Operón

Pôvodne sa predpokladalo, že operóny existujú len v prokaryotoch (ktoré zahŕňajú i organely ako plastidy odvodené z baktérií), ale od objavu prvých operónov v eukaryotoch na začiatku 90. rokov 20. storočiam sa postupne objavovali ďalšie dôkazy poukazujúce na to, že operóny sú bežnejšie, než sa dovtedy predpokladalo. Všeobecne platí, že expresia prokaryotických operónov vedie k tvorbe polycistrónových mRNA, zatiaľ čo eukaryotické operóny vedú k tvorbe monocistrónových mRNA.

Operóny existujú i u bakteriofágov. Napríklad fág T7 má dva operóny. Prvý z nich kóduje rôzne produkty, napríklad špeciálnu T7 RNA polymerázu, ktorá sa môže viazať na a transkribovať druhý operón. Druhý operón obsahuje lyzujúci gén, ktorý vedie k rozpadu bunky.

 História 
Názov „operón“ bol poprvé navrhnutý v krátkom článku v roku 1960.  Následne bola vyvinutá takzvaná všeobecná teória operónu. Podľa tejto teórie sú všetky gény v rámci operónu ovplyvňované represorom pôsobiacim na jediný operátor nachádzajúci sa pred prvým génom. Neskôr sa zistilo, že gény môžu byt regulované i pozitívne a dokonca môžu byť ovplyvnené i v krokoch, ktoré nasledujú počiatok transkripcie. Nedá sa teda hovoriť o všeobecnom regulačnom mechanizme, pretože rôzne operóny majú rôzne mechanizmy. Aktuálne je operón definovaný jednoducho ako skupina génoch, ktoré su kotranskribované do jednej mRNA. I tak je vývoj tohto konceptu považovaný za dôležitú udalosť v histórii molekulárnej biológie. Prvým popísaným operónom bol lac operón v E. coli. V roku 1965 bola udelená Nobelova cena za fyziológiu a medicínu Françoisovi Jacobovi, Andrému Michelovi Lwoffovi a Jacquesovi Monodovi za ich objav operónu a syntézy vírusov.

 Prehľad 
Operóny sú bežné pre prokaryoty, ale nachádzajú sa i v eukaryotoch, napríklad v hlístovcoch ako C. elegans a muškách Drosophila melanogaster. rRNA gény často existujú ako operóny a boli objavené v mnohých eukaryotoch, vrátane stavovcov. Operón je zložený z niekolkých štruktúrnych génov zaradených za spoločný promótor a regulovaný spoločných operátorom. Je definovaný ako súbor susedných štruktúrnych génoch a susedné regulačné signály, ktoré ovplyvňujú transkripciu týchto štruktúrnych génov. Regulátory daného operónu, ktoré zahŕňajú represor, korepresor a aktivátor, nemusia byť kódované daným operónom. Poloha a stav regulátorov, promótorov, operátorov a štruktúrnych DNA sekvencií môžu určiť efekt bežných mutácií.

Operóny sú príbzné regulónom, stimulónom a modulónom; zatiaľ čo operóny obsahujú niekoľko génov, ktoré sú regulované tým istým operátorom, regulóny obsahujú súbor génov, ktoré sú regulované jedným regulačným proteínom, a stimulóny obsahujú súbor génov, ktoré sú regulované jedným bunkovým stimulom. Slovo „operón“ podľa jeho autorov pochádza z anglických slov „to operate“, riadiť.

 Ako jednotka transkripcie 
Operón obsahuje jeden alebo viac štruktúrnych génov, ktoré sa zvyčajne prepisujú do polycistrónovej mRNA (jedna mRNA molekula, ktorá koduje viac ako jednu bielkovinu). Definícia operónu nevyžaduje, aby mRNA bola polycitrónová, ale v praxi zvyčajne je. Pred štruktúrnymi génmi je umiestnená promótorová sekvenia, ktorá obsahuje miesto na väzbu RNA polymerázy a začiatok transkriptie. Blízko promótoru leží sekcia DNA nazývaná operátor.

