Mô hình Operon và Điều hòa gen ở sinh vật nhân sơ

Ở vi khuẩn, các gen có chức năng liên quan thường được sắp xếp cùng nhau và phiên mã thành một đơn vị duy nhất gọi là operon, biểu hiện của nó được bật hoặc tắt bởi các protein điều hòa phản ứng với môi trường của tế bào. Mô hình operon, được Jacob và Monod đề xuất cho hệ thống lactose của Escherichia coli, đã trở thành khuôn khổ nền tảng để hiểu cách biểu hiện gen được kiểm soát.

Definition

Operon là một cụm gen vi khuẩn được phiên mã đồng thời dưới sự kiểm soát của một vùng khởi động và một vùng vận hành duy nhất, quá trình phiên mã của chúng được điều hòa bởi các protein ức chế hoặc hoạt hóa phản ứng với các tín hiệu phân tử nhỏ.

Scope

Chủ đề này bao gồm cấu trúc của operon (vùng khởi động, vùng vận hành và các gen cấu trúc được nhóm lại), hoạt động của các protein ức chế và hoạt hóa, sự phân biệt giữa hệ thống cảm ứng và hệ thống ức chế, và kiểm soát âm tính so với kiểm soát dương tính, sử dụng hệ thống lactose và tryptophan làm ví dụ điển hình. Nó coi điều hòa ở sinh vật nhân sơ là một khái niệm phân tử cơ bản, không phải là nội dung lâm sàng.

Core questions

• Các gen vi khuẩn có chức năng liên quan được biểu hiện phối hợp như thế nào?
• Điều gì phân biệt kiểm soát âm tính (ức chế) với kiểm soát dương tính (hoạt hóa)?
• Một tín hiệu phân tử nhỏ bật hoặc tắt một cụm gen như thế nào?
• Tại sao sự sắp xếp operon lại có lợi ở sinh vật nhân sơ?

Key concepts

• Vùng khởi động, vùng vận hành và các gen cấu trúc
• Protein ức chế và hoạt hóa
• Operon cảm ứng so với operon ức chế
• Kiểm soát âm tính so với kiểm soát dương tính
• Chất cảm ứng và chất đồng ức chế
• RNA thông tin đa cistron
• Ức chế dị hóa

Key theories

Mô hình Operon

Jacob và Monod đề xuất rằng một gen điều hòa mã hóa một protein ức chế liên kết với vùng vận hành để ngăn chặn quá trình phiên mã của các gen cấu trúc liền kề, và rằng một chất cảm ứng có thể làm bất hoạt protein ức chế để bật các gen, giải thích sự biểu hiện gen vi khuẩn phối hợp và cảm ứng.

Điều hòa bằng cách tuyển mộ

Ptashne và Gann đã khái quát hóa sự hoạt hóa ở sinh vật nhân sơ là sự tuyển mộ RNA polymerase đến vùng khởi động thông qua các tiếp xúc protein-protein, coi kiểm soát dương tính là một vấn đề liên kết.

Mechanisms

Trong một operon cảm ứng được kiểm soát âm tính như operon lac, một protein ức chế liên kết với vùng vận hành và ngăn chặn quá trình phiên mã của các gen cấu trúc phía sau; khi một chất cảm ứng (một chất chuyển hóa báo hiệu rằng cơ chất có mặt) liên kết với protein ức chế, protein ức chế sẽ giải phóng vùng vận hành và quá trình phiên mã tiếp tục. Trong một operon ức chế như operon trp, protein điều hòa chỉ liên kết với vùng vận hành khi có mặt một chất hiệu ứng (một chất đồng ức chế, thường là sản phẩm cuối), tắt các gen khi sản phẩm dồi dào. Kiểm soát dương tính bổ sung các protein hoạt hóa làm tăng quá trình phiên mã, như trong sự ức chế dị hóa, nơi một chất hoạt hóa liên kết với cAMP tuyển mộ RNA polymerase đến các vùng khởi động yếu. Bởi vì các gen được nhóm lại chia sẻ một vùng khởi động, chúng được phiên mã thành một RNA thông tin đa cistron duy nhất và được biểu hiện cùng nhau, một sự tiết kiệm được hình dung trực tiếp trong các hình ảnh hiển vi điện tử ban đầu về các gen vi khuẩn đang được phiên mã và dịch mã.

Clinical relevance

Logic của operon là cơ sở cho cách vi khuẩn điều hòa quá trình trao đổi chất và, trong các hệ thống liên quan, các gen độc lực và kháng kháng sinh, do đó nó tạo thành một phần của nền tảng khái niệm cho vi sinh vật học và sinh học nhiễm trùng. Mục này mang tính giáo dục và không cung cấp hướng dẫn chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Khái niệm operon xuất hiện từ các nghiên cứu về chuyển hóa lactose ở Escherichia coli và được chính thức hóa trong bài báo năm 1961 của Jacob và Monod, công trình được công nhận với giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1965. Hình ảnh trực tiếp về quá trình phiên mã của Miller và các đồng nghiệp vào năm 1970 đã xác nhận bản chất liên kết, đa cistron của biểu hiện gen vi khuẩn, và các công trình sau này đã làm rõ kiểm soát dương tính và nguyên tắc chung của điều hòa bằng cách tuyển mộ.

Key figures

• François Jacob
• Jacques Monod
• Mark Ptashne

Seminal works

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

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa operon cảm ứng và operon ức chế là gì?

Một operon cảm ứng (như lac) thường ở trạng thái tắt và được bật bởi một chất cảm ứng; một operon ức chế (như trp) thường ở trạng thái bật và được tắt khi một chất đồng ức chế báo hiệu rằng sản phẩm cuối của nó dồi dào.

Tại sao operon phổ biến ở vi khuẩn nhưng hiếm ở sinh vật nhân chuẩn?

Các gen vi khuẩn có thể được phiên mã đồng thời thành một RNA thông tin đa cistron để kiểm soát phối hợp, trong khi các bản phiên mã của sinh vật nhân chuẩn thường là đơn cistron và sự điều hòa được phân bố trên chromatin, các yếu tố tăng cường và các bước sau phiên mã.