Operon

Operon, genetikte tek bir promotörün kontrolü altında bir gen kümesi içeren DNA'nın işlevsel bir birimidir. Genler birlikte bir mRNA ipliğine yazılır ve daha sonra ya sitoplazmada birlikte translasyona uğrar veya ayrı ayrı translasyona uğrayan monosistronik mRNA'ları oluşturmak için her biri tek bir gen ürününü kodlayan birkaç mRNA ipliği gibi uçbirleştirmeye tabi tutulur. Bunun sonucu, operonda bulunan genler ya birlikte ifade edilirler ya da hiç ifade edilmezler. Bir operonu tanımlamak için birkaç genin birlikte transkripsiyonunu gerekir.
Başlangıçta, operonların sadece prokaryotlarda (bakterilerden elde edilen plastidlere benzeyen organelleri içeren) bulunduğu düşünülüyordu, ancak 1990'ların başında ökaryotlarda ilk operonların keşfinden bu yana çok fazla fazla kanıt ortaya çıkması sonucu, önceden varsayılandan daha yaygın oldukları öne sürülmektedir. Genel olarak, prokaryotik operonların ekspresyonu polisistronik mRNA'ların oluşumuna yol açarken ökaryotik operonlar monosistronik mRNA'lara yol açar.
Operonlar, bakteriyofajlar gibi virüslerde de bulunur. Örneğin, T7 fajlarının iki operonu vardır. İlk operon, ikinci operona bağlanabilen ve onun transkripsiyonunu sağlayan özel bir T7 RNA polimerazı da içeren çeşitli ürünleri kodlar. İkinci operon, konakçı hücrenin patlamasına neden olan bir lizis geni içerir.
Tarih
"Operon" terimi ilk olarak 1960 yılında Fransız Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı'nda kısa bir makalede önerilmiştir. Bu makaleden, operonun genel teorisi olarak geliştirilmiştir. Bu teori, tüm durumlarda, bir operon içindeki genlerin, ilk genden önce bulunan tek bir operatöre etki eden bir baskılayıcı tarafından negatif olarak kontrol edildiğini ileri sürmüştür. Daha sonra, genlerin pozitif olarak düzenlenebildiği ve ayrıca transkripsiyon başlangıcını takip eden adımlarda da düzenlenebildiği keşfedildi. Bu nedenle, genel bir düzenleyici mekanizmadan bahsetmek mümkün değildir, çünkü farklı operonların farklı mekanizmaları vardır. Bugün, operon basitçe tek bir mRNA molekülüne transkripsiyonu sağlanan bir gen kümesi olarak tanımlanmaktadır. Bununla birlikte, kavramın gelişimi moleküler biyoloji tarihinde önemli bir olay olarak kabul edilir. Tanımlanan ilk operon, E. coli'deki lac operon idi. 1965 Nobel Fizyoloji ve Tıp Ödülü, operon ve virüs sentezi ile ilgili keşiflerinden dolayı François Jacob, André Michel Lwoff ve Jacques Monod'a verildi.
Genel bakış
Polisistronik operon Yasal düzenleme Yasal düzenleme Artırıcı Artırıcı / susturucu / susturucu Operatör Promotör 5'UTR ORF ORF UTR 3'UTR Başlat Başlat Dur Dur terminatör Transkripsiyon DNA RBS RBS Protein kodlama bölgesi Protein kodlama bölgesi mRNA Translasyon Protein Protein kodlayan genlerin prokaryotik operonunun yapısı. Düzenleyici sekans, çoklu protein kodlama bölgeleri (kırmızı) için ekspresyon meydana geldiğinde kontrol eder. Promotör, operatör ve arttırıcı bölgeler (sarı), genin bir mRNA'ya transkripsiyonunu düzenler. mRNA translasyonu olmamış bölgeleri (mavi) nihai protein ürünlerine translasyonu düzenler.
Operonlar öncelikle prokaryotlarda, aynı zamanda C. elegans ve meyve sineği, Drosophila melanogaster gibi nematodlar da dahil olmak üzere bazı ökaryotlarda görülür. rRNA genleri, genellikle omurgalıların da içinde bulunduğu bir dizi ökaryottaki operonlarda bulunur. Bir operon, ortak bir promotör altında çalışan ve ortak bir operatör tarafından düzenlenen çeşitli yapısal genlerden oluşur. Operon ayrıca, bir dizi bitişik yapısal gen ve buna ek olarak yapısal genlerin transkripsiyonunu etkileyen bitişik düzenleyici sinyaller olarak tanımlanır. 5 Baskılayıcılar, eş-baskılayıcıları ve aktivatörler de dahil olmak üzere belirli bir operonun regülatörleri, aynı operon tarafından kodlanmak zorunda değildir. Regülatörlerin, promotörün, operatörün ve yapısal DNA sekanslarının yeri ve durumu, ortak mutasyonların etkilerini belirleyebilir.
