Οπερόνιο

Στο γονιδίωμα των προκαρυωτικών οργανισμών τα γονίδια των ενζύμων που παίρνουν μέρος σε μια μεταβολική οδό, όπως η διάσπαση της λακτόζης ή η βιοσύνθεση διάφορων αμινοξέων, οργανώνονται σε οπερόνια, δηλαδή σε ομάδες που υπόκεινται σε κοινό έλεγχο της έκφρασής τους.

Δομικά χαρακτηριστικά

Ένα οπερόνιο αποτελείται από τις εξής αλληλουχίες DNA:

1. Δομικά γονίδια: Είναι τα γονίδια που κωδικοποιούν ένζυμα και βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο πάνω στο γονιδίωμα του βακτηρίου και αποτελώντας μια μονάδα, έχουν κοινό υποκινητή και αλληλουχίες λήξης μεταγραφής
2. Ρυθμιστικό γονίδιο: Παράγει την πρωτεΐνη-καταστολέα που εμποδίζει την έκφραση των δομικών γονιδίων(όταν δεν χρειάζεται το κύτταρο τις πρωτεΐνες) και βρίσκεται πριν τον υποκινητή
3. Υποκινητής: Πάνω σε αυτόν προσδένεται η RNA πολυμεράση με σκοπό να προχωρήσει στην μεταγραφή των γονιδίων βρίσκεται ανάμεσα στο ρυθμιστικό γονίδιο και τον χειριστή
4. Χειριστής: Πάνω σε αυτόν προσδένεται η πρωτεΐνη-καταστολέας για να εμποδίσει την RNA πολυμεράση να μεταγράψει τα γονίδια και βρίσκεται μετά τον υποκινητή

Οπερόνιο της λακτόζης

Όταν τα βακτήρια Escherichia coli βρεθούν σε περιβάλλον όπου υπάρχει λακτόζη, αντί για γλυκόζη που χρησιμοποιούν συνήθως ως πηγή άνθρακα, ρυθμίζουν την παραγωγή κατάλληλων ενζύμων που διασπούν τη λακτόζη στα μονομερή της, γλυκόζη και γαλακτόζη. Τα ένζυμα αυτά αυτά είναι τρία, η β-γαλακτοζιδάση, η περμεάση και η τρανσακετυλάση, που κωδικοποιούνται από τα δομικά γονίδια Ζ, Υ και Α αντίστοιχα. Τα γονίδια αυτά βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο πάνω στο γονιδίωμα του βακτηρίου E. coli και αποτελούν το οπερόνιο της λακτόζης, όπως ονομάστηκε από τους François Jacob και Jacques Monod το 1961. Στο οπερόνιο της λακτόζης περιλαμβάνονται, εκτός από τα τρία δομικά γονίδια, ένα ρυθμιστικό γονίδιο, ο υποκινητής και ο χειριστής, όπως και σε κάθε οπερόνιο.

Το οπερόνιο της λακτόζης σε καταστολή

Τα δομικά γονίδια του οπερονίου βρίσκονται υπό καταστολή, όταν από το θρεπτικό υλικό του βακτηρίου E. coli απουσιάζει η λακτόζη. Η καταστολή αυτή επιτυγχάνεται όταν η πρωτεΐνη-καταστολέας, που κωδικοποιείται από το ρυθμιστικό γονίδιο, προσδεθεί ισχυρά στον χειριστή. Έτσι το ένζυμο RNA πολυμεράση εμποδίζεται από το να ξεκινήσει τη μεταγραφή των δομικών γονιδίων. Σημειώνεται πως το ρυθμιστικό γονίδιο μεταγράφεται συνεχώς και παράγει μόρια της πρωτεΐνης-καταστολέα, ανεξαρτήτως της ύπαρξης ή όχι λακτόζης.

Επαγωγή του οπερονίου της λακτόζης

Όταν στο θρεπτικό υλικό του βακτηρίου E. coli υπάρχει μόνο λακτόζη, τότε ο ίδιος ο δισακχαρίτης προσδένεται στην πρωτεΐνη-καταστολέα και δεν της επιτρέπει να προσδεθεί στον χειριστή. Έτσι, η RNA πολυμεράση είναι ελεύθερη να ξεκινήσει τη μεταγραφή των δομικών γονιδίων. Τα γονίδια μεταγράφονται και μεταφράζονται από το ίδιο μόριο mRNA, το οποίο διαθέτει κωδικόνιο έναρξης και κωδικόνιο λήξης για κάθε γονίδιο, οπότε και συντίθενται τα τρία απαραίτητα ένζυμα. Συμπερασματικά, η ίδια η λακτόζη ενεργοποιεί τη διαδικασία για την αποικοδόμησή της, λειτουργεί, δηλαδή, ως επαγωγέας της μεταγραφής των δομικών γονιδίων του οπερονίου.

Όταν η λακτόζη διασπαστεί πλήρως, η πρωτεΐνη-καταστολέας είναι ελεύθερη να προσδεθεί και πάλι στο χειριστή και να καταστείλει τη λειτουργία των δομικών γονιδίων.