 Operóny versus klastrovanie prokaryotických génov 
Všetky štruktúrne gény operónu sú naraz buď zapnuté, alebo vypnuté, keďze sú riadené jedným promótorm a operátorom, ale niekedy je nutná väčšia kontrola nad expresiou týchto génov. Niektoré bakteriálne gény sú teda uložené poblíž seba, ale každý mý vlastný promótor; toto usporiadanie sa nazýva génové klastrovanie (gene clustering). Takto usporiadané gény typicky kódujú proteíny, ktoré fungujú spolu v tej istej dráhe, napríklad v metabolických dráhach. Génové klastrnovanie pomáha prokaryotickým bunkách produkovať metabolické gény v správnom poradí.

 Všeobecná štruktúra 
náhľad|300x300bod|1: RNA Polymeráza, 2: Represor, 3: Promótor, 4: Operátor, 5: Laktóza, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA. Hore: Gén je vypnutý. Nie je totiž prítomná laktóza, ktorá by inhibovala väzbu represoru, takže sa represor viaže na operátor, čo znemožní väzbu RNA polymerázy na promótor a teda tvorbu laktázy. 

Dole:   Gén je zapnutý. Laktóza inhibuje represor, čo umožní RNA polymeráze naviazať sa na promótor a teda exprimovať gény, ktoré vedú k syntéze laktázy. Laktáza nakoniec spotrebuje všetku laktózy, až kým neostane žiadna na väzbu na represor. Následne sa represor znovu naviaže na operátor, čím sa opäť zastaví produkcia laktázy.
Operón je zložený z troch základných komponentov DNA:

 Promótor - nukleotidová sekvenica, ktorá umožňuje prepis génu. Promótor je rozpoznávaný RNA polymerázou, ktorá začína transkripciu. Pri syntéze RNA indikuje ktoré gény sa majú použiť na tvorbu mRNA a teda ovláda to, ktoré gény bude bunka produkovať.
 Operátor - segment DNA, na ktorý sa viaže represor. Bežne sa v lac operóne definuje ako segment medzi promótorom a génmi operónu. Hlavný operátor (O1) lac operónu sa nachádza tesne za promótorom; ďalšie dva operátory, O2 a O3, sa nachádzajú na pozíciách -82 a +142. Na represor sa viaže bielkovina, ktorý fyzicky zablokuje cestu RNA polymerázy a tak znemožní prepis génov.
 Štruktúrne gény - gény, ktoré sú regulované jedným operónom.

Regulačné gény sa zvyčajne nezahrňajú do operónu, ale sú dôležité pre jeho funkciu, pretože sú to konštantne exprimované gény kódujúce represorové proteíny. Regulačné gény nemusia byť súčasťou, vedľa, alebo ani poblíž operonu na to, aby ho mohli ovplyvniť.

Induktor (malá molekula) môže vytesniť represor (proteín) z miesta operátora (DNA), čím vzniká neinhibobvaný operón.

Naopak, korepresor sa môže viazať na represor a tak umožniť jeho väzbu na operátor. Dobrým príkladom tohto typu regulácie je vidieť napríklad v trp operóne.

 Regulácia 
Ovládanie operónu je typ génovej regulácie, ktorá umožňuje organizmom regulovať expresiu génov v závilosti na okolitých podmienkach. regulácia operónov môže byť pozitívna alebo negatívna pomocou indukcie alebo represie.

Negatívna kontrola zahŕňa väzbu represoru na operátor, čím sa zablokuje transkripcia.

 U negatívneho indukovateľného operónu sa normálne na operátor viaže represorový proteín, ktorý zabraňuje transkripcii. Ak je prítomný induktor, viaže sa na represor, čím zmení jeho konformáciu a zabráni jeho väzbe na operátor. Toto umožní expresiu operónu. Príkladom negatívne riadeného indukovateľného operónu je lac operón, ktorého induktorom je alolaktóza.
 U negatívneho reprimovateľného operónu za normálnych okolností prebieha transkripcia operónu. Represorový proteín je tvorený regulačným génom, ale neviaže sa na operátor v jeho normálnej konformácii. Niektoré molekuly, nazývané korepresory, však môžu viazať represorový proteín, čím zmenia jeho konformáciu a tým umožnia jeho väzbu na operátor a tak zastavia prepis. Príkladom negatívne riadeného reprimovateľného operónu je trp operón, ktorý je súčasťou syntézy tryptofánu (ktorý je zároveň korepresorom).

