랙 오퍼론

lac operon

유당 오퍼론(lac operon)은 대장균과 다른 많은 장내 세균에서 유당의 운반과 대사에 필요한 오퍼론입니다.포도당이 대부분의 박테리아에게 선호되는 탄소 공급원이지만, lac operon은 포도당이 베타-갈락토시드가수분해효소의 [1]활동을 통해 제공되지 않을 때 유당의 효과적인 소화를 허용합니다.라크오페론의 유전자 조절은 명확하게 이해된 최초의 유전자 조절 메커니즘이었기 때문에 원핵생물 유전자 조절의 가장 중요한 예가 되었다.이러한 이유로 그것은 종종 분자 및 세포 생물학 입문 수업에서 논의된다.이 유당 대사 시스템은 어떻게 생물학적 세포가 어떤 효소를 합성해야 하는지 결정하기 위해 프랑수아 제이콥과 자크 모노드에 의해 사용되었습니다.라크 오퍼론에 대한 그들의 연구는 [1]1965년에 노벨 생리학상을 수상했습니다.

박테리아 오퍼론은 하나의 mRNA 전사물로부터 여러 개의 단백질을 생산할 수 있는 폴리시스트론 전사물입니다.이 경우, 락토오페론의 세 가지 유전자가 발현되고 그 후 단백질인 lacZ, lacY, lacA가 번역된다.lacZ의 유전자 산물은 이당류인 유당을 포도당과 갈락토스로 분해하는 β-갈락토시다아제이다.lacY는 세포질막에 내장되어 유당의 세포수송을 가능하게 하는 막단백질인 베타-갈락토시드 투과효소를 코드한다.마지막으로 lacA는 갈락토시드 아세틸전달효소를 코드한다.

Layout of the lac operon.

열상 수술자요상단: 누름, 하단:활동적인.
1: RNA 중합효소, 2: 억제제, 3: 프로모터, 4: 오퍼레이터, 5: 락토오스, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA.

유당이 없거나 포도당과 같은 바람직한 에너지원을 이용할 수 있다면 효소를 생산하는 것은 낭비일 것이다.라크 오퍼론은 필요한 [2]경우에만 라크 오퍼론에 의해 암호화된 효소를 생성하는 에너지를 세포가 소비하도록 하기 위해 2부분의 제어 메커니즘을 사용합니다.락토스가 없을 때 락 억제제인 lacI는 [3]락오페론에 의해 코드된 효소의 생산을 중단합니다.공동유도자가 결합하지 않는 한 열억제자는 항상 발현됩니다.즉, 작은 공유도체 분자가 존재하는 경우에만 전사된다.포도당의 존재하에서는 효소 생산에 필요한 이화산활성화단백질(CAP)이 비활성 상태로 유지되며, EIIA는Glc 유당투과효소를 차단하여 유당의 세포내 이동을 방지한다.이 이중 조절 메커니즘은 디오시로 알려진 두 개의 뚜렷한 성장 단계에서 포도당과 유당의 순차적 이용을 유발합니다.

구조.

유당의 구조와 그 균열의 산물.


유당 이화 경로에 필요한 것은 lacZ와 lacY뿐입니다.

유전자 명명법

대장균을 포함한 세균의 표현형을 나타내기 위해 세 글자의 줄임말을 사용한다.

예를 들어 다음과 같습니다.

  • 락(유당 사용 능력),
  • 그의 (아미노산 히스티딘 합성 능력)
  • Mot(수영 운동성)
  • SmR(항생제 스트렙토마이신 내성)

Lac의 경우 야생형 세포는 Lac이고 탄소+ 및 에너지원으로 유당을 사용할 수 있는 반면− Lac 돌연변이 유도체는 유당을 사용할 수 없다.동일한 세 글자는 일반적으로 특정 표현형에 관련된 유전자에 라벨을 붙이기 위해 사용됩니다(소문자, 이탤릭체). 여기서 각각의 다른 유전자는 추가 문자로 추가로 구별됩니다.효소를 코드하는 lac 유전자는 lacZ, lacY, lacA입니다.네 번째 락 유전자는 락토오스 억제제를 코드하는 락토시입니다.I'는 유도성을 의미한다.



