Operon

Operon on geneetikas genoomse DNA funktsionaalne ühik, geenide kogum, milles olevad geenid on kõik ühise regulatoorse signaali või promootori kontrolli all. Operoni kuuluvad geenid transkribeeritakse koos ühtse mRNA ahelana ning transleeritakse sellisena ka tsütoplasmas. Samas võivad sellised mRNAd läbida ka trans-splaissimise, mille tagajärjel lõhutakse ahel monotsistroonseteks mRNAdeks (iga mRNA kodeerib ühte geeni produkti) ning valgusüntees nendelt toimub üksteisest sõltumatult. Geenide operoni paigutumise eesmärk on vastavalt vajadusele kas nende koos avaldumine või kõigi nende ekspressiooni täielik üheaegne mahasurumine. Seega selleks, et geenid moodustaksid operoni, peavad need olema ühiselt transkribeeritud ja reguleeritud.
Algselt arvati, et operonid esinevad ainult prokarüootides, kuid 1990ndatel avastati esimene operon ka eukarüoodis. Pärast seda on leitud uusi tõendeid operonide laialdasema leviku kohta, kui esialgselt oletati.

Ajalugu

Termin “operon“ pakuti esmalt välja Prantsusmaa Teaduste Akadeemia toimetises ilmunud lühikeses artiklis 1960. aastal. Üldine teooria operoni kohta töötati välja eelnevalt mainitud artiklile tuginedes. Teooria kohaselt on kõik geenid kontrollitud operoni enda vahendite abil läbi repressiooni ehk mahasurumise – ainsa regulatoorse tagasisidemehhanismi kaudu. Hiljem avastati siiski, et geenide regulatsioon on keerulisem protsess. Üldisest regulatsioonimehhanismist ei ole võimalik rääkida, kuna erinevatel operonidel on erinevad mehhanismid. Kuigi teooriat on hiljem mõningal määral muudetud, peetakse operoni idee väljatöötamist molekulaarbioloogia ajaloos tähtsaks sündmuseks. Esimene kirjeldatud operon oli soolekepikese E. coli lac-operon, mis sisaldab laktoosi lagundamiseks vajalike ensüümide geene. Need geenid avalduvad ainult siis, kui keskkonnas esineb laktoosi. Seda operoni uurides avastati ka kataboliitse repressiooni nähtus. 1965. aastal said François Jacob, André Michel Lwoff ja Jacques Monod Nobeli auhinna füsioloogia ja meditsiini alal operoni ja viiruste sünteesiga seotud avastuste eest.

Ülevaade

Operone esineb peamiselt prokarüootides, kuid samuti mõnedes eukarüootides, kaasa arvatud varbussis C. elegans ja harilikus äädikakärbses Drosophila melanogaster. Erinevates eukarüootides, ka keelikloomades, leitud operonides esineb tihti rRNA-d kodeerivaid geene. Operon koosneb mitmetest ühise promootori kontrolli alla kuuluvatest struktuurgeenidest, mida reguleerib ühine operaator. Operon on defineeritud kui kõrvuti asetsevate struktuurgeenide kogum, mille juures peavad olemas olema ka regulatoorsed signaalid, mis mõjutavad struktuurgeenide transkriptsiooni. Ühe operoni regulaatorite hulka kuuluvad repressorid, korepressorid, ja aktivaatorid, mida ei pea tingimata kodeerima antud operon. Regulaatorite, promootori, operaatori ja strukturaalse DNA järjestuse asukoht ning seisund võivad määrata ühiste mutatsioonide mõju. Operonid on seotud regulonide, stimulonide ja modulonidega. Kui operonid sisaldavad geene, mida reguleerib sama operaator, siis regulonid sisaldavad geene, mis alluvad samale reguleerivale valgule ja stimulonid geene, mis alluvad ühisele raku stiimulile. Mõiste „operon “ väljapakkujate arvates tähendab see opereerimist ehk töötamist või toimimist.

Transkriptsiooniühik

Operonis võib olla üks või mitu struktuurgeeni, mis üldiselt transkribeeritakse ühise polütsistroonse mRNAna (üks mRNA molekul, mis kodeerib rohkem kui ühte valku). Kuigi operoni definitsioon ei nõua mRNA polütsistroonsust, siis enamjaolt toimivad operonid siiski sellise süsteemi järgi. Struktuurgeenide ees asub promootorjärjestus, millele saab kinnituda RNA polümeraas, et alustada transkriptsiooni. Promootori läheduses paikneb operaator, mis võib sisaldada ka regulatoorseid geene nagu repressorgeenid. Need kodeerivad operaatori külge kinnituvaid valke ja takistavad sellega transkriptsiooni. Regulatoorsed geenid võivad olla osa operonist endast, kuid võivad asuda ka mujal genoomis. Repressormolekulid jõuavad ka sel juhul operonini, ning blokeerivad struktuurgeenide transkriptsiooni.

