1616 Tjáning gena

16.2 Stjórnun gena í dreifkjörnungum

Námsmarkmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Lýst skrefunum sem felast í stjórnun gena í dreifkjörnungum
Útskýrt hlutverk virkja, örva og bæliprótína í stjórnun gena

DNA dreifkjörnunga er skipulagt í hringlaga litning sem er ofurvafinn í kjarnasvæði umfrymisins. Prótín sem þarf fyrir tiltekið hlutverk, eða taka þátt í sama lífefnaferli, eru kóðuð saman í einingum sem kallast óperon. Til dæmis liggja öll genin sem þarf til að nota laktósa sem orkugjafa hlið við hlið í laktósaóperoninu, eða lac-óperoninu, og eru umrituð í eitt mRNA.

Í dreifkjörnungafrumum eru þrjár gerðir stjórnsameinda sem geta haft áhrif á tjáningu óperona: bæliprótín, virkjar og örvar. Bæliprótín og virkjar eru prótín sem fruman myndar. Bæði bæliprótín og virkjar stjórna genatjáningu með því að bindast sértækum DNA-setum við hlið genanna sem þau stjórna. Almennt bindast virkjar stýrilsvæðum en bæliprótín bindast stillisvæðum. Bæliprótín koma í veg fyrir umritun gens sem svar við ytra áreiti, en virkjar auka umritun gens sem svar við ytra áreiti. Örvar eru litlar sameindir sem geta verið myndaðar í frumunni eða verið til staðar í umhverfi hennar. Örvar annaðhvort virkja eða bæla umritun eftir þörfum frumunnar og aðgengi að hvarfefni.

trp-óperonið: bælanlegt óperon

Bakteríur eins og Escherichia coli þurfa amínósýrur til að lifa af og geta myndað margar þeirra. Tryptófan er ein slík amínósýra sem E. coli getur annaðhvort tekið upp úr umhverfinu eða myndað með ensímum sem fimm gen kóða fyrir. Þessi fimm gen liggja hlið við hlið í svokölluðu tryptófanóperoni, eða trp-óperoni (Mynd 16.4). Genin eru umrituð í eitt mRNA, sem síðan er þýtt og myndar öll fimm ensímin. Ef tryptófan er til staðar í umhverfinu þarf E. coli ekki að mynda það og slökkt er á trp-óperoninu. Þegar framboð tryptófans er lítið er hins vegar kveikt á rofanum sem stjórnar óperoninu, mRNA er umritað, ensímprótínin eru þýdd og tryptófan er myndað.

The t r p operon has a promoter, an operator, and five genes named t r p upper case E; t r p upper case D, t r p upper case C, t r p upper case B, and t r p upper case A that are located in sequential order on the D N A. R N A polymerase binds to the promoter. When tryptophan is present, the t r p repressor binds the operator and prevents the R N A polymerase from moving past the operator; therefore, R N A synthesis is blocked. In the absence of tryptophan, the repressor dissociates from the operator. R N A polymerase can now slide past the operator, and transcription begins. — **Mynd 16.4.** Tryptófan-óperonið. Genin fimm sem þarf til að mynda tryptófan í *E. coli* liggja hlið við hlið í *trp*-óperoninu. Þegar nóg er af tryptófani bindast tvær tryptófan-sameindir við bæliprótínið á stillisvæðinu. Þetta hindrar RNA-pólýmerasa líkamlega í að umrita tryptófan-genin. Þegar tryptófan vantar binst bæliprótínið ekki við stillinn og genin eru umrituð.

trp-óperonið inniheldur þrjú mikilvæg svæði: kóðunarsvæðið, trp-stillinn og trp-stýrilinn. Kóðunarsvæðið inniheldur genin fyrir ensímin fimm sem taka þátt í nýmyndun tryptófans. Rétt á undan kóðunarsvæðinu er upphafsset umritunar. Stýrilröðin, sem RNA-pólýmerasi binst til að hefja umritun, er á undan, eða ofar, en upphafsset umritunar. Milli stýrilsins og upphafssets umritunar er stillisvæðið.

trp-stillirinn inniheldur DNA-röðina sem trp-bæliprótínið getur bundist. Bæliprótínið eitt og sér getur þó ekki bundist stillinum. Þegar tryptófan er til staðar í frumunni bindast tvær tryptófan-sameindir trp-bæliprótíninu. Það breytir lögun bæliprótínsins þannig að það getur bundist trp-stillinum. Binding tryptófan-bæliprótínflókans við stillinn kemur líkamlega í veg fyrir að RNA-pólýmerasi bindist stýrlinum og umriti genin neðar í röðinni.

Þegar tryptófan er ekki til staðar í frumunni binst bæliprótínið eitt og sér ekki stillinum, pólýmerasinn getur umritað ensímgenin og tryptófan er myndað. Þar sem bæliprótínið binst virkt við stillinn til að halda slökkt á genunum er sagt að trp-óperoninu sé stjórnað neikvætt og prótínin sem bindast stillinum til að þagga trp-tjáningu eru neikvæðir stjórnþættir.

