Inligting

9.1: Regulering van gene -uitdrukking in bakterieë - Biologie

9.1: Regulering van gene -uitdrukking in bakterieë - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Die Operon

Binne sy klein sel, die bakterie E coli bevat al die genetiese inligting wat dit nodig het om te metaboliseer, te groei en voort te plant. Dit kan elke organiese molekule wat dit benodig, sintetiseer uit glukose en 'n aantal anorganiese ione. Baie van die gene in E coli word konstitutief uitgedruk; dit wil sê, hulle is altyd "aan" aangeskakel. Ander is egter slegs aktief wanneer hul produkte hul sel benodig, dus moet die uitdrukking daarvan gereguleer word.

Twee voorbeelde:

  • As die aminosuur tryptofaan (Trp) by die kultuur gevoeg word, hou die bakterieë gou op om die vyf ensieme te produseer wat voorheen nodig was om Trp te sintetiseer uit tussenprodukte wat tydens die respirasie van glukose geproduseer word. In hierdie geval, die teenwoordigheid van die produkte van ensiemwerking onderdruk ensiemsintese.
  • Omgekeerd kan 'n nuwe substraat by die kultuurmedium gevoeg word veroorsaak die vorming van nuwe ensieme wat in staat is om daardie substraat te metaboliseer. As ons 'n kultuur van E coli wat glukose voed en sommige van die selle na 'n medium oordra, bevat laktose, maar 'n onthullende reeks gebeurtenisse vind plaas.
    • Aanvanklik is die selle rustig: hulle metaboliseer nie die laktose nie, hul ander metaboliese aktiwiteite neem af, en seldeling stop.
    • Binnekort begin die kultuur egter weer vinnig groei, terwyl die laktose vinnig verbruik word. Wat het gebeur? Tydens die stilte-interval het die selle begin produseer drie ensieme.

Die drie ensieme is

  • a deurdring wat laktose oor die plasmamembraan vanaf die kultuurmedium na die binnekant van die sel vervoer
  • beta-galaktosidase wat laktose omskakel in die intermediêre allolaktose en dit dan hidroliseer in glukose en galaktose. Sodra dit in die teenwoordigheid van laktose is, styg die hoeveelheid beta-galaktosidase in die selle van 'n klein hoeveelheid tot byna 2% van die gewig van die sel.
  • a transasetilase wie se funksie nog onseker is.

Die lac operon

Die vermoë om te reageer op die teenwoordigheid van laktose was altyd daar. Die gene vir die drie geïnduseerde ensieme is deel van die genoom van die sel. Maar totdat laktose by die kultuurmedium gevoeg is, is hierdie gene nie uitgedruk nie (β-galaktosidase is swak uitgedruk - net genoeg om laktose in allolaktose om te skakel). Die mees direkte manier om die uitdrukking van 'n geen te beheer, is om die transkripsietempo reguleer; dit wil sê die tempo waarteen RNA-polimerase die geen in molekules van boodskapper-RNA (mRNA) transkribeer.

Geentranskripsie begin by 'n spesifieke nukleotied wat in die figuur getoon word as "+1". RNA-polimerase bind eintlik aan 'n plek "stroomop" (dws aan die 5'-kant) van hierdie plek en maak die dubbelheliks oop sodat transkripsie van een string kan begin. Die bindingsplek vir RNA-polimerase word die promotor genoem. In bakterieë, blyk dit dat twee eienskappe van die promotor belangrik is:

  • 'n reeks TATAAT (of iets soortgelyks) gesentreer 10 nukleotiede stroomop van die +1 webwerf en
  • 'n ander volgorde (TTGACA of iets redelik naby daaraan) het 35 nukleotiede stroomop gesentreer.

Dit lyk nie asof die presiese DNS -volgorde tussen die twee streke belangrik is nie. Elkeen van die drie ensieme wat in reaksie op laktose gesintetiseer word, word deur 'n aparte geen gekodeer. Die drie gene is in tandem op die bakteriese chromosoom gerangskik.

By gebrek aan laktose, bind die repressorproteïen wat deur die I -geen gekodeer word aan die lac operateur en verhoed transkripsie. Die binding van allolaktose aan die onderdrukker veroorsaak dat dit die operateur verlaat. Dit stel RNA -polimerase in staat om die drie gene van die operon te transkribeer. Die enkele mRNA-molekule wat ontstaan, word dan in die drie proteïene vertaal.

