Оперон
В генетике оперон — это функционирующая единица ДНК , содержащая кластер генов под контролем одного промотора . [1] Гены вместе транскрибируются в цепь мРНК и либо вместе транслируются в цитоплазме, либо подвергаются сплайсингу для создания моноцистронных мРНК, которые транслируются отдельно, т.е. нескольких цепей мРНК, каждая из которых кодирует один генный продукт. В результате гены, содержащиеся в опероне, либо экспрессируются вместе, либо не экспрессируются вообще. несколько генов . необходимо совместно транскрибировать Для определения оперона [2]
Первоначально считалось, что опероны существуют исключительно у прокариот (включая такие органеллы , как пластиды , происходящие от бактерий ), но их открытие у эукариот было показано в начале 1990-х годов, и они считаются редкими. [3] [4] [5] [6] В общем, экспрессия прокариотических оперонов приводит к образованию полицистронных мРНК, тогда как эукариотические опероны приводят к моноцистронным мРНК.
Опероны также обнаружены в вирусах, таких как бактериофаги . [7] [8] 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 , призванный вызвать взрыв клетки-хозяина. [9]
История
[ редактировать ]Термин «оперон» был впервые предложен в небольшой статье в «Записках Французской академии наук» в 1960 году. [10] На основе этой работы была разработана так называемая общая теория оперона. Эта теория предполагала, что во всех случаях гены внутри оперона находятся под негативным контролем репрессора, действующего на единственный оператор, расположенный перед первым геном. Позже было обнаружено, что гены могут позитивно регулироваться, а также регулироваться на этапах, следующих за инициацией транскрипции. Поэтому говорить об общем механизме регуляции невозможно, поскольку разные опероны имеют разные механизмы. Сегодня оперон просто определяют как группу генов, транскрибируемых в одну молекулу мРНК. Тем не менее, развитие концепции считается знаковым событием в истории молекулярной биологии. Первым описанным опероном был lac -оперон E. coli . [10] 1965 года Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Франсуа Жакобу , Андре Мишелю Львоффу и Жаку Моно за открытия, касающиеся синтеза оперонов и вирусов.
Обзор
[ редактировать ] |
Опероны встречаются преимущественно у прокариот , но также редко у некоторых эукариот , включая нематоды , такие как C. elegans и плодовую мушку Drosophila melanogaster . [3] Гены рРНК часто существуют в оперонах, которые были обнаружены у ряда эукариот, включая хордовых . Оперон состоит из нескольких структурных генов , расположенных под общим промотором и регулируемых общим оператором. Он определяется как набор соседних структурных генов плюс соседние регуляторные сигналы, которые влияют на транскрипцию структурных генов. 5 [12] Регуляторы данного оперона, включая репрессоры , корепрессоры и активаторы , не обязательно кодируются этим опероном. Расположение и состояние регуляторов, промотора, оператора и структурных последовательностей ДНК могут определять эффекты общих мутаций.
Опероны родственны регуляронам , стимулонам и модулянам ; 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 «действовать». [13]
Как единица транскрипции
[ редактировать ]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. [6] Выше структурных генов 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
[ редактировать ]Все структурные гены оперона включаются или выключаются одновременно благодаря одному промотору и оператору, расположенному выше них, но иногда необходим больший контроль над экспрессией гена. Для достижения этого аспекта некоторые бактериальные гены расположены близко друг к другу, но для каждого из них есть определенный промотор; это называется кластеризацией генов . Обычно эти гены кодируют белки, которые работают вместе по одному и тому же пути, например метаболическому пути. Кластеризация генов помогает прокариотической клетке производить метаболические ферменты в правильном порядке. [14] В одном исследовании было высказано предположение, что у Асгарда (архей) гены, кодирующие рибосомальные белки, встречаются в кластерах, организация которых менее консервативна, чем у других архей ; чем ближе Асгард (архея) к эукариотам , тем более рассредоточено расположение генов, кодирующих рибосомальный белок. [15]
Общая структура
[ редактировать ]
Оперон состоит из трех основных компонентов ДНК:
- Промотор – нуклеотидная гена последовательность, обеспечивающая транскрипцию . Промотор распознается РНК-полимеразой , которая затем инициирует транскрипцию. При синтезе РНК промоторы указывают, какие гены следует использовать для создания информационной РНК, и, как следствие, контролируют, какие белки производит клетка.
