אופרון

אופרון (באנגלית: Operon) הוא מודל של מקטע DNA המכיל מספר גנים אשר שעתוקם מבוקר באופן משותף. מודל האופרון מופיע בעיקר אצל יצורים פרוקריוטיים ואצל נמטודות. האופרון מורכב לרוב מגנים בעלי תפקיד משותף במנגנון מטבולי כלשהו – למשל קבוצת גנים הדרושים לסינתזה של חומצת אמינו מסוימת או לקליטה ולעיבוד של חומר מזון כלשהו. לצד הגנים המבניים עצמם האופרון מכיל בדרך כלל שני אזורי בקרה שאליהם נצמדים חלבונים המשפיעים על שעתוק הגנים. אופרון מכיל גן מבני אחד או יותר המתועתק לגדיל יחיד של RNA שליח פוליציסטרוני: מולקולת ה-RNA המקודדת ליותר מחלבון אחד. במעלה הזרם (כלומר ב-DNA הנמצא לפני הרצף המתועתק) לגנים המבניים נמצא רצף הקדם (פרומוטר), ובמרחק קצר ממנו נמצא רצף של DNA הנקרא "מפעיל" (אופרטור). כמו כן האופרון עשוי להכיל גנים מבקרים, כגון גן דכאן המקודד את יצירתו של חלבון בקרה הנקשר לרצף המפעיל ומעכב את התיעתוק. גן הבקרה לא חייב להיות חלק מהאופרון עצמו, ויכול להיות ממוקם בכל מקום אחר בגנום. קַדָּם הוא רצף DNA המאפשר לגן להיות מתועתק. הקדם מזוהה על ידי RNA פולימראז, שמתחיל בתיעתוק ה-DNA. בתהליך היצירה של RNA הקדם קובע אילו גנים ישמשו ליצירת RNA שליח, ובמובן רחב יותר שולט על החלבונים שהתא יוצר. מפעיל הוא קטע DNA המבקר את פעילותם של הגנים המבניים באופרון שהוא קשור אליו, וזאת כיוון שהוא מהווה אתר קישור לחלבון דכאן או לחלבון מפעיל. אזור זה הוא רצף בקרה שתפקידו הוא "הדלקה" או "כיבוי" של גן. הבקרה על הגנים באופרון היא סוג של בקרה המאפשרת לאורגניזם לשלוט במגוון גנים בהתחשב בתנאי הסביבה. בקרת האופרון יכולה להיות חיובית או שלילית. בקרה שלילית של אופרון כוללת את קשירתו של חלבון דכאן לרצף המפעיל. באופרון בעל מנגנון של בקרה שלילית מושרית, חלבון דכאן נקשר בדרך כלל למפעיל ומונע את תיעתוק הגנים. אם מולקולת המשרן נמצאת, היא נקשרת לדכאן ומשנה את הקונפורמציה שלו כך שהוא לא יכול להיקשר למפעיל. דבר זה מאפשר את שחרור הדכאן אם הוא היה קשור ל-DNA, ואת תחילת תהליך התיעתוק. באופרון בעל מנגנון של בקרת דיכוי שלילי תיעתוק הגנים מהאופרון מתרחש באופן קבוע. חלבוני הדכאן מיוצרים על ידי גן הבקרה אך אינם יכולים להיקשר למפעיל בקונפורמציה שלהם. אולם מספר מולקולות, משלימות דכאן (קו-רפרסורים), יכולות להיקשר אליהם ולשנות את הקונפורמציה כך שהחלבון כן יוכל להיקשר למפעיל ולמנוע את התיעתוק. אופרונים יכולים להיות נתונים גם למנגנון של בקרה חיובית. בבקרה חיובית חלבון מפעיל מאיץ את התיעתוק באמצעות קישור ל-DNA (בדרך כלל באזור שאיננו אזור המפעיל). באופרון בעל מנגנון של בקרה חיובית מושרית חלבונים מפעילים אינם יכולים להיקשר בדרך כלל לרצפים המתאימים להם ב-DNA. אולם מספר מולקולות סובסטרט יכולות להיקשר לחלבוני ההפעלה ולשנות את הקונפורמציה שלהם כך שהם כן יוכלו להיקשר ל-DNA ולאפשר את התחלת התיעתוק. באופרון בעל מנגנון של בקרת דיכוי חיובי החלבון המפעיל קשור בדרך כלל לקטע ה-DNA המתאים. אולם ישנן מולקולות היכולות להיקשר אליו ולמנוע את קשירתו ל-DNA. דבר זה מונע את התיעתוק. ערך מורחב – אופרון הלקטוז האופרון הראשון שהתגלה, בשנת 1961, היה אופרון הלקטוז, וזהו ללא ספק האופרון הנחקר והנלמד ביותר. את האופרון גילו הביולוגים הצרפתים ז'אק מונו (Jacques Monod) ופרנסואה ז'קוב (François Jacob), ועל כך זכו השניים בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה בשנת 1965. האופרון מצוי בתאיהם של חיידקי Escherichia coli, והוא מאפשר לחיידק לנצל ניצול מיטבי מקורות שונים של אנרגיה. אופרון הטריפטופן התגלה ב-1953 על ידי ז'אק מונו ומדענים נוספים. אופרון זה הוא הראשון בחיידק E.coli שהתגלה כנתון לדיכוי. בעוד שאופרון הלקטוז יכול להיות מופעל על ידי כימיקל (לקטוז), אופרון הטריפטופן מעוכב על ידי כימיקל (טריפטופן). האופרון מכיל חמישה גנים מבניים: trp E, trp D, trp C, trp B ו-trp A, המקודדים את החלבונים המעורבים בייצור טריפטופן. כמו כן האופרון מכיל אזור קדם ואזור מפעיל. באופרון הלקטוז, הלקטוז נקשר לחלבון הדכאן ומונע ממנו לעכב את תעתוק הגנים, ואילו באופרון הטריפטופן, הטריפטופן נקשר לחלבון הדכאן ומאפשר לו לעכב את התעתוק. הבדל נוסף בין האופרונים הוא שאופרון הטריפטופן כולל פפטיד מוביל ורצף מחליש, שהם גורמים המאפשרים בקרה מדורגת. אופרון L-אראבינוז קופסת TATA הקוד הגנטי רשת בקרת גנים מדיה וקבצים בנושא אופרון בוויקישיתוף חלבון בקרה - מכון ויצמן אופרון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)