Hoe wordt de Lac Operon gereguleerd

Genexpressie is de synthese van een polypeptideketen van een functioneel eiwit op basis van de informatie die wordt gecodeerd door een bepaald gen. De hoeveelheid van de synthese van een bepaald eiwit kan worden gereguleerd door de regulatie van de genexpressie. De differentiële expressie van genen kan worden bereikt tijdens de verschillende stappen van de eiwitsynthese. De regulatie van de genexpressie verschilt echter in eukaryotische en prokaryotische genen. lak operon is een cluster van genen die verantwoordelijk zijn voor het lactosemetabolisme van E coli. De regulering van de expressie van lak operon wordt bereikt als reactie op de lactose- en glucosespiegels in het medium. De regulering van de lak operon wordt gebruikt als het belangrijkste voorbeeld van prokaryotische genregulatie in inleidende moleculaire en cellulaire biologiestudies.

Key Areas Covered

1. Wat is regulatie van genexpressie
      - Definitie, regulatie van genexpressie
2. Wat is de Lac Operon
     - Definitie, structuur, functie van genproducten
3. Hoe wordt de Lac Operon gereguleerd
     - Lac-repressor, CAP

Sleutelbegrippen: Catabolite Activator Protein (CAP), E. coli, Gene Expression, Glucose, Lac Operon, Lac Repressor, Lactose Metabolism

Wat is regulatie van genexpressie

De regulatie van genexpressie verwijst naar een breed bereik van mechanismen die door de cel worden gebruikt om de productie van een bepaald genproduct (een eiwit of een RNA) te verhogen of te verlagen. Het wordt bereikt tijdens verschillende stappen van de eiwitsynthese zoals hieronder beschreven.

1. Replicatieniveau - De mutaties die optreden tijdens DNA-replicatie kunnen veranderingen van de genexpressie veroorzaken.
2. Transcriptioneel niveau - De transcriptie van een bepaald gen kan worden gecontroleerd door repressors en activators.
3. Post-transcriptioneel niveau - Genexpressie kan worden bereikt tijdens de post-transcriptionele modificaties zoals RNA-splitsing.
4. Translationeel niveau - De translatie van een mRNA-molecuul kan worden geregeld door verschillende werkwijzen zoals RNA-interferentie-route.
5. Post-translationeel niveau - De synthese van een eiwit kan op post-translationeel niveau worden gereguleerd door de post-translationele modificaties te regelen.

De regulatie van genexpressie in prokaryoten wordt echter voornamelijk bereikt tijdens de start van transcriptie. Het betreft de activators die de genexpressie en repressors positief reguleren die de genexpressie negatief reguleren. De regulatie van de genexpressie bij verschillende stappen van de eiwitsynthese is weergegeven in Figuur 1.

Figuur 1: Regulatie van genexpressie

Wat is lak operon

De lak operon verwijst naar een cluster van genen die verantwoordelijk zijn voor het lactosemetabolisme van E. coli. Vandaar dat de lak operon is een functionele eenheid van de E coli genoom. Alle genen in de lak operon worden gecontroleerd door een enkele promotor. Daarom worden alle genen in de operon samen getranscribeerd. De genproducten zijn de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het transport van lactose naar het cytosol van de cel en de vertering van lactose in glucose. Glucose wordt gebruikt in de cellulaire ademhaling om energie te produceren in de vorm van ATP. De lak operon kan ook in veel andere enterische bacteriën aanwezig zijn. De structuur van de lak operon wordt getoond in Figuur 2.

Figuur 2: lak operon

De lak operon bestaat uit drie genen die worden gecontroleerd door een enkele promotor. Deze genen zijn lacZ, kanten, en Laca. Deze genen worden gecodeerd voor de drie enzymen die betrokken zijn bij het lactose metabolisme, bekend als respectievelijk beta-galactosidase, beta-galactoside permease en beta-galactoside transacetylase. Bèta-galactosidase is betrokken bij de afbraak van lactose in glucose en galactose. Bèta-galactoside-permease is ingebed in het celmembraan, waardoor het transport van lactose in het cytosol mogelijk wordt. Beta-galactoside transacetylase is betrokken bij de overdracht van een acetylgroep van acetyl Co-A naar beta-galactoside. De transcriptie van de lak operon produceert een polycistronisch mRNA-molecuul dat alle drie genproducten van een enkel mRNA-molecuul produceert. Over het algemeen, de lacZ en kanten genproducten zijn voldoende voor lactosekatabolisme.

Naast die drie genen, lak operon bestaat uit een aantal regelgevende regio's waaraan verschillende eiwitten kunnen binden om de transcriptie te beheersen. De belangrijkste regulerende sequenties in de lak operon zijn de promoter, operator en de kataboliet activator eiwit (CAP) bindingsplaats. De promotor dient als de bindingsplaats voor het RNA-polymerase, het enzym dat verantwoordelijk is voor de transcriptie van de genen. De operator fungeert als een negatieve regelgevende site waarop de lak repressor bindt. De CAP-bindingsplaats fungeert als de positieve regelgevingssite waaraan het GLB bindt.

