Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с Оптероном или Обероном .
Типичный оперон

В генетике , оперон является функционирующей единицей ДНК , содержащей кластер генов под контролем одного промотора . [1] Гены транскрибируются вместе в цепь мРНК и либо вместе транслируются в цитоплазме, либо подвергаются сплайсингу для создания моноцистронных мРНК, которые транслируются отдельно, то есть нескольких цепей мРНК, каждая из которых кодирует один продукт гена. В результате гены, содержащиеся в опероне, либо экспрессируются вместе, либо не экспрессируются вообще. Необходимо совместное транскрибирование нескольких геновопределить оперон. [2]

Первоначально считалось, что опероны существуют только у прокариот (включая органеллы, подобные пластидам , происходящим от бактерий ), но с момента открытия первых оперонов у эукариот в начале 1990-х годов [3] [4] появилось больше доказательств, позволяющих предположить они более распространены, чем предполагалось ранее. [5] В общем, экспрессия прокариотических оперонов приводит к генерации полицистронных мРНК, в то время как эукариотические опероны приводят к моноцистронным мРНК.

Опероны также обнаруживаются у вирусов, таких как бактериофаги . [6] [7] Например, фаги Т7 имеют два оперона. Первый оперон кодирует различные продукты, включая специальную РНК-полимеразу Т7, которая может связываться со вторым опероном и транскрибировать его. Второй оперон включает ген лизиса , который вызывает взрыв клетки-хозяина. [8]

История [ править ]

Термин «оперон» был впервые предложен в небольшой статье в Трудах Французской академии наук в 1960 году. [9] На основе этой статьи была разработана так называемая общая теория оперона. Эта теория предполагала, что во всех случаях гены внутри оперона негативно контролируются репрессором, действующим на одного оператора.расположен перед первым геном. Позже было обнаружено, что гены могут положительно регулироваться, а также регулироваться на этапах, следующих за инициацией транскрипции. Следовательно, нельзя говорить об общем механизме регуляции, потому что разные опероны имеют разные механизмы. Сегодня оперон просто определяется как кластер генов, транскрибированных в одну молекулу мРНК. Тем не менее разработка концепции считается знаковым событием в истории молекулярной биологии. Первый оперон , который будет описаны был лаковый опероном в кишечной палочке . [9] Нобелевская премия по физиологии и медицине 1965 г. была присуждена Франсуа Жакобу , Андре Мишелю Львову иЖаку Моно за открытия, касающиеся оперона и синтеза вирусов.

Обзор [ править ]

Опероны встречаются в основном у прокариот, но также и у некоторых эукариот , включая нематод, таких как C. elegans и плодовая муха Drosophila melanogaster . Гены рРНК часто присутствуют в оперонах, которые были обнаружены у ряда эукариот, включая хордовые . Оперон состоит из нескольких структурных генов, расположенных под общим промотором и регулируемых общим оператором. Он определяется как набор смежных структурных генов плюс смежные регуляторные сигналы, которые влияют на транскрипцию структурных генов. 5 [11] Регуляторы данного оперона, в том числерепрессоры , корепрессоры и активаторы не обязательно кодируются этим опероном. Расположение и состояние регуляторов, промотора, оператора и структурных последовательностей ДНК могут определять эффекты общих мутаций.

Опероны связаны с регулонами , stimulons и modulons ; тогда как опероны содержат набор генов, регулируемых одним и тем же оператором, регулоны содержат набор генов, регулируемых одним регуляторным белком, а стимулоны содержат набор генов, регулируемых одним клеточным стимулом. По мнению его авторов, термин «оперон» произошел от глагола «работать». [12]

Как единица транскрипции [ править ]

Оперон содержит один или несколько структурных генов, которые обычно транскрибируются в одну полицистронную мРНК (одну молекулу мРНК, которая кодирует более одного белка ). Однако определение оперона не требует, чтобы мРНК была полицистронной, хотя на практике это обычно так. [5] Перед структурными генами расположена промоторная последовательность, которая обеспечивает сайт для связывания РНК-полимеразы и инициации транскрипции. Рядом с промотором находится участок ДНК, называемый оператором .