Niðurbrotsvirkjunarprótín (CAP): umritunarvirkji

Á sama hátt og trp-óperoninu er stjórnað neikvætt af tryptófan-sameindum eru til prótín sem bindast stýrilsröðum og virka sem jákvæðir stjórnþættir sem kveikja á genum og virkja þau. Þegar glúkósa skortir geta E. coli-bakteríur til dæmis notað aðrar sykrur sem orkugjafa. Til þess þarf að umrita ný gen sem vinna úr þessum öðrum sykrum. Þegar glúkósastyrkur fellur byrjar hringtengt AMP (cAMP) að safnast upp í frumunni. cAMP-sameindin er boðsameind sem tekur þátt í glúkósa- og orkuefnaskiptum í E. coli. Uppsafnað cAMP binst jákvæða stjórnþættinum niðurbrotsvirkjunarprótíni (CAP), prótíni sem binst stýrlum óperona sem stjórna vinnslu annarra sykra. Þegar cAMP binst CAP binst flókinn síðan stýrilsvæði genanna sem þarf til að nýta aðra sykurgjafa (Mynd 16.5). Í þessum óperonum er CAP-bindiset ofan við bindiset RNA-pólýmerasa í stýrlinum. Binding CAP stöðgar bindingu RNA-pólýmerasa við stýrilsvæðið og eykur umritun tengdra próteinkóðandi gena.

The lac operon consists of a promoter, an operator, and three genes named lac Z, lac Y, and lac A that are located in sequential order on the D N A. In the absence of c A M P, the CAP protein does not bind the D N A. R N A polymerase binds the promoter, and transcription occurs at a slow rate. In the presence of c A M P, a C A P + c A M P complex binds to the promoter and increases R N A polymerase activity. As a result, the rate of R N A synthesis is increased. — **Mynd 16.5.** Umritunarvirkjun með CAP-prótíninu. Þegar glúkósastyrkur fellur getur *E. coli* notað aðrar sykrur sem orkugjafa en þarf þá að umrita ný gen. Þegar glúkósaforði verður takmarkaður eykst styrkur cAMP. cAMP binst CAP-prótíninu, jákvæðum stjórnþætti sem binst stýrilsvæði ofan við genin sem þarf til að nýta aðra sykurgjafa.

lac-óperonið: örvanlegt óperon

Þriðja gerð genastjórnunar í dreifkjörnungafrumum fer fram með örvanlegum óperonum, þar sem prótín bindast til að virkja eða bæla umritun eftir staðbundnu umhverfi og þörfum frumunnar. lac-óperonið er dæmigert örvanlegt óperon. Eins og áður kom fram getur E. coli notað aðrar sykrur sem orkugjafa þegar glúkósastyrkur er lágur. Einn slíkur sykurgjafi er laktósi. lac-óperonið kóðar fyrir genum sem þarf til að taka upp og vinna laktósa úr nærumhverfinu. Z-gen lac-óperonsins kóðar fyrir beta-galaktósídasa, sem brýtur laktósa niður í glúkósa og galaktósa.

Til að lac-óperonið verði virkjað þurfa þó tvö skilyrði að vera uppfyllt. Í fyrsta lagi þarf styrkur glúkósa að vera mjög lágur eða enginn. Í öðru lagi þarf laktósi að vera til staðar. Aðeins þegar glúkósa vantar og laktósi er til staðar er lac-óperonið umritað (Mynd 16.6). Þegar glúkósa vantar gerir binding CAP-prótínsins umritun lac-óperonsins skilvirkari. Þegar laktósi er til staðar binst umbrotsefni hans, allólaktósi, lac-bæliprótíninu og breytir lögun þess þannig að það getur ekki bundist lac-stillinum og hindrað umritun. Þessi samsetning skilyrða er rökrétt fyrir frumuna, því það væri orkusóun að mynda ensímin sem vinna laktósa ef nóg væri af glúkósa eða ef laktósi væri ekki tiltækur. Þess má geta að lac-óperonið er umritað á mjög lágum hraða jafnvel þegar glúkósi er til staðar og laktósa vantar.

Myndræn tenging

The lac operon consists of a promoter, an operator, and three genes named lac Z, lac Y, and lac A. R N A polymerase binds to the promoter. In the absence of lactose, the lac repressor binds to the operator and prevents RNA polymerase from transcribing the operon. In the presence of lactose, the repressor is released from the operator, and transcription proceeds at a slow rate. Binding of the c A M P plus sign CAP complex to the promoter stimulates R N A polymerase activity and increases R N A synthesis. However, even in the presence of the c A M P plus sign CAP complex, R N A synthesis is blocked if the repressor binds to the promoter. — **Mynd 16.6.** Stjórnun *lac*-óperonsins. Umritun *lac*-óperonsins er vandlega stjórnað þannig að tjáning þess á sér aðeins stað þegar lítið er af glúkósa og laktósi er til staðar sem annar orkugjafi.

Í E. coli er sjálfgefið kveikt á trp-óperoninu en slökkt á lac-óperoninu. Hvers vegna heldurðu að það sé?

Ef glúkósi er til staðar binst CAP ekki stýrilsröðinni til að virkja umritun. Ef laktósa vantar binst bæliprótínið stillinum og kemur í veg fyrir umritun. Ef annaðhvort þessara skilyrða á við helst slökkt á umritun. Aðeins þegar glúkósa vantar og laktósi er til staðar er lac-óperonið umritað á meiri hraða. Ef bæði glúkósi og laktósi eru til staðar er umritunarhraðinn lágur, því CAP er ekki bundið og getur því ekki stuðlað að hámarkshraða umritunar lac-óperonsins (Tafla 16.2).

Boð sem örva eða bæla umritun lac-óperonsins
Glúkósi	CAP binst	Laktósi	Bæliprótín binst	Umritun
+	-	-	+	Nei
+	-	+	-	Lítil
-	+	-	+	Nei
-	+	+	-	Já