Die lac onderdrukker bind aan 'n spesifieke volgorde van twee dosyn nukleotiede wat die operateur. Die meeste van die operateur is stroomaf van die promotor. As die repressor aan die operateur gebind is, kan RNA -polimerase nie stroomaf voortgaan met sy taak vir gentranskripsie nie. Die lac repressor verteenwoordig slegs 'n klein fraksie van die proteïene in die E coli sel.

Die operon is die kombinasie van die operator en die drie proteïen-enkoderende gene wat daarmee gepaard gaan.

Die geen wat kodeer vir die lac onderdrukker word die genoem Ek geen. Dit is toevallig net stroomop van die lac promotor. Die presiese ligging daarvan is egter waarskynlik nie belangrik nie, omdat dit sy effek bereik deur middel van sy proteïenproduk, wat vrylik deur die sel kan versprei. En in werklikheid is die gene vir sommige onderdrukkers nie naby die operateurs wat hulle beheer nie.

Alhoewel onderdrukkers vry is om deur die sel te diffundeer, hoe vind die lac-onderdrukker byvoorbeeld die enkele stuk van 24 basispare van die operateur uit die 4,6 miljoen basispare DNA in die E coli genoom? Dit blyk dat die onderdrukker vry is om te bind enige plek op die DNA deur beide te gebruik

  • waterstofbindings en
  • ioniese (elektrostatiese) interaksies tussen sy positief-gelaaide aminosure (Lys, Arg) en die negatiewe ladings op die deoksiribose-fosfaat ruggraat van die DNA.

Sodra dit op die DNS is, kan die onderdrukker daarlangs beweeg totdat dit die operateurvolgorde teëkom. Nou laat 'n allosteriese verandering in die tersiêre struktuur van die proteïen dieselfde aminosure toe om bindings te vestig - meestal waterstofbindings en hidrofobiese interaksies - met spesifieke basisse in die operateurvolgorde.

Die lac repressor bestaan ​​uit vier identiese polipeptiede (dus 'n "homotetramer"). 'n Deel van die molekule het 'n plek (of plekke) wat dit in staat stel om die 24 basispare van die lac-operateur te herken en daaraan te bind. Nog 'n deel van die onderdrukker bevat plekke wat aan allolaktose bind. Wanneer allolaktose met die onderdrukker verenig, veroorsaak dit 'n verandering in die vorm van die molekule, sodat dit nie meer geheg kan bly aan die DNS-volgorde van die operateur nie. Dus, wanneer laktose by die kweekmedium gevoeg word, veroorsaak dit dat die onderdrukker van die operateur vrygestel word en RNA-polimerase kan nou begin om die 3 gene van die operon te transkribeer in 'n enkellopend molekule van boodskapper RNA.

Transkripsie begin amper nie, voordat ribosome aan die groeiende mRNA -molekule heg en daarna af beweeg vertaal die boodskap in die drie proteïene. U kan sien hoekom leestekenskodons - UAA, UAG of UGA - nodig is om translasie tussen die gedeeltes van die mRNA wat vir elk van die drie ensieme kodeer, te beëindig. Hierdie meganisme is kenmerkend van bakterieë, maar verskil in verskeie opsigte van die wat in eukariote voorkom:

  • Gene in eukariote is nie in operone verbind nie (behalwe nematodes soos C. elegans en mantelmantels soos Ciona intestinalis).
  • Primêre transkripsies in eukariote bevat slegs die transkripsie van 'n enkele geen (met die uitsonderings hierbo).
  • Transkripsie en vertaling is nie fisies gekoppel aan eukariote soos in bakterieë nie; transkripsie vind plaas in die kern terwyl translasie in die sitosol plaasvind (met enkele uitsonderings).

