่องจากยีนที่อยู่รวมกันเป็นกลุ่มใช้โปรโมเตอร์เดียวกัน ยีนเหล่านี้จึงถูกถอดรหัสลงบน messenger RNA แบบ polycistronic เดียวกันและแสดงออกพร้อมกัน ซึ่งเป็นความประหยัดที่เห็นได้โดยตรงจากภาพถ่ายจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในยุคแรกๆ ของยีนแบคทีเรียที่กำลังถูกถอดรหัสและแปลรหัส

Clinical relevance

ตรรกะของโอเปอรอนเป็นพื้นฐานว่าแบคทีเรียควบคุมเมแทบอลิซึมอย่างไร และในระบบที่เกี่ยวข้อง ควบคุมยีนที่เกี่ยวข้องกับความรุนแรงของโรคและยีนดื้อยาปฏิชีวนะ ดังนั้นจึงเป็นส่วนหนึ่งของพื้นฐานแนวคิดสำหรับจุลชีววิทยาและชีววิทยาการติดเชื้อ ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

แนวคิดโอเปอรอนเกิดขึ้นจากการศึกษาเมแทบอลิซึมของแลคโตสใน Escherichia coli และได้รับการจัดรูปแบบในบทความของ Jacob และ Monod ในปี 1961 ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี 1965 การมองเห็นการถอดรหัสโดยตรงโดย Miller และคณะในปี 1970 ยืนยันลักษณะการแสดงออกของยีนแบคทีเรียที่เป็นแบบคู่และ polycistronic และงานวิจัยในภายหลังได้ชี้แจงการควบคุมเชิงบวกและหลักการทั่วไปของการควบคุมโดยการดึงดูด

Key figures

• François Jacob
• Jacques Monod
• Mark Ptashne

Seminal works

• jacob-monod-1961
• miller-1970
• ptashne-1997

Frequently asked questions

อะไรคือความแตกต่างระหว่างโอเปอรอนที่ถูกเหนี่ยวนำได้และโอเปอรอนที่ถูกยับยั้งได้?

โอเปอรอนที่ถูกเหนี่ยวนำได้ (เช่น lac) โดยปกติจะปิดอยู่และจะถูกเปิดโดยตัวเหนี่ยวนำ; โอเปอรอนที่ถูกยับยั้งได้ (เช่น trp) โดยปกติจะเปิดอยู่และจะถูกปิดเมื่อตัวร่วมยับยั้งส่งสัญญาณว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายมีปริมาณมาก

เหตุใดโอเปอรอนจึงพบได้ทั่วไปในแบคทีเรียแต่พบน้อยในยูคาริโอต?

ยีนแบคทีเรียสามารถถูกถอดรหัสร่วมกันบน messenger RNA แบบ polycistronic เดียวกันเพื่อการควบคุมที่ประสานกัน ในขณะที่สารถอดรหัสของยูคาริโอตโดยทั่วไปเป็นแบบ monocistronic และการควบคุมจะกระจายไปทั่วโครมาติน, เอนแฮนเซอร์, และขั้นตอนหลังการถอดรหัส