Operonlar, regülonlar (düzenleyici), stimülonlar (uyarıcı) ve modülonlar ile ilişkilidir; ayrıca operonlar aynı operatör tarafından düzenlenen bir dizi gen içerdiğinden, regülonlar tek bir düzenleyici protein tarafından regüle edilenn bir dizi gen içerir ve stimülonlar ise tek bir hücre uyarıcısı tarafından regüle edilen bir dizi gen içerir. Araştırma makalesinin yazarlarına göre, "operon" terimi "işletmek" fiilinden türetilmiştir.
Bir transkripsiyon birimi olarak
Bir operon, genellikle bir polististronik mRNA'ya (birden fazla proteini kodlayan tek bir mRNA molekülü) traskribe olan bir veya daha fazla yapısal gen içerir. Bununla birlikte, bir operonun tanımı, mRNA'nın polisistronik olmasını gerektirmez, ancak pratikte genellikle öyledir. Yapısal genlerin yukarısında, RNA polimerazının bağlamasını ve transkripsiyonu başlatmasıı sağlayan bir promotör dizisi bulumaktadır. Promotörün yakınında DNA'nın operatör olarak adlandırılan bir bölümü bulunur.
Prokaryotik genlerin kümelenmesine karşı operonlar
Bir operonun tüm yapısal genleri, bu genlerin yukarısıda bulunan tek bir promotör ve operatör tarafından birlikte AÇIK veya KAPALI duruma getirilir. Bunu sağlayabilmek için, bazı bakteri genleri birbirine yakın konnumlanmıştır, ancak her biri için spesifik bir promotör vardır; buna gen kümeleme denir. Genellikle bu genler, bir metabolik yolak gibi, aynı yolakta birlikte çalışacak proteinleri kodlar. Gen kümelenmesi, bir prokaryotik hücrenin metabolik enzimleri doğru sırada üretmesine yardımcı olur.
Genel yapı
Bir operon 3 temel DNA bileşeninden oluşur:
Promotör - bir genin transkripsiyonunu sağlayan bir nükleotit sekansıdır. Promotör, daha sonra transkripsiyonu başlatan RNA polimeraz tarafından tanınır. RNA sentezinde promoterler, haberci RNA oluşturulması için hangi genlerin kullanılması gerektiğini belirtir ve ayrıca hücrenin ürettiği proteinleri kontrol eder.
Operatör - bir baskılayıcının bağlandığı DNA'nın bir segmentidir. Klasik olarak lac operonda promotör ve operonun genleri arasında bir segment olarak tanımlanır. Lac operondaki ana operatör (O1), promotörün biraz aşağısındna bulunur; iki ek operatör, O1 ve O3 sırasıyla -82 ve +412'de bulunur. Bir baskılayıcının varlığı durumunda, baskılayıcı protein, RNA polimerazının genleri kopyalamasını fiziksel olarak engeller.
Yapısal genler - operon tarafından birlikte düzenlenen genlerdir.
Her zaman operon içerisinde bulunmayan ancak önemli bir fonksiyona sahip olan düzenleyici gen, baskılayıcı proteinleri kodlayan ve sürekli eksprese edilen bir gendir. Düzenleyici gen, onu kontrol etmek için operonun içinde, yanında veya hatta yakınında olması gerekmez.
İndükleyici (küçük molekül), bir baskılayıcıyı (protein) operatör bölgesindeki (DNA) yerinden çıkarabilir ve sonuç olarak inhibe edilmemiş bir operon meydaa getirir.
Alternatif olarak, bir eş-baskılayıcı, baskılayıcıya bağlanarak onun operatör bölgesine bağlanmasına izin verir. Bu regülasyona iyi bir örnek trp operonudur.
Düzenleme
Bir operonun kontrolü, organizmaların çevresel koşullara bağlı olarak çeşitli genlerin ekspresyonunu düzenlemelerini sağlayan bir tür gen düzenlemesidir. Operon regülasyonu indüksiyon veya baskılama ile negatif veya pozitif olabilir.
Negatif kontrol, transkripsiyonu önlemek için bir baskılayıcının operatöre bağlanmasıdır.
Negatif indüklenebilir operonlarda, düzenlemeyi sağlayan baskılayıcı protein normal şartlarda operatöre bağlı halde bulunur, bu da genlerin operon üzerindeki transkripsiyonunu önler. Eğer ortamda bir indükleyici molekül mevcutsa, bu indükleyici, baskılayıcı proteine bağlanır ve baskılayıcı proteinin yapısını operatöre bağlanamayacak şekilde değiştirir. Bu durum, operonun ekspresyonuna izin verir. Lac operon, negatif olarak kontrol edilebilen indüklenebilir bir operondur ve bu operonun ikdükleyici molekülü allolaktozdur.
