If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Przegląd: Regulacja ekspresji genów u bakterii

Przegląd operonów, sekwencji regulatorowych DNA, genów regulatorowych. Białka represorowe i aktywatory. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, przy wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Kluczowe punkty:

  • U bakterii geny są zwykle zorganizowane w grupy genów zwane operonami. Geny w operonach są transkrybowane jako grupa i mają jeden promotor.
  • W skład operonu wchodzą regulatorowe sekwencje DNA, które działają jako miejsca przyłączania białek regulatorowych, promujących lub hamujących transkrypcję.
  • Białka regulatorowe często przyłączają się do małych cząsteczek, które sprawiają, że białka stają się aktywne lub nieaktywne poprzez zmianę ich zdolności łączenia się z DNA.
  • Niektóre operony są indukowalne, co oznacza, że są uruchamiane w obecności pewnej konkretnej niewielkiej cząsteczki. Inne są reprymowalne, co oznacza, że regułą jest, że są włączone, ale mogą zostać wyłączone przez małą cząsteczkę.

Wprowadzenie

Mamy tendencję do myślenia o bakteriach jako o czymś prostym, nieskomplikowanym. Ale nawet najprostsza bakteria ma złożone zadania, jeśli chodzi o regulację ekspresji genów! Bakterie w Twoich jelitach lub pomiędzy Twoimi zębami mają genom, który zawiera tysiące różnych genów. Większość z tych genów koduje białka, każde posiadające własną funkcję, takie jak uczestniczenie w odżywianiu, podtrzymanie struktury komórki i obronę przed wirusami.
Niektóre z tych białek są potrzebne stale, a inne potrzebne są tylko w pewnych okolicznościach. Zatem nie wszystkie geny ulegają ekspresji w komórce przez cały czas. Możesz myśleć o genomie jak o książce kucharskiej z wieloma różnymi przepisami. Komórka wykorzysta tylko te przepisy (geny ulegną ekspresji), które najbardziej odpowiadają jej obecnymi potrzebom.

Jak regulowana jest ekspresja genów?

Istnieją różne formy regulacji ekspresji genów, to znaczy mechanizmy kontroli, które decydują o tym, które geny ulegną ekspresji i na jakim poziomie. Jednakże regulacja ekspresji genów odbywa się w dużej mierze na poziomie transkrypcji.
W przypadku bakterii mamy do czynienia ze specyficznymi cząsteczkami regulatorowymi, które kontrolują, czy dany gen zostanie przepisany na mRNA. Cząsteczki te działają często poprzez przyłączenie się do DNA w pobliżu genu i wspomagają lub blokują enzym transkrypcyjny, polimerazę RNA. Przyjrzyjmy się bliżej temu, jak regulowane są geny u bakterii.

Geny bakteryjne często występują w operonach

U bakterii, powiązane geny często występują na chromosomie w grupach i są przepisywane za pomocą jednego promotora (punktu przyłączenia polimerazy RNA) jako jedna jednostka. Taka grupa genów pod kontrolą jednego promotora jest znana pod nazwą operon. Operony są powszechne u bakterii, a rzadkie u eukariotów, w tym u ludzi.
Schemat przedstawiający czym jest operon. U góry schematu widzimy komórkę bakteryjną z kolistym chromosomem bakteryjnym wewnątrz niej. Powiększamy obraz w obrębie małego segmentu chromosomu i widzimy czym jest operon. DNA operonu składa się z trzech genów: genu 1, genu 2, genu 3, które są ułożone jeden za drugim w nici DNA. Są one pod kontrolą jednego promotora (miejsca, gdzie przyłącza się polimeraza RNA) i są razem przepisywane tworząc jedno mRNA, które zawiera sekwencję kodującą dla wszystkich trzech genów. Kiedy mRNA jest przepisywane, trzy różne sekwencje kodujące mRNA są odczytywane oddzielnie, tym samym tworzą się trzy różne białka (białko 1, białko 2 i białko 3).
Uwaga: Operon nie składa się tylko z trzech genów. Zawiera natomiast promotor i inne sekwencje regulatorowe, które kontrolują ekspresję genów.
Ogólnie rzecz biorąc operon zawiera geny, które są aktywne tym samym procesie. Na przykład, dobrze zbadany operon laktozowy operon lac obejmuje geny, które kodują białka zaangażowane w wychwyt i metabolizm konkretnego cukru - laktozy. Operony pozwalają komórce efektywnie wyrażać geny, których produkty są potrzebne w tym samym czasie.