Regulatsioon

Operaatori kontroll on geeni regulatsiooni tüüp, mis võimaldab mitmete geenide ekspressiooni reguleerida sõltuvalt keskkonnatingimustest. Operoni regulatsioon võib olla kas negatiivne või positiivne, olenevalt sellest, kas toimub geenide indutseerimine või represseerimine. Negatiivse kontrolli korral seostub repressor operaatorile, et takistada transkriptsiooni.
Negatiivselt indutseeritavate operonide korral on repressorvalk tavaliselt seondunud operaatorile, mis takistab operoni geenide transkriptsiooni. Indutseeriva molekuli juuresolu korral seondub see repressoriga, muutes selle konformatsiooni nii, et valk ei saaks operaatorile seonduda. See võimaldab operonis olevate geenide ekspressiooni.
Negatiivselt represseeritavate operonide korral toimub tavaolukorras operoni geenide transkriptsioon. Regulatoorsed geenid toodavad repressorvalke, kuid need ei ole oma tavalises konformatsioonis võimelised operaatoriga seonduma. Seondades korepressoreid, tekitavad valgud konformatsioonimuutuse aktiivsaidis – repressorvalk seondub operaatorile ja takistab transkriptsiooni.
Operonid saavad olla ka positiivse kontrolli all. Positiivse kontrolli puhul stimuleerib aktivaatorvalk transkriptsiooni DNAga seondudes (tavaliselt mujale kui operaatoripiirkonda).
Positiivselt indutseeritavate operonide puhul ei ole aktivaatorvalk tavatingimustes võimeline seonduma vastava DNAga. Kui indutseerija on seotud aktivaatorvalguga, muutub aktivaatori konformatsioon nii, et see saab seonduda DNAga ja aktiveerida transkriptsiooni.
Positiivselt represseeritavate operonide korral on aktivaator tavatingimustes vastava DNA lõiguga seotud. Kui inhibiitor seondub aktivaatoriga, ei saa aktivaator enam DNAga seonduda. See peatab aktivatsiooni ja seega ka transkriptsiooni operonilt.

lac-operon

Mudelorganismi Escherichia coli lac-operon oli esimesena avastatud operon, selle põhjal saab kirjeldada tüüpilise operoni funktsioone. See koosneb kolmest järjestikusest struktuurgeenist, promootorist, terminaatorist ja operaatorist. lac-operoni reguleeritakse mitmete faktoritega, seal hulgas glükoosi ja laktoosi esinemisest keskkonnas. See on näide derepressioonist ehk negatiivselt indutseeritava operoni mudelist.

trp-operon

trp-operoni avastasid 1953. aastal soolekepikeses Jacques Monod ja ta kolleegid. See oli esimene avastatud represseeritav operon. Kui lac-operoni saab aktiveerida kemikaali (allolaktoosi) abil, siis tüptofaani (Trp) operon on inhibeeritud kemikaali (tüptofaani) abil. See operon sisaldab viit struktuurgeeni: trp-E, trp-D, trp-C, trp-B ja trp-A, mis kodeerivad trüptofaani süntetaasi. Lisaks sisaldab see ka promootorit, mis seondab RNA polümeraasi, ning operaatorit, mis blokeerib transkriptsiooni, kui on seotud trp-R (repressorgeeni) poolt sünteesitud valguga. lac-operonis seondub laktoos repressorvalguga ja takistab geenide transkriptsiooni repressiooni. trp-operonis seondub trüptofaan repressorvalguga ja võimaldab sellel geenitrasnkriptsiooni takistada. Lisaks sisaldab trp-operon liidervalku ning atenuaatorit, mis lubab sorteeritud regulatsiooni. See on korepressiooni mudel.

pheBA-operon

pheBA-operon sisaldab geene, mis on vajalikud fenooli lagundamiseks. Sisaldab kahte geeni: pheB ja pheA. pheB kodeerib katehooli 1,2-dioksügenaasi ning pheA kodeerib fenooli monooksügenaasi. Geenid külgnevad kahe erineva IS elemendiga. pPheB ja pheA geenid ning IS elemendid moodustavad operoni ning alluvad sama promootori kontrollile. IS elemendid võimaldavad geenide horisontaalset ülekannet teise bakterisse. pheBA-operoni transkriptsiooni aktiveerib kromosoomis paikneva CatR geeni produkt, LysR perekonda kuuluv transkriptsiooni reguleeriv valk.