효소를 코드하는 구조 유전자와 유전자 발현에 영향을 미치는 단백질을 코드하는 조절 유전자를 구별할 수 있다.현재의 사용은 표현형 명명법을 단백질에 적용하기 위해 확장시킨다. 따라서 LacZ는 lacZ 유전자인 β-galactosidase의 단백질 생성물이다.Lac 프로모터, lac p, lac 연산자 lac o를 포함하여 유전자가 아닌 다양한 짧은 배열도 유전자 발현에 영향을 미칩니다.엄격히 표준적인 사용법은 아니지만, lac o에 영향을 미치는 돌연변이는 역사적c 이유로 lac o라고 부릅니다.

인듀서

규정

락 유전자의 특정 제어는 박테리아에 대한 기질 유당의 가용성에 달려있다.유당을 탄소원으로 사용할 수 없을 때 그 단백질은 박테리아에 의해 생성되지 않는다.라크 유전자는 오퍼론으로 구성되어 있습니다.즉, 그것들은 염색체 바로 옆에 있는 동일한 방향으로 향하며 단일 폴리시스트론 mRNA 분자로 공동 변환됩니다.모든 유전자의 전사는 DNA 결합 단백질인 RNA 중합효소(RNAP)의 결합으로 시작되는데, RNA 중합효소는 유전자의 바로 상류에서 특정 DNA 결합 부위인 프로모터에 결합한다.프로모터에 대한 RNA 중합효소의 결합은 cAMP 결합 이화효소 활성화 단백질(CAP, cAMP 수용체 [4]단백질이라고도 함)에 의해 촉진된다.그러나 lacI 유전자(lacoperon의 조절 유전자)는 RNAP가 오퍼론의 오퍼레이터와 결합하는 것을 차단하는 단백질을 생성한다.이 단백질은 알로락토스가 결합하고 불활성화할 때만 제거될 수 있다.lacI 유전자에 의해 형성되는 단백질은 lac 억제제로 알려져 있다.라크 오퍼론이 겪는 조절의 유형은 음의 유도성이라고 하며, 이는 일부 분자(락토스)가 첨가되지 않는 한 조절 인자(락 억제제)에 의해 유전자가 꺼지는 것을 의미합니다.라크 억제 단백질의 존재 때문에, lacZ 유전자를 다른 유전자로 대체한 유전 공학자들은 한천에서 유당을 사용할 수 있는 실험 박테리아를 키워야 할 것이다.만약 그렇지 않다면, 억제 단백질은 RNAP가 프로모터에 결합하는 것을 막고 유전자를 전사하기 때문에 그들이 발현하려고 하는 유전자가 발현되지 않을 것이다.억제제가 제거되면 RNAP는 세 가지 유전자를 모두 전사합니다(lacZ).YA) mRNA로 변환됩니다.mRNA 가닥의 3개의 유전자는 각각 독자적인 샤인-달가노 서열을 가지고 있기 때문에 유전자는 독립적으로 [5]번역됩니다.대장균 락 오퍼론의 DNA 염기서열, 락Z는YA mRNA 및 lacI 유전자는 GenBank에서 구할 수 있습니다(보기).

첫 번째 제어 메커니즘은 유당에 대한 조절 반응으로, 유당 억제제라고 불리는 세포 내 조절 단백질을 사용하여 유당이 없을 때 β-갈락토시드가수분해효소의 생산을 방해합니다.억제제를 코드하는 lacI 유전자는 lac 오퍼론 근처에 있으며 항상 발현된다(구성).만약 유당이 성장 배지에서 누락된다면, 억제제는 lac 연산자라고 불리는 lacZ의 시작 부근에서 프로모터의 바로 하류에 있는 짧은 DNA 배열에 매우 단단히 결합합니다.연산자에 대한 억제제 결합은 프로모터에 대한 RNA의 결합을 방해하므로 LacZ 및 LacY를 코드하는 mRNA는 매우 낮은 수준에서만 생성된다.하지만, 세포가 유당의 존재 하에서 자랄 때, lacZ 유전자의 산물에 의해 유당으로 만들어진 알로락토스라고 불리는 유당 대사물이 억제제에 결합하면서, 알로스테릭 변화를 일으킵니다.따라서 변화된 억제제는 연산자와 결합할 수 없으며, RNAP가 lac 유전자를 전사할 수 있게 하여 암호화된 단백질의 더 높은 수준으로 이끈다.

