Лак-оперон
-
Лактозный оперон
- Оперон, необходимый для транспорта и метаболизма лактозы в кишечнике.
- Обеспечивает расщепление лактозы при отсутствии глюкозы.
- Генная регуляция оперона lac была первым генетическим регуляторным механизмом.
-
Структура оперона lac
- Включает три гена: lacZ, lacY, lacA.
- LacZ кодирует β-галактозидазу, lacY — β-галактозидпермеазу, lacA — β-галактозидтрансацетилазу.
- LacI кодирует репрессор лактозы.
-
Регуляция оперона lac
- В отсутствие лактозы репрессор lacI блокирует экспрессию генов.
- В присутствии лактозы репрессор инактивируется, позволяя экспрессировать гены.
- В присутствии глюкозы оперон подавляется.
-
Генетическая номенклатура
- Используются трехбуквенные сокращения для описания фенотипов бактерий.
- Гены lacZ, lacY, lacA кодируют ферменты, lacI — репрессор лактозы.
- Различные короткие последовательности влияют на экспрессию генов.
-
Регулирование экспрессии генов
- Специфический контроль зависит от доступности лактозы.
- Гены организованы в оперон и транскрибируются в единую мРНК.
- Репрессор lacI блокирует связывание РНК-полимеразы с оператором.
- Аллолактоза инактивирует репрессор, позволяя экспрессировать гены.
-
Реакция на глюкозу
- В отсутствие глюкозы CAP увеличивает выработку β-галактозидазы.
- Глюкоза транспортируется в клетку, блокируя транспорт лактозы.
- Нефосфорилированная форма EIIAGlc предотвращает транспорт лактозы.
-
Структура и функции репрессора lac
- Репрессор lac состоит из четырех идентичных субъединиц, каждая из которых содержит мотив «спираль-поворот-спираль».
- Операторный участок связывается с двумя субъединицами репрессора, образуя комплекс.
- Два дополнительных оператора (O2 и O3) также участвуют в регуляции lac.
-
Механизм индукции
- Репрессор является аллостерическим белком, который может принимать две формы.
- Индуктор, такой как аллолактоза или ИПТГ, влияет на распределение репрессора между формами.
- Индуктор может также связываться с репрессором, уже связанным с ДНК.
-
Роль неспецифического связывания
- Неспецифическое связывание репрессора с ДНК играет ключевую роль в подавлении и индукции lac-оперона.
- Неспецифические последовательности уменьшают количество доступного репрессора, что снижает потребность в индукторе.
-
Аналоги лактозы
- IPTG часто используется как индуктор для физиологических исследований.
- Фенил-β-D-галактоза не инактивирует репрессор, но является субстратом для β-галактозидазы.
- TMG и IPTG могут проникать в клетку через пермеазу лактозы при высоких концентрациях индуктора.
-
Разработка классической модели
- Франсуа Жакоб и Жак Моно использовали E. coli для изучения регуляции генов.
- Моно обнаружил диаукси, явление, при котором бактерии метаболизируют глюкозу и лактозу по очереди.
- Джейкоб разработал систему для анализа регуляторных мутантов, используя тест на комплементацию.
-
Тест на комплементацию репрессора
- Мутации в lacI рецессивны, но экспрессия lacZ при воздействии IPTG
- Мутации оператора доминируют, экспрессия lacZ и LacY без IPTG
-
Эксперимент с помеченными оперонами
- Одна копия с мутацией lacZ, вторая с мутацией lacY
- Экспрессия только копии с мутантным оператором без IPTG
-
Регулирование с помощью циклического усилителя
- Мутации cya и crp влияют на экспрессию lac
- cya кодирует аденилатциклазу, crp — белок-активатор катаболизма
- Добавление цАМФ корректирует экспрессию lac
-
Катаболическая репрессия
- При отсутствии лактозы экспрессия lac мала
- При наличии лактозы и глюкозы экспрессия небольшая
- При отсутствии глюкозы CAP-cAMP активирует экспрессию lac
-
Использование в молекулярной биологии
- Ген lac используется как репортерный ген в селекции бактерий
- Лактозные среды требуют присутствия генов lacZ и lacY
- Технологии слияния lac подходят для приготовления пластин X-gal и жидких бульонов ONPG