Hoe is de lak Operon gereguleerd

De regulatie van de genexpressie in prokaryote genen vindt plaats door middel van induceerbare operons waarin verschillende soorten eiwitten binden, ofwel de transcriptie van de operon activeren of onderdrukken op basis van de vereisten van de cel. lak operon is een induceerbare operon. Het maakt het gebruik van lactose, een disaccharide, mogelijk in de energieproductie door het om te zetten in glucose die gemakkelijk kan worden gebruikt in de cellulaire ademhaling, wanneer de glucose niet beschikbaar is voor de cel. De lak operon wordt gereguleerd in de "uitschakel" en "inschakel" toestanden op basis van de aanwezigheid van glucose in de cel. De lak repressor is verantwoordelijk voor de modus 'uitschakelen' van de lak operon terwijl CAP verantwoordelijk is voor de 'inschakelmodus' van de lak operon.

lak repressor

De lak repressor verwijst naar een lactose sensor, die de transcriptie van de blokkeert lak operon in de aanwezigheid van glucose. Het gebruik van glucose in de cellulaire ademhaling vereist minder stappen in de productie van energie in vergelijking met lactose. Vandaar dat, wanneer glucose beschikbaar is in de cel, het gemakkelijk wordt afgebroken in de cellulaire routes om energie te produceren. Wanneer glucose wordt gebruikt in de ademhaling, moet bovendien het gebruik van lactose voor het eerste doel worden vermeden om de maximale efficiëntie van de cellulaire ademhaling te bereiken. In deze situatie is de blokkering van de transcriptie van de lak operon wordt bereikt door de binding van lac repressor aan de operator regio van de lak operon. In het algemeen overlapt het operatorgebied het promotorgebied. Vandaar, wanneer de lak repressor bindt aan het operatorgebied, RNA-polymerase is niet in staat om te binden aan het promotorgebied omdat het complete promotergebied niet beschikbaar is. Wanneer glucose gemakkelijk in de cel beschikbaar is en lactose niet beschikbaar is, lak repressor bindt zich stevig aan het operatorgebied en remt de transcriptie van de lak operon. De regulering van de lak operon wordt getoond in figuur 3.

Figuur 3: Regeling van de lak operon

Catabolite Activator Proteïne (CAP)

Het CAP-eiwit verwijst naar een glucoserepressor die de transcriptie van de lak operon. Wanneer de cel zonder glucose is en lactose direct beschikbaar is in de cytosol, is de lak repressor verliest zijn vermogen om te binden met het DNA. Vandaar drijft het van het operatorgebied af, waardoor het promotergebied beschikbaar is voor de binding aan RNA-polymerase. Wanneer lactose beschikbaar is, worden enkele van de moleculen omgezet in allolactose, een klein isomeer van lactose. De binding van de allolactose aan de lak repressor veroorzaakt het losraken van het operatiegebied. Daarom dient allolactose als een inductor, waardoor de expressie van de lak operon. Verder, de lak operon wordt ook beschouwd als een induceerbare operon.

RNA-polymerase alleen is echter niet in staat om perfect te binden aan het promotergebied. Derhalve helpt CAP bij de dichte binding van het RNA-polymerase aan de promotor. Het bindt zich aan de CAP-bindingsplaats stroomopwaarts aan de promotor. De binding van de CAP aan het DNA wordt gereguleerd door een klein molecuul dat bekend staat als de cyclisch AMP (cAMP). De cAMP dient als het hongersignaal gemaakt door E. coli in de afwezigheid van glucose. De binding van de cAMP aan CAP verandert de conformatie van CAP, waardoor de binding van CAP aan de CAP bindingsplaats van de lak operon. Echter, cAMP is aanwezig in de cel wanneer de glucosespiegels erg laag zijn in de cel. Vandaar dat de activering van de lak operon kan alleen worden bereikt wanneer glucose niet beschikbaar is voor de cel. Samenvattend, de activering van de lak operon kan worden bereikt wanneer glucose niet beschikbaar is en lactose beschikbaar is in de cel. Wanneer zowel glucose als lactose afwezig zijn in de cel, lak repressor blijft bindend voor de lak operon, waardoor de transcriptie van de operon wordt voorkomen.

Glucose	lactose	Mechanisme	Regulatie
Afwezig	Aanwezig	CAP bindt zich aan de CAP-bindingssite	Expressie van lac operon
Aanwezig	Afwezig	lak repressor bindt zich aan de operatorregio	Onderdrukking van lac operon

Conclusie

De lak operon is een induceerbaar operon waarbij de proteïnen vereist door het lactosemetabolisme aanwezig zijn in clusters van genen. Vandaar de transcriptie van de lak operon produceert een polycistronisch mRNA-molecuul dat in staat is meerdere genproducten te synthetiseren. De lak operon wordt alleen uitgedrukt in de afwezigheid van glucose en de aanwezigheid van lactose in de cel voor cellulaire ademhaling. De lak repressor bindt aan het operatorgebied van de lak operon wanneer glucose gemakkelijk verkrijgbaar is en lactose niet beschikbaar is. De CAP bindt zich aan de exploitant van de lak operon, helpt de transcriptie wanneer glucose niet beschikbaar is en lactose is direct beschikbaar. Daarom wordt de cel in staat om lactose in de cellulaire ademhaling te gebruiken om energie te produceren.

Afbeelding met dank aan:

1. "Genexpressiecontrole" door ArneLH - Eigen werk (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. "Lac operon1" (Public Domain) via Commons Wikimedia
3. "Lac operon" (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia

Referentie:

1. "Prokaryote genregulatie." Lumen / grenzeloze biologie, hier beschikbaar.
2. "The lac operon." Khan Academy, hier beschikbaar.
3. "Lac Operon: regulering van genexpressie in prokaryoten." Biologie, Byjus-klassen, 21 nov. 2017, hier beschikbaar.