두 번째 제어 메커니즘은 포도당에 대한 반응으로, 포도당이 없을 때 β-갈락토시다아제 생산을 크게 증가시키기 위해 이화산 활성제 단백질(CAP) 호모디머를 사용한다.고리형 아데노신 일인산(cAMP)은 포도당의 유병률과 반비례하는 신호 분자이다.CAP에 결합하면 CAP가 CAP 결합 부위(아래 그림의 왼쪽에 있는 프로모터의 16bp DNA 시퀀스 업스트림, 전사 시작 [6]부위의 업스트림 약 60bp)에 결합할 수 있습니다.이것에 의해, RNAP가 DNA에 결합하는 것을 보조합니다.포도당이 없을 때, cAMP 농도는 높고 CAP-cAMP가 DNA에 결합하면 β-갈락토시다아제 생산이 유의미하게 증가하여 세포가 유당을 가수분해하여 갈락토스와 포도당을 방출할 수 있다.

보다 최근에는 유도제 제외가 포도당이 존재할 때 라크 오퍼론의 발현을 차단하는 것으로 나타났다.포도당은 PEP 의존성 포스포트랜스퍼레이스 시스템에 의해 세포 내로 운반된다.포스포에놀피루브산의 인산기는 일반 PTS(포스포트랜스퍼레이스 시스템) 단백질 HPr 및 EIA와 EII 포도당 운반체의 세포질 도메인인 포도당 특이Glc PTS 단백질 EIIAGlc 및 EIIB로 구성된 인산화 캐스케이드를 통해 전달된다.포도당의 수송은 EIIB에 의한Glc 인산화를 동반하여 EIIA를 포함한Glc 다른 PTS 단백질로부터 인산기를 배출한다.EIIA의Glc 비인산화 형태는 락 투과효소에 결합하고 락토스를 세포로 가져오는 것을 막습니다.따라서 포도당과 유당이 모두 존재할 경우 포도당의 수송은 라코페론의 [7]유도물질의 수송을 방해한다.

리프레서 구조

사량체 LacI는 두 개의 연산자 서열을 결합하고 DNA 루프를 유도합니다.2개의 이합체 LacI 기능 서브 유닛(빨간색+파란색 및 녹색+주황색)은 각각 DNA 연산자 배열(라벨 부착)과 결합한다.이들 2개의 기능성 서브유닛은 4중합영역(라벨 부착)에서 결합되며, 따라서 4중합 LacI는 2개의 연산자 서열을 결합한다.이를 통해 4중합체 LacI가 DNA 루프를 유도할 수 있습니다.

Lac Repressor는 4부분 단백질로 이루어진 4분자로, 서브유닛이 동일하다.각 서브유닛은 DNA에 결합할 수 있는 HTH(Helix-Turn-Helix) 모티브를 포함한다.리프레서가 결합하는 연산자 부위는 역반복 대칭을 가진 DNA 배열이다.오퍼레이터의 두 DNA 반사이트는 억제제의 서브유닛 중 두 개에 결합합니다.이 모델에서는 다른 두 서브유닛의 레프레서는 아무것도 하지 않지만, 이 속성은 오랫동안 이해되지 않았습니다.

