락토스 오페론은 함수 락토오스의 대사에 관여하는 단백질을 코드 인 구조 유전자의 그룹이다. 그들은 거의 모든 박테리아의 게놈에 연속적으로 배열 된 유전자이며 "모델"박테리아 대장균에서 특별한 노력을 기울여 연구되었습니다.
lac 오페론은 1961 년 Jacob과 Monod가 오페론 형태의 유전자 배열을 제안하기 위해 사용한 모델이었습니다. 그들의 연구에서, 이들 저자는 성장 배지에 분자 (예를 들어, 락토스)의 존재의 결과로 하나 이상의 유전자의 발현이 어떻게 "켜짐"또는 "꺼짐"될 수 있는지 설명했습니다.
락 오페론의 일반적인 계획. Tereseik. G3pro 이미지의 파생 작업. Alejandro Porto의 스페인어 번역.
글루코오스 및 갈락토오스와 같은 유당 이외의 탄소 성 화합물 또는 당이 풍부한 성장 배지에서 자라는 박테리아는 락토오스의 대사에 필요한 단백질의 양이 매우 적습니다.
그런 다음 락토스가 없으면 오페론이 "꺼져"RNA 중합 효소가 lac 오페론에 해당하는 유전자 세그먼트를 전사하지 못하도록합니다. 세포가 락토스의 존재를 "감지"하면 오페론이 활성화되고 이러한 유전자가 정상적으로 전사되는데,이를 오페론 "켜기"라고합니다.
오페론의 모든 유전자는 단일 분자의 메신저 RNA로 번역되므로 lac 오페론의 메신저 RNA의 전사를 조절하는 모든 인자는 그에 속한 유전자의 전사를 직접 조절합니다.
발견
Jacob과 Monod 이론은 DNA 구조에 대해 거의 알려지지 않은 상황에서 발전했습니다. 그리고 Watson과 Crick이 DNA와 RNA의 구조에 대한 제안을하기 8 년 전에 야 메신저 RNA가 거의 알려지지 않았습니다.
1950 년대에 Jacob과 Monod는 세균성 유당 대사가 유당의 존재와 부재라는 두 가지 매우 특정한 조건에 의해 유 전적으로 조절된다는 것을 이미 보여주었습니다.
두 과학자 모두 알로 스테 릭 효소와 유사한 특성을 가진 단백질이 배지에서 유당의 존재를 감지 할 수 있고 당이 감지되면 두 효소의 전사가 자극된다는 것을 관찰했습니다 : 락토오스 퍼 미아 제와 갈 락토시다 아제.
오늘날 퍼 미아 제는 유당을 세포로 운반하는 역할을하며, 갈 락토시다 아제는 유당 분자를 포도당과 갈락토스로 "절단"하거나 "절단"하는 데 필요하다는 것이 알려져 있습니다. 구성 부분에서이 이당류를 이용할 수 있습니다.
1960 년대에 이르러 락토스 퍼 미아 제와 갈 락토시다 아제는 각각 Z 영역과 Y 영역이라는 두 개의 인접한 유전 서열에 의해 암호화된다는 것이 이미 결정되었습니다.
Lac operon은 대장균 (Escherichia coli)의 게놈의 일부입니다. 출처 : NIAID, Wikimedia Commons를 통해
마지막으로 1961 년 Jacob과 Monod는 5 가지 유전 적 요소로 구성된 유전 모델을 제시했습니다.
-프로모터
-운영자 및
-유전자 Z, Y 및 A.
이 모든 세그먼트는 단일 메신저 RNA로 번역되며 사실상 모든 박테리아 오페론을 정의하는 데 필수적인 부분을 구성합니다.
유전 분석 및 실험
Jacob, Monod 및 그들의 공동 연구자들은 균주가 락토스를 대사 할 수 없게 만드는 돌연변이를 가진 박테리아 세포에 대한 많은 실험을 수행했습니다. 이러한 균주는 균주의 이름과 그들이 소유 한 상응하는 돌연변이로 식별되었습니다.
