โอเปอรอนและการควบคุมยีนในโปรคาริโอต

โอเปอรอน — กลุ่มยีนที่อยู่ภายใต้การควบคุมร่วมกัน — และตัวยับยั้ง (repressors) และตัวกระตุ้น (activators) ที่ช่วยให้แบคทีเรียสามารถเปิดและปิดยีนเมแทบอลิซึมเพื่อตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมได้

Definition

โอเปอรอนคือกลุ่มของยีนแบคทีเรียที่ถูกถอดรหัสเป็นหน่วยเดียวจากโปรโมเตอร์หนึ่งภายใต้การควบคุมร่วมกัน ส่วนการควบคุมยีนในโปรคาริโอตคือการใช้โปรตีนตัวยับยั้งและตัวกระตุ้นที่ออกฤทธิ์ต่อ DNA ของโอเปอเรเตอร์และโปรโมเตอร์เพื่อปรับการแสดงออกของโอเปอรอนเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณภายในเซลล์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการควบคุมยีนในโปรคาริโอต โดยมีโอเปอรอนเป็นศูนย์กลาง ซึ่งกล่าวถึงองค์ประกอบของโอเปอเรเตอร์ (operator) และโปรโมเตอร์ (promoter) การควบคุมเชิงลบโดยตัวยับยั้ง และการควบคุมเชิงบวกโดยตัวกระตุ้น การเหนี่ยวนำและการยับยั้งโดยสัญญาณโมเลกุลขนาดเล็ก และตัวอย่างคลาสสิก เช่น lac operon และ trp operon โดยจะกล่าวถึงตรรกะการควบคุมของโปรคาริโอต ส่วนการควบคุมในยูคาริโอตและการควบคุมระดับโครมาตินจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• โอเปอรอนคืออะไร และทำไมยีนของแบคทีเรียจึงมักถูกจัดเรียงในลักษณะนี้?
• ตัวยับยั้งและโอเปอเรเตอร์ควบคุมเชิงลบได้อย่างไร?
• ตัวกระตุ้นและสัญญาณโมเลกุลขนาดเล็กควบคุมเชิงบวกและเหนี่ยวนำได้อย่างไร?
• lac operon และ trp operon แสดงให้เห็นถึงการควบคุมแบบเหนี่ยวนำได้และแบบยับยั้งได้อย่างไร?

Key theories

แบบจำลองโอเปอรอน

Jacob และ Monod เสนอว่ายีนควบคุมเข้ารหัสโปรตีนตัวยับยั้งที่จับกับโอเปอเรเตอร์เพื่อควบคุมการถอดรหัสของยีนโครงสร้างที่อยู่ติดกัน ซึ่งอธิบายการแสดงออกของยีนที่ประสานกันและตอบสนองต่อสัญญาณในแบคทีเรีย

การควบคุมเชิงลบและเชิงบวก

โอเปอรอนสามารถถูกควบคุมเชิงลบได้โดยตัวยับยั้งที่ขัดขวางการถอดรหัสจนกว่าจะถูกกำจัดโดยตัวเหนี่ยวนำ และควบคุมเชิงบวกได้โดยตัวกระตุ้นที่จำเป็นในการเปิดการถอดรหัส ซึ่งช่วยให้ตอบสนองต่อสารอาหารและสัญญาณได้อย่างยืดหยุ่น

Mechanisms

ในโอเปอรอน โปรโมเตอร์เดียวจะขับเคลื่อนการถอดรหัสของยีนโครงสร้างหลายยีน โปรตีนตัวยับยั้ง ซึ่งเป็นผลผลิตของยีนควบคุม สามารถจับกับโอเปอเรเตอร์เพื่อขัดขวางพอลิเมอเรสได้ โมเลกุลตัวเหนี่ยวนำที่จับกับตัวยับยั้งจะช่วยคลายการขัดขวางนี้ ทำให้โอเปอรอนเปิดทำงาน เช่นใน lac operon ในทางกลับกัน ตัวยับยั้งร่วม (corepressor) สามารถกระตุ้นตัวยับยั้งเพื่อปิดโอเปอรอนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ทางชีวภาพได้ เช่นใน trp operon การควบคุมเชิงบวกจะเพิ่มโปรตีนตัวกระตุ้น ซึ่งเมื่อจับใกล้กับโปรโมเตอร์ จะจำเป็นสำหรับการถอดรหัสที่มีประสิทธิภาพ โดยรวมสัญญาณหลายอย่างเข้ากับการตัดสินใจที่จะแสดงออกของยีน

Clinical relevance

ตรรกะของโอเปอรอนเป็นพื้นฐานของการตอบสนองของแบคทีเรียต่อยาปฏิชีวนะและความเครียดจากสารอาหาร และเป็นข้อมูลในการออกแบบวงจรยีนสังเคราะห์ ซึ่งนำเสนอในฐานะความสำคัญ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

History

การศึกษา lac operon ของ Jacob และ Monod ที่ตีพิมพ์ในปี 1961 ได้กำหนดโอเปอรอนและกลไกตัวยับยั้ง-โอเปอเรเตอร์ ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี 1965 และเป็นต้นแบบสำหรับการทำความเข้าใจการควบคุมยีน

Key figures

• François Jacob
• Jacques Monod
• André Lwoff

Seminal works

• jacob1961
• watson2013

Frequently asked questions

lac operon คืออะไร?

กลุ่มยีนใน E. coli สำหรับการใช้แลคโตส ซึ่งถูกควบคุมโดยตัวยับยั้งที่จะถูกปล่อยเมื่อมีแลคโตส ทำให้ยีนเปิดทำงานเฉพาะเมื่อจำเป็นเท่านั้น

ความแตกต่างระหว่างโอเปอรอนแบบเหนี่ยวนำได้และแบบยับยั้งได้คืออะไร?

โอเปอรอนแบบเหนี่ยวนำได้ปกติจะปิดอยู่และจะเปิดเมื่อมีตัวเหนี่ยวนำ ส่วนโอเปอรอนแบบยับยั้งได้ปกติจะเปิดอยู่และจะปิดเมื่อมีตัวยับยั้งร่วมส่งสัญญาณว่าผลิตภัณฑ์ของมันมีมากเกินพอ