결국 두 명의 추가 연산자가 열 [8]조절에 관여한다는 것이 밝혀졌다.한쪽(O3)은 lacI 유전자의 말단에서 O의1 상류 약 90bp, 다른 한쪽(O2)은 lacZ의 초기 부분에서 O의1 하류 약 +410bp이다.이 두 사이트는 중복 기능을 가지고 있고 개별 돌연변이가 억제에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 초기 연구에서 발견되지 않았다.O 또는3 O에2 대한 단일 돌연변이의 효과는 2~3배밖에 되지 않습니다.그러나 이러한 중요성은3 O와2 O의 이중 돌연변이 결함이 극적으로 억제되지 않는다는 사실로 입증됩니다(약 70배).

현재 모델에서 lac 억제기는 주 연산자1 O와 O 또는 O 중 하나에 동시에23 결합됩니다.개입한 DNA가 복합체에서 빠져나갑니다.2개의 마이너 연산자의 용장성은 중요한 것은 특정 루프 콤플렉스가 아님을 나타냅니다.한 가지 아이디어는 시스템이 테더링을 통해 작동한다는 것입니다. 바인딩된 억제기가 O에서1 잠시 해제된 경우, 보조 연산자에 바인딩하면 시스템이 근처에 유지되므로 빠르게 재바인딩될 수 있습니다.그러면 O에 대한1 억제제의 친화력이 높아집니다.

유도 메커니즘

1: RNA 중합효소, 2: 억제제, 3: 프로모터, 4: 조작자, 5: 젖당, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA. Top: 유전자는 기본적으로 꺼져 있습니다.락 억제제를 억제하는 알로락토스가 없으므로 억제제는 작용기에 단단히 결합하고, 이는 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하는 것을 방해하여 락자 mRNA 전사물을 생성하지 않는다.하단:유전자가 켜졌다.알로락토스는 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하고 유전자를 발현하도록 하여 LacZ를 생성한다.결국 효소는 모든 유당을 소화시켜 억제제와 결합할 수 있는 알로락토스가 없어질 때까지그런 다음 리프레서가 연산자에 바인딩되어 LacZ의 전사가 중지됩니다.YA 유전자

억제제는 알로스테릭 단백질이다. 즉, 서로 평형을 이루는 약간 다른 두 가지 형태 중 하나를 가정할 수 있다.한 형태에서는 억제제가 높은 특이성을 가지고 연산자 DNA에 결합하고 다른 형태에서는 특이성을 상실한다.고전적인 유도 모델에 따르면, 알로락토스 또는 IPTG 중 하나의 유도체가 억제기에 결합하는 것은 두 형태 사이의 억제제 분포에 영향을 미친다.따라서 유도체 결합을 가진 억제제는 비 DNA 결합 배합으로 안정화된다.그러나 이 단순한 모델이 전부는 될 수 없다.왜냐하면 억제제가 DNA에 매우 안정적으로 결합되어 있기 때문이다.그러나 유도제를 첨가함으로써 빠르게 방출된다.따라서, 억제제가 이미 DNA에 결합되어 있을 때 유도제가 억제제에 결합할 수도 있다는 것은 분명해 보인다.정확한 결합 메커니즘이 무엇인지 [9]아직 완전히 알려지지 않았다.

비특정 바인딩의 역할

억제제의 DNA에 대한 비특이적 결합은 Lac-operon의 억제 및 유도에 중요한 역할을 한다.Lac-repressor 단백질의 특정 결합 부위가 연산자입니다.비특이적 상호작용은 주로 전하 상호작용에 의해 매개되는 반면, 연산자에 대한 결합은 소수성 상호작용에 의해 강화된다.또한 억제제가 결합할 수 있는 비특이적 DNA 배열이 풍부하다.기본적으로 연산자가 아닌 시퀀스는 비특이적인 것으로 간주됩니다.연구에 따르면 비특이적 결합이 없으면 Lac-operon의 유도(또는 억제 해제)는 포화 유도제 수준에서도 발생할 수 없다.비특이적 결합이 없는 경우, 유도의 기본 수준은 정상적으로 관찰된 것보다 10,000배 작다는 것이 입증되었다.이것은 비특이적인 DNA가 억제제 단백질의 일종의 "싱크"로 작용하여 조작자로부터 주의를 딴 데로 돌리기 때문입니다.비특이적 시퀀스는 셀에서 사용 가능한 억제제의 양을 감소시킵니다.이것에 의해,[10] 시스템의 억제를 해제하는 데 필요한 인덕터의 양이 감소합니다.