Опероны против кластеризации прокариотических генов [ править ]

Все структурные гены оперона включаются или выключаются вместе из-за одного промотора и оператора перед ними, но иногда требуется больший контроль над экспрессией гена. Для достижения этого аспекта некоторые бактериальные гены расположены рядом друг с другом, но для каждого из них есть свой промотор; это называется кластеризацией генов . Обычно эти гены кодируют белки, которые работают вместе в одном и том же пути, например, в метаболическом пути. Кластеризация генов помогает прокариотической клетке производить метаболические ферменты в правильном порядке. [13]

Общая структура [ править ]

1 : РНК-полимераза, 2 : репрессор, 3 : промотор, 4 : оператор, 5 : лактоза, 6 : lacZ, 7 : lacY, 8 : lacA. Вверху : Ген практически выключен. Нет лактозы, ингибирующей репрессор, поэтому репрессор связывается с оператором, что препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором и выработке лактазы. Нижний: Ген включен. Лактоза ингибирует репрессор, позволяя РНК-полимеразе связываться с промотором и экспрессировать гены, которые синтезируют лактазу. В конце концов, лактаза переваривает всю лактозу до тех пор, пока она не перестанет связываться с репрессором. Затем репрессор свяжется с оператором, остановив производство лактазы.

Оперон состоит из 3 основных компонентов ДНК:

  • Промотор - нуклеотидная последовательность, позволяющая транскрибировать ген . Промотор распознается РНК-полимеразой , которая затем инициирует транскрипцию. При синтезе РНК промоторы указывают, какие гены следует использовать для создания информационной РНК, и, как следствие, контролировать, какие белки вырабатывает клетка.
  • Оператор - сегмент ДНК, с которым связывается репрессор . В lac-опероне он классически определяется как сегмент между промотором и генами оперона. [14] Главный оператор (O1) в lac- опероне расположен немного ниже промотора; два дополнительных оператора, O1 и O3, расположены на -82 и +412 соответственно. В случае репрессора, репрессорный белок физически препятствует РНК-полимеразе транскрибировать гены.
  • Структурные гены - гены, совместно регулируемые опероном.

Не всегда включен в оперон, но важен по его функции регуляторный ген , постоянно экспрессируемый ген, который кодирует репрессорные белки . Регуляторный ген не обязательно должен находиться внутри, рядом или даже рядом с опероном, чтобы контролировать его. [15]

Индуктор (малая молекула) может вытеснить репрессор (белок) с сайтом оператора (ДНК), что приводит к неингибированному оперону.

В качестве альтернативы корепрессор может связываться с репрессором, что позволяет ему связываться с сайтом оператора. Хороший пример регуляции этого типа - оперон trp .

Регламент [ править ]

Контроль оперона - это тип регуляции генов, который позволяет организмам регулировать экспрессию различных генов в зависимости от условий окружающей среды. Регуляция оперона может быть либо отрицательной, либо положительной посредством индукции или репрессии. [14]

Отрицательный контроль включает связывание репрессора с оператором для предотвращения транскрипции.

  • В отрицательных индуцибельных оперонах регуляторный репрессорный белок обычно связывается с оператором, что предотвращает транскрипцию генов оперона. Если присутствует молекула- индуктор , она связывается с репрессором и меняет свою конформацию, так что она не может связываться с оператором. Это позволяет экспрессировать оперон. Лаковый оперон является отрицательно контролируется индуцируемый опероном, в котором молекула является индуктор аллолактозы .
  • В отрицательных репрессируемых оперонах обычно имеет место транскрипция оперона. Репрессорные белки производятся регуляторным геном , но они не могут связываться с оператором в своей нормальной конформации. Однако некоторые молекулы, называемые корепрессорами, связываются репрессорным белком, вызывая конформационные изменения активного сайта. Активированный белок-репрессор связывается с оператором и предотвращает транскрипцию. ГТО оперон , участвует в синтезе триптофана (который сам по себе действует как корепрессор), является отрицательно контролируются репрессируемый опероном.

Опероны также можно положительно контролировать. При положительном контроле белок- активатор стимулирует транскрипцию за счет связывания с ДНК (обычно в месте, отличном от оператора).

  • В положительных индуцибельных оперонах белки-активаторы обычно не могут связываться с соответствующей ДНК. Когда индуктор связывается белком-активатором, он претерпевает изменение конформации, так что он может связываться с ДНК и активировать транскрипцию.
  • В положительных репрессируемых оперонах белки-активаторы обычно связаны с соответствующим сегментом ДНК. Однако, когда ингибитор связывается активатором, предотвращается его связывание с ДНК. Это останавливает активацию и транскрипцию системы.