- Оператор – участок ДНК , с которым связывается репрессор . он классически определяется В lac-опероне как сегмент между промотором и генами оперона. [16] Главный оператор (О1) в lac- опероне расположен немного ниже промотора; два дополнительных оператора, O2 и O3, расположены по координатам -82 и +412 соответственно. В случае репрессора белок-репрессор физически препятствует транскрипции генов РНК-полимеразой.
- Структурные гены – гены, которые совместно регулируются опероном.
Не всегда включенный в состав оперона, но важный по своей функции регуляторный ген — постоянно экспрессирующийся ген, кодирующий белки-репрессоры . Регуляторный ген не обязательно должен находиться внутри оперона, рядом с ним или даже рядом с ним, чтобы контролировать его. [17]
Индуктор (маленькая молекула ) может вытеснить репрессор (белок) из операторного сайта (ДНК), в результате чего образуется неингибированный оперон.
Альтернативно, корепрессор может связываться с репрессором, чтобы обеспечить его связывание с операторным сайтом. Хорошим примером такого типа регуляции является оперон trp .
Регулирование
[ редактировать ]Контроль оперона — это тип регуляции генов , который позволяет организмам регулировать экспрессию различных генов в зависимости от условий окружающей среды. Регуляция оперона может быть как негативной, так и позитивной путем индукции или репрессии. [16]
Негативный контроль включает связывание репрессора с оператором для предотвращения транскрипции.
- В негативных индуцибельных оперонах регуляторный белок-репрессор обычно связан с оператором, что предотвращает транскрипцию генов на опероне. Если присутствует молекула -индуктор , она связывается с репрессором и меняет свою конформацию так, что не может связываться с оператором. Это позволяет выразить оперон. Лак - оперон представляет собой отрицательно контролируемый индуцируемый оперон, молекулой-индуктором которого является аллолактоза .
- В негативных репрессируемых оперонах обычно происходит транскрипция оперона. Белки-репрессоры производятся геном-регулятором , но они не способны связываться с оператором в своей нормальной конформации. Однако некоторые молекулы, называемые корепрессорами, связываются с белком-репрессором, вызывая конформационные изменения активного центра. Активированный белок-репрессор связывается с оператором и предотвращает транскрипцию. Оперон trp , участвующий в синтезе триптофана (который сам действует как корепрессор), представляет собой негативно контролируемый репрессируемый оперон.
Оперонами также можно управлять положительно. При положительном контроле белок- активатор стимулирует транскрипцию путем связывания с ДНК (обычно на сайте, отличном от оператора).
- В положительных индуцибельных оперонах белки-активаторы обычно не способны связываться с соответствующей ДНК. Когда индуктор связывается с белком-активатором, он претерпевает изменение конформации, чтобы он мог связываться с ДНК и активировать транскрипцию. Примеры позитивных индуцибельных оперонов включают семейство активаторов транскрипции MerR.
- В положительных репрессируемых оперонах белки-активаторы обычно связаны с соответствующим сегментом ДНК. Однако когда ингибитор связывается с активатором, он не может связать ДНК. Это останавливает активацию и транскрипцию системы.
Лак - оперон
[ редактировать ]Лак - оперон модельной бактерии . Escherichia coli был первым открытым опероном и представляет собой типичный пример функции оперона Он состоит из трех соседних структурных генов , промотора , терминатора и оператора . Лак - оперон регулируется несколькими факторами, включая наличие глюкозы и лактозы . Его можно активировать аллолактозой . Лактоза связывается с белком-репрессором и не позволяет ему подавлять транскрипцию гена. Это пример дерепрессивной ( сверху: негативной индуцируемой) модели. Таким образом, это отрицательный индуцибельный оперон, индуцируемый присутствием лактозы или аллолактозы.
Оперон trp
[ редактировать ]Обнаруженный в 1953 году Жаком Моно и его коллегами, оперон trp в E. coli был первым открытым репрессируемым опероном. В то время как оперон lac может быть активирован химическим веществом ( аллолактозой ), оперон триптофана (Trp) ингибируется химическим веществом (триптофаном). Этот оперон содержит пять структурных генов: trp E, trp D, trp C, trp B и trp A, кодирующий 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 опероне lac лактоза связывается с белком-репрессором и не дает ему подавлять транскрипцию гена, тогда как в опероне trp триптофан связывается с белком-репрессором и позволяет ему подавлять транскрипцию гена. Кроме того, в отличие от оперона lac, оперон trp содержит лидерный пептид и последовательность аттенюатора , которая обеспечивает ступенчатую регуляцию. [18] Это пример сжимаемой модели.