유당 유사체

IPTG
ONPG
X-gal
알로락토스

락오페론 작업에 유용한 다수의 유당 유도체 또는 유사체가 설명되었습니다.이 화합물들은 주로 유당의 포도당 부분이 다른 화학 그룹으로 대체되는 치환된 갈락토시드입니다.

  • 이소프로필-β-D-티오갈락토피라노시드(IPTG)는 생리적 [1]작업을 위한 락오페론의 유도제로서 자주 사용된다.IPTG는 억제제에 결합하여 비활성화하지만 β-갈락토시다아제 기질은 아니다.생체내 연구에서 IPTG의 장점 중 하나는 대장균에 의해 대사될 수 없다는 것이다.그 농도는 일정하게 유지되며 lac p/o 조절 유전자의 발현 속도는 실험의 변수가 아니다.IPTG 섭취는 P. 형광체에서 유당 투과효소의 작용에 의존하지만 대장균에서는 [11]그렇지 않다.
  • 페닐β-D-갈락토스(페닐-Gal)는 β-갈락토시드가수분해효소용 기질이지만 억제제를 불활성화하지 않으므로 유도제가 아니다.야생형 세포는 β-갈락토시다아제를 거의 생성하지 않기 때문에, 그들은 탄소 및 에너지원으로서 페닐-갈에서 자랄 수 없다.억제제가 없는 돌연변이는 페닐갈에서 자랄 수 있다.따라서 탄소 및 에너지의 원천으로서 페닐-Gal만을 포함하는 최소 배지는 억제 돌연변이 및 조작 돌연변이에 대해 선택적이다.페닐-Gal을 포함한 한천판에 야생형 균주의 10개 세포를 도금하면8, 증식하는 희귀 군락은 주로 억제제에 영향을 주는 자발 돌연변이체이다.억제기 및 연산자 돌연변이의 상대적 분포는 대상 크기에 영향을 받습니다.억제제를 코드하는 lacI 유전자가 연산자보다 약 50배 크기 때문에 억제제 돌연변이가 선택에서 우세하다.
  • 티오메틸 갈락토시드는 또 다른 유당 유사체이다.이것들은 LACI 억제제를 억제합니다.낮은 유도제 농도에서 TMG와 IPTG는 모두 유당 투과효소를 통해 세포로 들어갈 수 있다.그러나 높은 유도체 농도에서는 두 아날로그가 독립적으로 세포에 들어갈 수 있다.TMG는 높은 세포 외 [12]농도에서 성장률을 낮출 수 있다.
  • 다른 화합물들은 β-갈락토시다아제 활성의 다채로운 지표 역할을 한다.
    • ONPG를 분해하여 강황화합물인 오르소니트로페놀 및 갈락토스를 생성하고,[13] 시험관내 β-갈락토시드가수분해효소의 측정용 기질로 일반적으로 사용된다.
    • β-갈락토시드가수분해효소를 생성하는 콜로니는 갈락토스와 4-Cl, 3-Br인디고 B-갈락토시드가수분해효소용 인공기질인 X-gal(5-bromo-4-클로로-3-인딜릴-β-D-갈락토시드)[14]에 의해 파란색이 된다.
  • 알로락토스는 락토스의 이성질체이며 락오페론의 유도체이다.유당은 갈락토오스-β(1→4)-아크롬이며, 알로락토스는 갈락토오스-β(1→6)-아크롬이다.락토스는 가수분해효소에 대한 대체반응으로 β-갈락토시드가수분해효소에 의해 알로락토스로 변환된다.대장균 세포에서 "진정한" 유도 인자의 생산에서 LacZ의 역할을 입증하는 생리학적 실험은 LacZ의 늘 돌연변이가 알로락토스의 가수분해 불가능한 유사체인 IPTG와 함께 성장했을 때 여전히 LacY 침투 효소를 생성할 수 있다는 관찰이다.세포 내에서 유도제를 생산하기 위해서는 유당을 알로락토스로(β-갈락토시드가수분해효소에 의해 촉매됨) 처리하는 것이 필요하다는 설명이다.