Лаковый оперон [ править ]

Основная статья: лак оперон

Лаковый оперон из модели бактерии кишечной палочки был первым опероном , чтобы быть обнаружен и обеспечивает типичный пример функции оперона. Он состоит из трех смежных структурных генов , промотора , терминатора и оператора . Лаковые оперона регулируется несколькими факторами , в том числе наличие глюкозы и лактозы . Его можно активировать аллолактозой . Лактоза связывается с репрессорным белком и предотвращает репрессию транскрипции гена. Это пример депрессивного (сверху: отрицательно индуцибельная) модель. Таким образом, это отрицательный индуцибельный оперон, индуцированный присутствием лактозы или аллолактозы.

ГТО оперона [ править ]

Основная статья: оперон trp

Обнаруженный в 1953 году Жаком Моно и его коллегами, оперон trp в E. coli был первым обнаруженным репрессируемым опероном. В то время как lac-оперон может быть активирован химическим веществом ( аллолактоза ), оперон триптофана (Trp) ингибируется химическим веществом (триптофаном). Этот оперон содержит пять структурных генов: trp E, trp D, trp C, trp B и trp A, который кодирует триптофансинтетазу.. Он также содержит промотор, который связывается с РНК-полимеразой, и оператор, который блокирует транскрипцию при связывании с белком, синтезируемым геном-репрессором (trp R), который связывается с оператором. В lac-опероне лактоза связывается с репрессорным белком и не дает ему репрессировать транскрипцию гена, тогда как в trp-опероне триптофан связывается с репрессорным белком и позволяет ему репрессировать транскрипцию гена. Также, в отличие от lac-оперона, trp-оперон содержит лидерный пептид и аттенюаторную последовательность, которая позволяет ступенчатую регуляцию. [16] Это пример модели со сжатием со сжатием .

Прогнозирование количества и организации оперонов [ править ]

Число и организация оперонов наиболее критически изучены у E. coli . В результате прогнозы могут быть сделаны на основе геномной последовательности организма.

Один метод прогнозирования использует межгенное расстояние между рамками считывания в качестве основного предиктора количества оперонов в геноме. Разделение просто изменяет кадр и гарантирует эффективное чтение. Более длинные участки существуют там, где опероны начинаются и заканчиваются, часто до 40–50 оснований. [17]

Альтернативный метод прогнозирования оперонов основан на обнаружении кластеров генов, в которых порядок и ориентация генов сохраняются в двух или более геномах. [18]

Предсказание оперона становится еще более точным, если учитывать функциональный класс молекул. Бактерии сгруппировали свои рамки считывания в единицы, разделенные совместным участием в белковых комплексах, общих путях или общих субстратах и ​​переносчиках. Таким образом, точный прогноз потребует всех этих данных, что действительно является сложной задачей.

Лаборатория Паскаля Коссарта была первой, кто экспериментально идентифицировал все опероны микроорганизма Listeria monocytogenes . 517 полицистронных оперонов перечислены в исследовании 2009 года, описывающем глобальные изменения транскрипции, которые происходят у L. monocytogenes в различных условиях. [19]

См. Также [ править ]

  • Эволюционная биология развития
  • Генетический код
  • Сеть регулирования генов
  • L-арабиноза оперон
  • Биосинтез белков
  • Коробка ТАТА

Ссылки [ править ]