Прогнозирование количества и организации оперонов
[ редактировать ]Число и организация оперонов наиболее критично изучены у E. coli . В результате можно делать прогнозы на основе геномной последовательности организма.
Один метод прогнозирования использует межгенное расстояние между рамками считывания в качестве основного предсказателя количества оперонов в геноме. Разделение просто меняет рамку и гарантирует эффективность чтения. Там, где опероны начинаются и заканчиваются, существуют более длинные участки, часто до 40–50 оснований. [19]
Альтернативный метод прогнозирования оперонов основан на поиске кластеров генов, в которых порядок и ориентация генов сохраняются в двух или более геномах. [20]
Предсказание оперонов становится еще более точным, если учитывать функциональный класс молекул. Бактерии сгруппировали свои рамки считывания в единицы, изолированные за счет совместного участия в белковых комплексах, общих путях или общих субстратах и переносчиках. Таким образом, точное предсказание потребует использования всех этих данных, а это действительно сложная задача.
Лаборатория Паскаля Коссара была первой, кто экспериментально идентифицировал все опероны микроорганизма Listeria monocytogenes . 517 полицистронных оперонов перечислены в исследовании 2009 года, описывающем глобальные изменения транскрипции, происходящие у L. monocytogenes в различных условиях. [21]
См. также
[ редактировать ]
- Эволюционная биология развития
- Генетический код
- Сеть регулирования генов
- L-арабинозный оперон
- Биосинтез белка
- ТАТА коробка
- Хромотест
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Садава Д.Е., Хиллис Д.М., Хеллер Х.К., Беренбаум М. (2009). Жизнь: наука биологии (9-е изд.). Макмиллан. п. 349. ИСБН 978-1-4292-1962-4 .
- ^ Лодиш Х., Зипурски Л., Мацудайра П., Балтимор Д., Дарнел Дж. (2000). «Глава 9: Молекулярное определение гена». Молекулярно-клеточная биология . У. Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-3136-8 .
- ^ Jump up to: а б Коминек Дж., Деринг Д.Т., Опуленте Д.А., Шен XX, Чжоу X, ДеВиргилио Дж., Хульфахор А.Б., Грюневальд М., Макги М.А., Карлен С.Д., Курцман К.П., Рокас А., Хиттингер К.Т. (март 2019 г.). «Приобретение эукариотами бактериального оперона» . Клетка . 176 (6): 1356–1366.e10. дои : 10.1016/j.cell.2019.01.034 . ПМЦ 7295392 . ПМИД 30799038 .
- ^ Спит Дж., Брук Дж., Куерстен С., Леа К., Блюменталь Т. (май 1993 г.). «Опероны C. elegans: предшественники полицистронной мРНК процессируются путем транс-сплайсинга SL2 с нижестоящими кодирующими областями». Клетка . 73 (3): 521–32. дои : 10.1016/0092-8674(93)90139-H . ПМИД 8098272 . S2CID 26918553 .
- ^ Брогна С., Эшбернер М. (апрель 1997 г.). «Связанный с Adh ген Drosophila melanogaster экспрессируется как функциональная дицистронная информационная РНК: мультигенная транскрипция у высших организмов» . Журнал ЭМБО . 16 (8): 2023–31. дои : 10.1093/emboj/16.8.2023 . ПМК 1169805 . ПМИД 9155028 .
- ^ Jump up to: а б Блюменталь Т. (ноябрь 2004 г.). «Опероны у эукариот» . Брифинги по функциональной геномике и протеомике . 3 (3): 199–211. дои : 10.1093/bfgp/3.3.199 . ПМИД 15642184 .
- ^ «Определение оперона» . Медицинский словарь . MedicineNet.com . Проверено 30 декабря 2012 г.
- ^ Лю Дж., Мушегян А. (июль 2004 г.). «Смещения генов про-головной протеазы в поздних оперонах бактериофагов с двухцепочечной ДНК» . Журнал бактериологии . 186 (13): 4369–75. дои : 10.1128/JB.186.13.4369-4375.2004 . ПМК 421614 . ПМИД 15205439 .