C. elegans

C. elegans verskil van die meeste eukariote deurdat 'n aansienlike fraksie (15-20%) van sy gene gegroepeer is in operone wat 2 tot 8 gene elk bevat. Net soos bakterieë word al die gene in 'n operon getranskribeer van 'n enkele promotor wat 'n enkele primêre transkripsie (pre-mRNA) produseer. Sommige van die gene in hierdie operone blyk - soos by bakterieë - betrokke te wees by dieselfde biochemiese funksie, maar dit is miskien nie die geval met die meeste nie. C. elegans operone verskil ook van dié in bakterieë deurdat elke pre-mRNA in 'n aparte mRNA vir elke geen verwerk word eerder as om as 'n eenheid vertaal te word.

Medepressors

Soos hierbo genoem, benodig die sintese van triptofaan vanaf voorlopers wat in die sel beskikbaar is 5 ensieme. Die gene wat hiervoor gekodeer word, word saamgebind in 'n enkele operon met sy eie promotor en operateur. In hierdie geval is die teenwoordigheid van triptofaan in die sel skakel af die operon. Wanneer Trp teenwoordig is, bind dit aan 'n plek op die Trp-onderdrukker en moontlik maak die Trp -repressor om aan die operateur te bind. Wanneer Trp nie teenwoordig is nie, verlaat die onderdrukker sy operateur, en transkripsie van die 5 ensiem-koderende gene begin.

Die foto hierbo toon stereo-aansig van die triptofaan-onderdrukker (regterkant van elke paneel) wat aan sy operateur-DNS (linkerkant) gebind is. Die onderdrukker is 'n homodimer van twee identiese polipeptiede (weerskante van die horisontale rooi lyn). Binding aan DNA vind slegs plaas wanneer 'n molekule tryptofaan (rooi ringe) aan elke monomeer van die repressor gebind is. Die nut vir die sel van hierdie beheermeganisme is duidelik. Die teenwoordigheid in die sel van 'n noodsaaklike metaboliet, in hierdie geval tryptofaan, skakel sy eie produksie af en stop dus die onnodige proteïensintese. Soos die naam aandui, is onderdrukkers negatiewe beheer meganismes om operone af te skakel

  • in die afwesigheid van 'n substraat (laktose in ons voorbeeld) of
  • die teenwoordigheid van 'n noodsaaklike metaboliet (tryptofaan is ons voorbeeld).

Sommige geentranskripsie in E coli is onder positiewe beheer.

Positiewe beheer van transkripsie: CAP

Afwesigheid van die lac-onderdrukker is noodsaaklik, maar nie voldoende vir effektiewe transkripsie van die lac-operon nie. Die aktiwiteit van RNA-polimerase hang ook af van die teenwoordigheid van 'n ander DNA-bindende proteïen wat genoem word kataboliet -aktiveringsproteïen (CAP). Soos die lac -repressor, het CAP twee tipes bindingsplekke: een bind die nukleotied sikliese AMP en die ander bind 'n reeks van 16 basispare stroomop van die promotor

CAP kan egter slegs aan DNA bind as cAMP aan CAP gebind is. dus as die cAMP -vlakke in die sel laag is, bind CAP nie daarin nie, en RNA -polimerase kan dus nie werk nie, selfs in die afwesigheid van die onderdrukker. Sodat die lac operon is onder albei negatief (die onderdrukker) en positief (GLB) beheer. Hoekom?

Dit blyk dat dit nie net 'n kwessie van gordel en bretels is nie. Hierdie dubbele stelsel stel die sel in staat keuses te maak. Wat moet die sel byvoorbeeld doen as dit glukose en laktose gevoer word? Aangebied met so 'n keuse, E coli (om redes waaroor ons net kan spekuleer) kies glukose. Dit maak sy keuse deur die wisselwerking tussen hierdie twee beheertoestelle te gebruik.

Alhoewel die teenwoordigheid van laktose die repressor verwyder, verlaag die teenwoordigheid van glukose die vlak van cAMP in die sel en verwyder dit CAP. Sonder CAP word die binding van RNA -polimerase belemmer, alhoewel daar geen repressor is wat dit kan inmeng as dit kan bind nie. Die molekulêre basis vir sy keuses word in die figuur hierbo getoon.

CAP bestaan ​​uit twee identiese polipeptiede (daarom is dit 'n homodimer). Na die C-terminaal het elkeen twee streke van alfa-heliks met 'n skerp draai tussen hulle. Die langer hiervan word die genoem herkenningshelix omdat dit verantwoordelik is vir die herkenning en binding van 'n bepaalde reeks basisse in DNA.

