Chapter 14: Gene Expression

Back to chapter

14.12:

Operons

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Biology

Operons

Previous Video
14.5: RNA Stability

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

– [Verteller] In prokaryotische cellen is een operon een groep van genetische sequenties die regulatorische elementen en verschillende eiwitcoderende genen bevatten, de structurele genen die samen worden getranscribeerd. Een van de best bestudeerde gevallen is de lac-operon in bacteriën dat drie genen bevat, lac Z, lac Y, en lac A, die de enzymen coderen die nodig zijn voor het metabolisme van lactose, samen met de promotor, operator en terminator sequenties die de expressie van de lac-genen regelen. Normaal gesproken, wanneer de glucoseconcentratie overvloedig is, bindt het lac repressor-eiwit zich stevig aan de operator en verhindert het de transcriptie van de lac-genen door de binding van het RNA-polymerase aan de promotor te blokkeren. De lac onderdrukker wordt constitutief uitgedrukt, wat betekent dat het gen dat het codeert, standaard wordt aangezet. Wanneer de glucoseconcentratie zeer laag is, zal de cel lactose als energiebron gebruiken. Eenmaal aanwezig in de cel, wordt een deel van de lactose omgezet in een aangepaste versie, allolactose genaamd, die bekend staat als de bevorderaar van de lac operon omdat het zich aan de repressor bindt en deze blokkert, wat de expressie van de lac genen veroorzaakt. Bovendien, bij lage glucoseniveaus, neemt de hoeveelheid van de signaalmolecule cyclisch AMP toe en bindt deze zich aan het katabolische activator-proteïne, of CAP. Samen binden ze zich aan een reguleringssequentie die proximaal stroomopwaarts van de promotor ligt en helpen ze RNA-polymerase aan te trekken om de transcriptie aanzienlijk te verhogen. Tijdens de transcriptie wordt een enkele mRNA streng geproduceerd en vrijgegeven wanneer de polymerase de terminatorsequentie bereikt. Uit dit mRNA worden de drie eiwitten die nodig zijn voor de verwerking van lactose omgezet.

14.12:

Operons

Prokaryoten kunnen genexpressie regelen via operons – DNA-sequenties die bestaan uit regulerende elementen en geclusterde, functioneel gerelateerde eiwitcoderende genen. Operons gebruiken een enkele promotorsequentie om de transcriptie van een gencluster (dwz een groep structurele genen) naar een enkel mRNA-molecuul te initiëren. De terminatorsequentie beëindigt de transcriptie. Een operatorsequentie, gelokaliseerd tussen de promotor en structurele genen, verbiedt de transcriptionele activiteit van de operon indien gebonden door een repressoreiwit. Alles bij elkaar vormen de promotor, operator, structurele genen en terminator de kern van een operon.

Operons zijn meestal ofwel induceerbaar ofwel onderdrukbaar. Induceerbare operons, zoals het bacteriële lac operon, zijn normaal gesproken 'uit' maar gaan 'aan' in de aanwezigheid van een klein molecuul dat een inductor wordt genoemd (bijv. Allolactose). Wanneer glucose afwezig is, maar lactose aanwezig is, bindt allolactose de lac operon repressor en deactiveert deze; waardoor het operon enzymen kan genereren die verantwoordelijk zijn voor het lactosemetabolisme.

Onderdrukbare operons, zoals het bacteriële trp- operon, zijn meestal 'aan' maar gaan 'uit' in de aanwezigheid van een klein molecuul dat een corepressor wordt genoemd (bijvoorbeeld tryptofaan). Wanneer tryptofaan – een essentieel aminozuur – in overvloed aanwezig is, bindt tryptofaan en activeert het de trp- repressor, waardoor het operon geen enzymen aanmaakt die nodig zijn voor zijn synthese.

Operons kunnen ook constitutief (dwz continu) actief zijn. Bacteriële ribosomale RNA (rRNA) -operons zijn bijvoorbeeld altijd "aan" omdat rRNA's constant nodig zijn voor translatie.

Andere regulerende elementen dragen ook bij aan de gecoördineerde genexpressie van een operon. Regulerende genen coderen voor transcriptionele activator- of repressoreiwitten. De lacI- en trpR-genen coderen bijvoorbeeld voor hun respectievelijke operon-repressors. Aanvullende regulerende sequenties, zoals de bindingsplaats van het katabolietactivatorproteïne (KAP) van lac operon, verschaffen bindingsplaatsen voor andere activatoren of repressoren. Wanneer het glucoseniveau bijvoorbeeld laag is, activeert een signaalmolecuul (dwz cyclisch AMP) KAP – waardoor het de KAP-site kan binden, RNA-polymerase kan rekruteren en lac-operon-transcriptie kan initiëren.

Suggested Reading

Osbourn, Anne E., and Ben Field. "Operons." Cellular and Molecular Life Sciences 66, no. 23 (2009): 3755-3775. [Source]