- ^ «Опероны использования бактериофагов» . Контроль генов прокариот . Дартмутский колледж. Архивировано из оригинала 28 января 2013 года . Проверено 30 декабря 2012 г.
- ^ Jump up to: а б Джейкоб Ф., Перрин Д., Санчес К., Моно Дж. (февраль 1960 г.). «[Оперон: группа генов с выражением, координируемым оператором]» [Оперон: группа генов с выражением, координируемым оператором] (PDF) . Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences (факсимильная версия переиздана в 2005 г.) (на французском языке). 250 (6): 1727–9. ПМИД 14406329 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 27 августа 2015 г.
- ^ Шафи, Томас; Лоу, Рохан (2017). «Строение генов эукариот и прокариот» . Викижурнал медицины . 4 (1). дои : 10.15347/wjm/2017.002 . ISSN 2002-4436 .
- ^ Миллер Дж. Х., Сузуки Д.Т., Гриффитс А.Дж., Левонтин Р.К., Весслер С.Р., Гелбарт В.М. (2005). Введение в генетический анализ (8-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman. п. 740. ИСБН 978-0-7167-4939-4 .
- ^ Джейкоб Ф. (май 2011 г.). «Рождение оперона» . Наука . 332 (6031): 767. Бибкод : 2011Sci...332..767J . дои : 10.1126/science.1207943 . ПМИД 21566161 .
- ^ Ли Дж. М., Зоннхаммер Э. Л. (май 2003 г.). «Кластерный анализ геномных генов у эукариот» . Геномные исследования . 13 (5): 875–82. дои : 10.1101/гр.737703 . ПМК 430880 . ПМИД 12695325 .
- ^ Тирумалай М.Р., Шивараман Р.В., Катти Л.А., Сонг Э.Л., Фокс Дж.Э. (сентябрь 2003 г.). «Организация кластера рибосомальных белков у асгардских архей» . Архея . 2023 : 1–16. дои : 10.1155/2023/5512414 . ПМЦ 10833476 . ПМИД 38314098 .
- ^ Jump up to: а б Левин Б. (1990). Гены IV (4-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 243–58 . ISBN 978-0-19-854267-4 .
- ^ Майер Г. «Бактериология. Глава девятая. Генетические регуляторные механизмы» . Микробиология и иммунология онлайн . Медицинский факультет Университета Южной Каролины . Проверено 30 декабря 2012 г.
- ^ Каммингс М.С., Клюг В.С. (2006). Концепции генетики (8-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Pearson Education. стр. 394–402. ISBN 978-0-13-191833-7 .
- ^ Сальгадо Х., Морено-Хагельсиб Г., Смит Т.Ф., Колладо-Видес Дж. (июнь 2000 г.). «Опероны Escherichia coli: геномный анализ и прогнозы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (12): 6652–7. Бибкод : 2000PNAS...97.6652S . дои : 10.1073/pnas.110147297 . ЧВК 18690 . ПМИД 10823905 .
- ^ Ермолаева М.Д., Уайт О., Зальцберг С.Л. (март 2001 г.). «Прогнозирование оперонов в микробных геномах» . Исследования нуклеиновых кислот . 29 (5): 1216–21. дои : 10.1093/нар/29.5.1216 . ПМК 29727 . ПМИД 11222772 .
- ^ Толедо-Арана А, Дюссурже О, Никитас Г, Сесто Н, Гет-Ревилле Х, Балестрино Д, Ло Э, Грипенланд Дж, Тиенсуу Т, Вайткявичюс К, Бартелеми М, Вергассола М, Нахори М.А., Субигу Г, Реньо Б, Коппе JY, Лекуит М., Йоханссон Дж., Коссарт П. (июнь 2009 г.). «Транскрипционный ландшафт Listeria от сапрофитизма до вирулентности». Природы . 459 (7249): 950–6. Бибкод : 2009Natur.459..950T . дои : 10.1038/nature08080 . ПМИД 19448609 . S2CID 4341657 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Микобактерия туберкулеза H37Rv Браузер корреляции оперонов
- OBD — база данных Operan (правда, немного неудобно использовать)
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