Bogenoemde figuur toon 'n model van CAP. Die twee monomere is identies. Elke monomeer herken 'n volgorde van nukleotiede in DNA deur middel van die gebied van alfa-heliks wat gemerk is F. Let op dat die twee herkenningshelixe 34Å van mekaar geskei is, wat die afstand is wat die DNA -molekuul (aan die linkerkant) neem om presies een volledige draai te maak.

Die herkenningshelices van elke polipeptied van CAP is natuurlik identies. Maar hul oriëntasie in die dimeer is sodanig dat die volgorde van basisse wat hulle herken in die teenoorgestelde rigting moet loop sodat elke herkenningshelix behoorlik kan bind. Hierdie rangskikking van twee identiese rye basispare wat in teenoorgestelde rigtings loop, word 'n genoem omgekeerde herhaling.
Die strategie wat deur CAP en sy bindingsplek geïllustreer word, het geblyk wyd gebruik te word. Aangesien meer en meer DNA-regulerende proteïene ontdek is, blyk dit dat baie mense die eienskappe wat ons in GLB vind, deel:

  • Dit bevat gewoonlik twee subeenhede. Daarom is hulle dimers.
  • Hulle herken en bind aan DNS-volgordes met omgekeerde herhalings.
  • By bakterieë word herkenning en binding aan 'n spesifieke volgorde van DNA bewerkstellig deur 'n segment van alfa -heliks. Daarom word hierdie proteïene dikwels beskryf as helix-draai-heliks proteïene. Die Trp -onderdrukker hierbo is 'n lid van hierdie groep.

Riboswitches

Proteïen repressors en corepressors is nie die enigste manier waarop bakterieë geen transkripsie beheer nie. Dit blyk dat die regulering van die vlak van sekere metaboliete ook deur riboswitches beheer kan word. 'N Riboswitch is 'n gedeelte van die 5'-onvertaalde gebied (5'-UTR) in 'n molekule van boodskapper-RNA (mRNA) wat 'n spesifieke bindingsplek vir die metaboliet (of 'n naaste familielid) het. Sommige van die metaboliete wat aan riboswitches bind, sluit in:

  • die puriene adenien en guanien
  • die aminosure glisien en lysien
  • flavienmononukleotied (die prostetiese groep van NADH dehidrogenase)
  • S-adenosiel metionien wat metielgroepe aan baie molekules skenk, insluitend DNA en die doppie aan die 5'-punt van boodskapper-RNA
  • tRNA's. Wanneer dit aan hul aminosuur (aminoasiel-tRNA) gebind word, bind hulle aan die riboswitch in die mRNA wat die ensiem ('n aminoasiel-tRNA-sintetase) kodeer wat verantwoordelik is om die aminosuur op die tRNA te laai. Dit veroorsaak dat transkripsie van die mRNA voortydig beëindig word. tRNA's met geen aminosuur geheg nie, bind ook aan die riboswitch maar op so 'n manier dat transkripsie van die mRNA voortgaan. Die translasie daarvan (in bakterieë begin translasie terwyl transkripsie nog aan die gang is) produseer die aminosuur-tRNA sintetase wat gebruik word om die aminosuur op die tRNA te laai. Hierdie riboswitches reguleer dus die vlak van aminoasiel-tRNA's wat meer produseer wanneer nodig, minder wanneer nie ('n soort terugvoer-inhibisie.)

In elke geval reguleer die riboswitch transkripsie gene wat betrokke is by die metabolisme van die molekule. Die metaboliet bind aan die groeiende mRNA en veroorsaak 'n allosteriese verandering wat vir sommige gene veroorsaak dat verdere sintese van die mRNA eindig voordat 'n funksionele produk gevorm word en vir ander gene, die voltooiing van die sintese van die mRNA verbeter. In beide gevalle is een resultaat om die vlak van daardie metaboliet te beheer.

Sommige riboswitters beheer mRNA vertaling eerder as die transkripsie daarvan. Daar is voorgestel dat hierdie regulerende meganismes, wat bevat geen proteïene nie, is 'n relikwie uit 'n 'RNA -wêreld'.