Anatomia operonu

W skład operonu, oprócz sekwencji kodujących białka, wchodzą także sekwencje regulatorowe DNA, które kontrolują transkrypcję operonu. Zwykle te sekwencje są miejscami przyłączania białek regulatorowych, które kontrolują to, jak operon jest przepisywany. Promotor, czyli miejsce, gdzie przyłącza się polimeraza RNA, jest jednym z przykładów regulatorowej sekwencji DNA.
Schemat przedstawiający, że promotor jest miejscem, gdzie przyłącza się polimeraza RNA. Promotor znajduje się w DNA operonu, powyżej (upstream) genów. Kiedy polimeraza RNA łączy się z promotorem, przepisuje operon i tworzy mRNA.
Większość operonów ma inne sekwencje regulatorowe oprócz promotora. Tymi sekwencjami są miejsca na DNA, gdzie przyłączają się białka regulatorowe, które aktywują lub hamują ekspresję genu.
  • Niektóre białka regulatorowe są represorami. Łączą się one z fragmentami DNA nazywanymi operatorami. Kiedy białko łączy się ze swoim operatorem, represor wycisza transkrypcję (np. poprzez zahamowanie poruszania się polimerazy RNA wzdłuż DNA).
Schemat przedstawiający jak działa represor. Białko represorowe łączy się z miejscem zwanym operatorem. W tym przypadku (i wielu innych), operator jest regionem DNA, który nakłada się lub leży tuż za miejscem dla przyłączenia polimerazy RNA (promotorem). To znaczy, znajduje się pomiędzy promotorem i genami operonu. Kiedy represor łączy się z operatorem, przeciwdziała przyłączeniu się polimerazy RNA do promotora i/lub transkrybuje operon. Kiedy represor łączy się z operatorem, transkrypcja nie zachodzi i nie tworzy się mRNA.
  • Niektóre białka regulatorowe są aktywatorami. Kiedy aktywator łączy się ze swoim miejscem na DNA, aktywuje transkrypcję operonu (np. poprzez pomoc polimerazie RNA w przyłączeniu się do promotora).
Schemat przedstawiający jak działa aktywator. Białko to łączy się ze specyficzną sekwencją DNA, w tym przypadku tuż nad (przed) promotorem, gdzie przyłącza się polimeraza RNA. Kiedy przyłącza się aktywator, pomaga polimerazie przyłączyć się do promotora (sprawia, że przyłączanie do promotora jest bardziej korzystne energetycznie). To powoduje, że polimeraza RNA łączy się ściśle z promotorem i przepisuje geny operonu dużo częściej, prowadząc do utworzenia wielu cząsteczek mRNA.
Skąd biorą się białka regulatorowe? Jak każde inne białko, są wytwarzane w organizmie, są kodowane przez geny w genomie bakteryjnym. Geny, które kodują białka regulatorowe są często nazywane genami regulatorowymi.
Wiele białek regulatorowych może sama się "włączyć" lub "wyłączyć" dzięki małym cząsteczkom. Małe cząsteczki łączą się z białkami, zmieniając ich kształt i zmieniając ich zdolność do łączenia się z DNA. Na przykład, aktywator może tylko być aktywny (zdolny, aby przyłączyć się do DNA), kiedy jest połączony z konkretną, małą cząsteczką.
Schemat przedstawiający jak hipotetyczna aktywność aktywatora może być zmieniana przez małą cząsteczkę. Kiedy mała cząsteczka nie jest obecna, aktywator jest wyłączony - przyjmuje kształt, który sprawia, że nie jest zdolny łączyć się z DNA. Kiedy mała cząsteczka, która aktywuje aktywator jest dodawana, łączy się z aktywatorem i zmienia jego kształt. Inny kształt zmienia zdolność aktywatora do łączenia się z docelową sekwencją DNA i aktywuje transkrypcję.

Operony dzielimy na indukowalne i reprymowalne

Niektóre operony są zwykle "wyłączone", ale mogą zostać "włączone" przez małe cząsteczki. Ta cząsteczka jest nazywana induktorem i taki operon nazywany wtedy indukowalnym.
  • Na przykład operon lac jest peronem indukowalnym, który koduje enzym metabolizujący laktozę (cukier). Jest włączany tylko, gdy laktoza jest obecna (a inne bardziej preferowane cukry są nieobecne). W tym przypadku induktorem jest allolaktoza, zmieniona forma laktozy.
Inne operony są zwykle "włączone", ale mogą zostać "wyłączone" przez małe cząsteczki. Ta cząsteczka jest nazywana korepresorem i taki operon nazywany wtedy reprymowalnym.
  • Na przykład, trp operon jest operonem reprymowalnym, który koduje enzym biorący udział w syntezie tryptofanu (aminokwas). Ten operon ulega ciągłej ekspresji, ale może ona zostać zahamowana, kiedy jest obecne wysokie stężenie tryptofanu. Korepresorem w tym przypadku jest tryptofan.
Te przykłady ilustrują ważną kwestię: regulacja ekspresji genów pozwala bakteriom odpowiadać na zmieniające się warunki środowiska poprzez zmianę ekspresji genów (i w ten sposób zmianę zestawu białek obecnych w komórce).

Niektóre geny i operony ciągle ulegają ekspresji

Wiele genów pełni szczególną rolę i ulega ekspresji tylko w pewnych warunkach, jak opisano powyżej. Jednakże, istnieją też takie geny, których produkty są stale potrzebne komórce do utrzymywania niezbędnych funkcji życiowych. Geny metabolizmu podstawowego ulegają ciągłej ekspresji podczas normalnych warunków wzrostu ("ciągle aktywne"). Geny metabolizmu podstawowego mają promotory i inne sekwencje regulatorowe DNA, które zapewniają ciągłą ekspresję.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.