  1. ^ Sadava DE, Хиллиса DM, Heller HC, Беренбаум M (2009). Жизнь: Наука биологии (9-е изд.). Макмиллан. п. 349. ISBN 978-1-4292-1962-4.
  2. ^ Лодиш Н, Zipursky л, Мацудаир Р, Балтимор D, плевелы J (2000). «Глава 9: Молекулярное определение гена». Молекулярная клеточная биология . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  3. ^ Spieth Дж, Брук О, S Kuersten, Ли К, Т Блюменталь (май 1993 г.). «Опероны в C. elegans: полицистронные предшественники мРНК процессируются путем транс-сплайсинга SL2 в нижележащие кодирующие области». Cell . 73 (3): 521–32. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (93) 90139-H . PMID 8098272 . 
  4. ^ Brogna S, M Ashburner (апрель 1997). «Связанный с Adh ген Drosophila melanogaster выражается как функциональная дицистронная информационная РНК: мультигенная транскрипция у высших организмов» . Журнал EMBO . 16 (8): 2023–2031. DOI : 10.1093 / emboj / 16.8.2023 . PMC 1169805 . PMID 9155028 .  
  5. ^ a b Блюменталь Т. (ноябрь 2004 г.). «Опероны у эукариот» . Брифинги по функциональной геномике и протеомике . 3 (3): 199–211. DOI : 10.1093 / bfgp / 3.3.199 . PMID 15642184 . 
  6. ^ «Определение оперона» . Медицинский словарь . MedicineNet.com . Проверено 30 декабря 2012 года .
  7. ^ Лю Дж, Mushegian А (июль 2004 г.). «Смещения генов протеаз прогеда в поздних оперонах двухцепочечных ДНК бактериофагов» . Журнал бактериологии . 186 (13): 4369–75. DOI : 10.1128 / JB.186.13.4369-4375.2004 . PMC 421614 . PMID 15205439 .  
  8. ^ «Бактериофаги используют опероны» . Прокариотический генный контроль . Дартмутский колледж. Архивировано из оригинального 28 января 2013 года . Проверено 30 декабря 2012 года .
  9. ^ a b Джейкоб Ф, Перрин Д., Санчес С, Монод Дж (февраль 1960 г.). «[Оперон: группа генов, экспрессия которых координируется оператором]» [Оперон: группа генов, экспрессия которых координируется оператором] (PDF) . Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences (факсимильная версия, переизданная в 2005 г.) (на французском языке). 250 (6): 1727–9. PMID 14406329 . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2016 года . Проверено 27 августа 2015 . 
  10. ^ Шафи, Томас; Лоу, Рохан (2017). «Структура эукариотических и прокариотических генов». WikiJournal of Medicine . 4 (1). DOI : 10.15347 / wjm / 2017.002 . ISSN 2002-4436 . 
  11. ^ Миллер Дж, Сузуки ДТ, Гриффитс AJ, Левонтин RC, Уэсслер SR, Гелбарт WM (2005). Введение в генетический анализ (8-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman. п. 740. ISBN 978-0-7167-4939-4.
  12. ^ Джейкоб Ф (май 2011 г.). «Рождение оперона» . Наука . 332 (6031): 767. Bibcode : 2011Sci ... 332..767J . DOI : 10.1126 / science.1207943 . PMID 21566161 . 
  13. ^ Ли JM, Sonnhammer EL (май 2003). "Геномный анализ кластеризации генов путей у эукариот" . Геномные исследования . 13 (5): 875–82. DOI : 10.1101 / gr.737703 . PMC 430880 . PMID 12695325 .  
  14. ^ а б Левин Б. (1990). Гены IV (4-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. С.  243–58 . ISBN 978-0-19-854267-4.
  15. ^ Майер Г. "Бактериология - Глава девять генетических регуляторных механизмов" . Микробиология и иммунология в Интернете . Медицинский факультет Университета Южной Каролины . Проверено 30 декабря 2012 года .
  16. Перейти ↑ Cummings MS, Klug WS (2006). Концепции генетики (8-е изд.). Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education. С. 394–402. ISBN 978-0-13-191833-7.
  17. ^ Сальгадо Н, Морено-Hagelsieb G, Смит Т. Ф., Кольядо-Видес J (июнь 2000 г.). «Опероны кишечной палочки: геномный анализ и прогнозы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (12): 6652–7. Bibcode : 2000PNAS ... 97.6652S . DOI : 10.1073 / pnas.110147297 . PMC 18690 . PMID 10823905 .  
  18. Перейти ↑ Ermolaeva MD, White O, Salzberg SL (март 2001 г.). «Прогнозирование оперонов в микробных геномах» . Исследования нуклеиновых кислот . 29 (5): 1216–21. DOI : 10.1093 / NAR / 29.5.1216 . PMC 29727 . PMID 11222772 .  
  19. ^ Толедо-Аран А, Dussurget О, Никитас G, Сест N, Guet-Revillet Н, Балестрин Д, Ли Е, Gripenland Дж, Tiensuu Т, Вайткявичюс К, Бартелее М, Vergassola М, Nahori М.А., Soubigou G, Regnault В, Коппе Дж. Ю., Лекит М., Йоханссон Дж., Коссарт П. (июнь 2009 г.). «Транскрипционный ландшафт Listeria от сапрофитизма до вирулентности». Природа . 459 (7249): 950–6. Bibcode : 2009Natur.459..950T . DOI : 10,1038 / природа08080 . PMID 19448609 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Браузер корреляции оперонов Mycobacterium tuberculosis H37Rv
  • OBD - база данных Operon (хотя и неудобно использовать)