Negatif baskılanabilir operonlarda, operonun transkripsiyonu normal olarak gerçekleşir. Baskılayıcı proteinler bir regülatör gen tarafından üretilir, ancak normal yapılarında operatöre bağlanamazlar. Bununla birlikte, eş-baskılayıcı olarak adlandırılan bazı moleküller, baskılayıcı protein tarafından bağlanır ve bu da aktif bölgede yapısal bir değişikliğe neden olur. Aktifleştirilmiş baskılayıcı protein operatöre bağlanır ve transkripsiyonu önler. Triptofan (eş-baskılayıcı olarak görev alır) sentezinde yer alan trp operon, negatif kontrollü bastırılabilir bir operondur.
Operonlar ayı zamanda pozitif olarak da kontrol edilebilir. Pozitif kontrol ile, bir aktivatör protein DNA'ya (genellikle operatörden başka bir yerde) bağlanarak transkripsiyonu uyarır.
In positive inducible operons, activator proteins are normally unable to bind to the pertinent DNA. When an inducer is bound by the activator protein, it undergoes a change in conformation so that it can bind to the DNA and activate transcription.
In positive repressible operons, the activator proteins are normally bound to the pertinent DNA segment. However, when an inhibitor is bound by the activator, it is prevented from binding the DNA. This stops activation and transcription of the system.
Modeli bakteri Escherichia coli lac operonu, keşfedilen ve operon fonksiyonunu gösterenn ilk operondur. Üç bitişik yapısal gen, bir promotör, bir terminatör ve bir operatörden oluşur. Lac operon, glikoz ve laktozun ortamda bulunması da dahil olmak üzere çeşitli faktörler tarafından düzenlenir. Allolaktoz ile aktive edilebilir. Laktoz, baskılayıcı proteine bağlanır ve gen transkripsiyonunu baskılamasını önler. Bu durum, bastırılmanın ortadan kalkması (negatif indüklenebilir) modeline bir örnektir. Bu nedenle, laktoz veya allolaktoz varlığı ile indüklenen negatif indüklenebilir bir operondur.
Trp operon
1953 yılında Jacques Monod ve meslektaşları tarafından keşfedilen E. coli'deki trp operon, keşfedilen ilk bastırılabilir operondur. Lac operon bir kimyasal (allolaktoz) tarafından aktive edilebilirken, triptofan (Trp) operon da bir kimyasal (triptofan) tarafından inhibe edilir. Bu operon beş yapısal gen içerir: triptofan sentetazı kodlayan trp E, trp D, trp C, trp B ve trp A. Aynı zamanda RNA polimeraza bağlanan bir promotör ve operatöre bağlanan baskılayıcı gen (trp R) tarafından sentezlenen proteine bağlandığında transkripsiyonu bloke eden bir operatör içerir. Lac operonda, laktoz baskılayıcı proteine bağlanır ve gen transkripsiyonunu bastırmasını önlerken, trp operonda triptofan baskılayıcı proteine bağlanır ve gen transkripsiyonunu bastırmasını sağlar. Lak operonun aksine, trp operon, bir lider peptit ve kademeli düzenlemeye izin veren bir attenuator sekans içerir. Bu durum, eş-baskılama modeline bir örnektir.
Operonların sayısını ve organizasyonunu tahmin etme
Operonların sayısı ve organizasyonu E. coli'de çok fazla incelenmiştir. Sonuç olarak tahminler, bir organizmanın genomik sekansına dayanarak yapılabilir.
Bir tahmin yöntemi, genomdaki operon sayısının asıl bir öngörücüsü olarak okuma çerçeveleri arasındaki genler arası mesafeyi kullanır. Ayrılma sadece çerçeveyi değiştirir ve okumanın verimli olmasını garanti eder. Operonların başladığı ve bittiği yerde, genellikle 40-50 baza kadar daha uzun bölgeler vardır.
Operonları tahmin etmek için alternatif bir yöntem, gen düzeninin ve yönüün iki veya daha fazla genomda korunduğu gen kümelerinin bulunmasına dayanır.
Moleküllerin fonksiyonel sınıfı dikkate alınırsa, operon tahmini daha da doğru olmaktadır. Bakteriler okuma çerçevelerini, protein kompleksleri, ortak yolaklar veya paylaşılan substrat ve taşıyıcılarların birlikte müdahil olan birimlere ayırmıştır. Dolayısıyla, doğru tahmin tüm bu verileri içermelidir.
Pascale Cossart'ın laboratuvarı, bir mikroorganizmanın tüm operonları olan Listeria monocytogenes'ı deneysel olarak tanımlayan ilk laboratuvar oldu. L. monocytogenes'de farklı koşullar altında meydana gelen transkripsiyondaki küresel değişiklikleri açıklayan bir 2009 çalışmasında 517 polisistronnik operon listelenmiştir.