การควบคุมการแสดงออกของยีนในแบคทีเรีย
แบคทีเรียไม่ได้แสดงออกยีนทั้งหมดตลอดเวลา แต่จะเปิดและปิดยีนเพื่อตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม เพื่อให้โปรตีนถูกสร้างขึ้นเมื่อจำเป็นเท่านั้น การควบคุมส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระดับการถอดรหัส โดยทั่วไปผ่านโอเปอรอนที่ยีนที่เกี่ยวข้องถูกควบคุมร่วมกัน ทำให้เซลล์สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสารอาหาร ความเครียด และสัญญาณอื่นๆ ได้อย่างรวดเร็ว
Definition
การควบคุมการแสดงออกของยีนในแบคทีเรียคือชุดของกลไกที่แบคทีเรียใช้ในการควบคุมว่ายีนใดจะถูกถอดรหัสและแปลรหัส และในระดับใด เพื่อตอบสนองต่อสภาวะภายในและสิ่งแวดล้อม
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมตรรกะและกลไกของการควบคุมยีนในแบคทีเรีย: โอเปอรอน, ตัวยับยั้งและตัวกระตุ้น, บทบาทของ RNA polymerase และ sigma factors, และการตอบสนองเชิงควบคุมต่อสัญญาณสิ่งแวดล้อมและความเครียด เป็นภาพรวมอ้างอิงเชิงกลไกและไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก
Core questions
- ยีนแบคทีเรียที่มีหน้าที่เกี่ยวข้องกันถูกควบคุมร่วมกันเป็นหน่วยเดียวได้อย่างไร?
- ตัวยับยั้งและตัวกระตุ้นเปิดและปิดการถอดรหัสได้อย่างไร?
- RNA polymerase ร่วมกับ sigma factors เลือกยีนที่จะถอดรหัสได้อย่างไร?
- แบคทีเรียปรับเปลี่ยนการแสดงออกของยีนเพื่อตอบสนองต่อความเครียดและสภาวะที่เปลี่ยนแปลงไปได้อย่างไร?
Key concepts
- โอเปอรอนและ mRNA แบบ polycistronic
- โปรโมเตอร์และโอเปอเรเตอร์
- ตัวยับยั้งและตัวกระตุ้น
- การกระตุ้นและการยับยั้ง
- เอนไซม์ RNA polymerase core enzyme
- Sigma factors และการเลือกโปรโมเตอร์
- การตอบสนองต่อความเครียดทั่วไป (RpoS)
- การรวมสัญญาณสิ่งแวดล้อม
Key theories
- แบบจำลองโอเปอรอน
- Jacob และ Monod เสนอว่ากลุ่มของยีนที่ถูกถอดรหัสร่วมกันถูกควบคุมเป็นหน่วยเดียวผ่านโปรตีนควบคุมที่จับกับโอเปอเรเตอร์ใกล้โปรโมเตอร์ ซึ่งเป็นกลไกพื้นฐานของการแสดงออกของยีนแบคทีเรียที่สามารถกระตุ้นและยับยั้งได้
Mechanisms
ในแบคทีเรีย ยีนที่มีหน้าที่เกี่ยวข้องกันมักจะถูกจัดเรียงเป็นโอเปอรอนที่ถูกถอดรหัสพร้อมกันจากโปรโมเตอร์เดียว และการแสดงออกของยีนเหล่านี้ถูกควบคุมโดยโปรตีนควบคุม แบบจำลองโอเปอรอนของ Jacob และ Monod แสดงให้เห็นว่าตัวยับยั้งที่จับกับโอเปอเรเตอร์สามารถยับยั้งการถอดรหัสได้จนกว่าสัญญาณกระตุ้นจะปลดปล่อยออกไป ในขณะที่ตัวกระตุ้นสามารถเพิ่มการถอดรหัสได้ ทำให้เซลล์มีการควบคุมที่สามารถกระตุ้นและยับยั้งได้ โปรโมเตอร์ใดที่จะถูกถอดรหัสขึ้นอยู่กับ RNA polymerase ซึ่งความจำเพาะถูกกำหนดโดย sigma factors ที่สามารถสับเปลี่ยนได้ Ishihama ได้ทบทวนว่าการปรับ RNA polymerase และหน่วยย่อย sigma ของมันสามารถปรับเปลี่ยน transcriptome ได้อย่างไร Sigma factors ที่จำเพาะและตัวควบคุมระดับโลกขับเคลื่อนการตอบสนองที่ประสานกันต่อสภาวะที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งแสดงให้เห็นโดยการตอบสนองต่อความเครียดทั่วไปที่ควบคุมโดย RpoS ที่ Battesti และคณะได้อธิบายไว้ ทำให้เซลล์สามารถปรับผลผลิตโปรตีนให้เข้ากับสภาพแวดล้อมได้
Clinical relevance
เครือข่ายการควบคุมควบคุมการแสดงออกของปัจจัยก่อโรค โปรแกรมการอยู่รอดจากความเครียด และปัจจัยบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับการทนต่อยาปฏิชีวนะ ดังนั้นการทำความเข้าใจการควบคุมยีนในแบคทีเรียจึงช่วยให้เห็นว่าเชื้อโรคปรับตัวอย่างไรในระหว่างการติดเชื้อ ข้อมูลนี้อธิบายกลไกการควบคุมและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษา
History
แนวคิดโอเปอรอนที่ Jacob และ Monod นำเสนอในปี 1961 ซึ่งได้มาจากการศึกษาเมแทบอลิซึมของแลคโตสใน Escherichia coli ได้สร้างตรรกะโมเลกุลของการควบคุมยีนและได้รับรางวัลโนเบลในส่วนหนึ่ง งานวิจัยต่อมาเกี่ยวกับ RNA polymerase และตระกูลของ sigma factors ซึ่งทบทวนโดย Ishihama และเกี่ยวกับตัวควบคุมความเครียดระดับโลก เช่น RpoS ซึ่งทบทวนโดย Battesti และคณะ ได้ขยายแนวคิดนี้ให้เป็นภาพของเครือข่ายการควบคุมแบบหลายชั้น
Key figures
- Francois Jacob
- Jacques Monod
- Akira Ishihama
- Susan Gottesman
Related topics
Seminal works
- jacob-monod-1961
- ishihama-2000
- battesti-2011
Frequently asked questions
- โอเปอรอนคืออะไร?
- โอเปอรอนคือกลุ่มของยีนแบคทีเรียที่ถูกถอดรหัสพร้อมกันจากโปรโมเตอร์เดียวเป็น messenger RNA หนึ่งโมเลกุล เพื่อให้ยีนที่มีหน้าที่เกี่ยวข้องกันถูกควบคุมเป็นหน่วยเดียว
- Sigma factors ทำหน้าที่อะไร?
- Sigma factors เป็นหน่วยย่อยที่สามารถสับเปลี่ยนได้ของ RNA polymerase ในแบคทีเรีย ซึ่งกำหนดว่าเอนไซม์จะจดจำโปรโมเตอร์ใด ทำให้เซลล์สามารถเปิดหรือปิดโปรแกรมการแสดงออกของยีนทั้งหมดเพื่อตอบสนองต่อสภาวะต่างๆ เช่น ความเครียด