이를 통해 연구진은 β- 갈 락토시다 아제를 코딩하는 lacZ 유전자와 락토스 퍼 미아 제를 코딩하는 lacY 유전자의 돌연변이가 lac 유형의 박테리아, 즉 유당을 대사 할 수없는 박테리아를 생성했음을 확인할 수 있었다. .
제한 효소를 사용하는 "유전자 매핑"에서 이후에 서로 다른 균주의 유전자 위치가 결정되었으며,이를 통해 세 가지 유전자 lacZ, lacY 및 lacA가 박테리아 염색체에서 (순서대로) 발견된다는 것을 확인할 수있었습니다. 인접한 유전자 그룹.
반드시 오페론의 "부분"으로 간주되지는 않는 억제 단백질이라고하는 또 다른 단백질의 존재는 lacI-라는 유전자의 돌연변이를 통해 밝혀졌습니다. 이것은 오페론의 "운영자"영역에 결합하는 단백질을 암호화하고 β- 갈 락토시다 아제 및 락토스 퍼 미아 제에 대한 유전자의 전사를 방지합니다.
이 단백질은 lac 오페론을 구성하는 유전자의 일부가 아니라고합니다. 왜냐하면 이들은 실제로 후자의 "상류"에 위치하고 다른 메신저 RNA로 전사되기 때문입니다.
락 오페론의 도식 (출처 : Wikimedia Commons를 통한 Dutch Wikipedia의 Barbarossa)
lacI- 돌연변이를 "구성 적으로"보유하는 박테리아 균주는 세포 외 환경에서 락토스의 존재 또는 부재에 관계없이 발생하는 lacZ, lacY 및 lacA 유전자를 발현합니다.
이러한 관찰의 대부분은 lacI + 및 lacZ + 유전자를 유당이없는 배지에서 이러한 유전자에 의해 암호화 된 단백질을 생산하지 않는 박테리아 세포로 전달함으로써 확증되었습니다.
이런 식으로 박테리아가 "형질 전환"된 것은 락토오스의 존재 하에서 효소 β- 갈 락토시다 아제를 생산했기 때문에 실험은 lacI 유전자가 lac 오페론 발현 조절에 중요하다는 것을 확인했습니다.
함수
lac 오페론은 박테리아가 유당을 탄소와 에너지의 원천으로 동화시키는 데 필요한 유전자의 전사를 조절합니다. 그러나 이러한 유전자의 전사는 주 에너지 원이 갈 락토 사이드 형 탄수화물에 해당하는 경우에만 발생합니다.
박테리아 세포에는 lac 오페론 유전자가 포도당이나 대사가 더 쉬운 다른 당이있을 때 발현을 조절하는 메커니즘이 있습니다.
이 당의 대사는 세포로의 이동과 후속 분해 또는 처리를 의미합니다.
유당은 박테리아의 대체 에너지 원으로 사용되어 포도당과 같은 환경의 다른 에너지 원이 고갈 된 후에도 박테리아가 생존하도록 돕습니다.
lac 오페론 모델은 동종 최초의 유전 체계가 밝혀졌고, 따라서 다양한 유형의 미생물 게놈에서 다른 많은 오페론을 설명하는 기초가되었습니다.
이 시스템에 대한 연구를 통해 DNA에 결합하는 "억제제"유형 단백질의 기능을 이해하는 데 많은 진전이있었습니다. 알로 스테 릭 효소에 대한 이해와 하나 또는 다른 기질을 인식 할 때 선택적으로 작용하는 방법에 대한 이해도 진전되었습니다.
lac 오페론의 연구에서 발생한 또 다른 중요한 발전은 메신저 RNA가 DNA에서 발견 된 지침을 번역하고 단백질 합성의 예비 단계로 수행하는 중요한 역할을 확립 한 것입니다.
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