Operóny môžu byť riadené i pozitívne. Pri pozitívnom riadení je transkripcia stimulovaná aktivátorom, ktorý sa viaže na DNA (zvyčajne mimo operátoru).

 U pozitívnych indukovateľných operónov je aktivátorový proteín bežne neschopný naviazať sa na DNA. Ak sa však induktor naviaže na aktivátor, prebehne konformačná zmena, takže sa potom môžete viazať na DNA a začať transkripciu.
 U pozitívnych reprimovateľných operónov je aktivátorový proteín bežne naviazaný na DNA segment. V prítomnosti inhibítoru sa však aktivátor nemôže viazať na DNA, čím sa zastaví aktivácia a transkripcia systému.

 lac operón 

Prvý objavený operón bol lac operón v modelovej baktérii Escherichia coli. Tento operón je typickým príkladom funkcie operónu. Obsahuje tri susedné štruktúrne gény, promótor, terminátor a operátor. lac operón je regulovaný niekoľkými faktormi, ako napríklad dostupnosť glukózy a laktózy. Je možné ho aktivovať alolaktózou. Laktóza sa viaže na represorový proteín a bráni mu v blokovaní génovej transkripcie. Toto je príkladom dereprimovateľného (negatívneho indukovateľného) modelu. 

 trp operón 

V roku 1953 objavili Jacques Monod a jeho kolegovia trp operón v E. coli, ktorý bol prvý objavený reprimovateľný operon. Zatiaľ čo lac operón možno aktivovať molekulou (alolaktózou), trp operón je inhibovaný molekulou (tryptofánom). Tento operón obsahuje päť štruktúrnych génov - trp E, trp D, trp C, trp B, and trp A - ktoré kódujú tryptofánsyntetázu. Okrem toho obsahuje aj promótor, ktorý viaže RNA polymerázu, a operátor, ktorý blokuje transkripciu, ak sa naňho viaže proteín syntetizovaný represorovým génom (trp R). U lac operónu sa laktóza viaže na represor, čím znemožňuje jeho inhibíciu génovej transkripcie, ale u trp operónu sa tryptofán viaže na represorový proteín, čo vedie k represii génovej transkripcie. Narozdiel od lac operónu obsahuje trp operón počiatočný pepid a atenuátorovú sekvenciu, ktorá umožňuje postupnú reguláciu. Toto je príkladom koreprimovateľného modelu.

 Odhady počtu a organizácie operónov 
Počet a organizácia operónov boli študované najviac v E. coli. Vďaka tomu je možné urobiť rôzne odhady na základe genómovej sekvencie organizmu.

Jedna predikčná metóda využíva intergénovú vzdialenosť medzi čítacími rámcami ako primárny prediktor počtu operónovv genóme. Separácia ovplyvňuje rámec a zaručuje, že čítanie bude efektívne. Existujú i dlhšie sekcie medzi začiatkami a koncami operónov, často až 40-50 báz.

Alternatívna metóda na predikciu operónov je založená na hľadaní génových klastrov, kde je poradie a orientácia génov zachované medzi dvoma či viacerými genómami.

Predikcia operónov je ešte presnejšia, ak sa uváži i funkčná trieda molekúl. Baktérie majú klastrované čítacie rámce v skupinách, zoskupené podľa spoluúčasti v proteínových komplexoch, spoločných dráhach alebo zdieľanými substrátmi či transportérmi. S využitím všetkých týchto údajov je možné urobiť lepší odhad, čo je skutočne náročná úloha.

Laboratórium Pascale Cossartovej poprvé experimentálne identifikovalo všetky operóny mikroorganizmu, Listeria monocytogenes. V štúdii publikovanej v roku 2009 popísali 517 polycistrónových operónov a zmeny transkripcie, ktoré prebiehajú v L. monocytogenes pri rôznych podmienkach.

 Referencie 

 Pozri aj 
 Evolučne vývojová biológia
 Genetický kód
 Genóm
 Genetická regulácia
 L-arabinázový operón
 Biosyntéza proteínov
 TATA box

 Zdroj 

Kategória:Genetika
Kategória:Molekulárna biológia
Kategória:Mikrobiológia