클래식 모델 개발

프랑수아 제이콥과 자크 모노드가 사용한 실험용 미생물은 일반적인 실험실 박테리아인 대장균이었지만, 제이콥과 모노드가 발견한 많은 기본적인 규제 개념은 모든 [15]유기체의 세포 조절에 기초적이다.핵심 아이디어는 단백질이 필요하지 않을 때 합성되지 않는다는 것입니다. 대장균은 포도당과 같은 다른 당을 사용할 수 있는 경우와 같이 유당을 대사할 필요가 없을 때 세 개의 Lac 단백질을 만들지 않음으로써 세포 자원과 에너지를 절약합니다.다음 절에서는 대장균이 신진대사의 필요성에 반응하여 특정 유전자를 제어하는 방법에 대해 논의합니다.

제2차 세계 대전 동안 모노드는 대장균과 B. 서브틸리스의 영양 공급원으로서 설탕의 조합을 테스트하고 있었다.모노드는 박테리아와 효모를 가지고 다른 과학자들에 의해 수행된 유사한 연구를 추적하고 있었다.그는 두 개의 다른 당과 함께 자란 박테리아가 종종 두 단계의 성장을 보인다는 것을 발견했다.예를 들어 포도당과 유당이 모두 제공된 경우 포도당은 먼저 대사되었고(성장 단계 I, 그림 2 참조), 그 다음(성장 단계 II) 유당(성장 단계 II)포도당과 유당이 배지에 모두 있을 때 β-갈락토시다아제가 만들어지지 않았기 때문에 락토스는 다이옥시 성장 곡선의 첫 부분 동안 대사되지 않았다.Monod는 이 현상을 [16]diauxie라고 명명했다.

그림 2: Monod의 "bi-phasic" 성장 곡선

그리고 나서 모노드는 유당이 배양 [17]배지에서 유일한 당일 때 일어난 β-갈락토시다아제 형성의 유도에 주의를 집중했다.

규제 돌연변이의 분류

Jacob과[18] Monod의 개념적 돌파구는 조절 물질과 그들이 유전자 발현을 변화시키는 작용 부위 사이의 차이를 인식하는 것이었다.전직 군인이었던 제이콥은 특별한 무선 송신이나 신호를 수신하면 치명적인 화물을 방출하는 폭격기의 비유법을 사용했다.작동하는 시스템은 비행기에 지상 송신기와 수신기를 둘 다 필요로 한다.일반적인 송신기가 고장났다고 가정해 봅시다.이 시스템은 두 번째 기능성 송신기를 도입함으로써 작동시킬 수 있습니다.반면 수신기에 결함이 있는 폭격기를 생각해보라고 그는 말했다.이 폭격기의 동작은 제2의 기능성 항공기의 도입에 의해 변경될 수 없습니다.

라크 오퍼론의 조절 돌연변이를 분석하기 위해, 제이콥은 라크 유전자의 두 번째 복사본(촉진자와 라크 Z)을 개발하는 시스템을 개발했습니다.프로모터 및 오퍼레이터를 가진 YA)는 단일 세포에 도입될 수 있다.그 후, 락 유전자에 대해서는 이배체이지만, 그 이외의 경우에는 정상인 그러한 박테리아의 배양을 조절 표현형에 대해 시험한다.특히 IPTG가 없는 경우에도 LacZ와 LacY가 만들어지는지를 판정한다(변이 유전자에 의해 생성된 유당억제제가 기능하지 않기 때문).유전자 또는 유전자 클러스터가 쌍으로 테스트되는 이 실험은 상호보완 테스트라고 불립니다.

Lac complementation.png

이 테스트는 그림에 나와 있습니다(간단함을 위해 lacA는 생략됩니다).첫째, 특정 반수체 상태가 나타난다(즉, 세포는 열상 유전자의 단일 복사본만 운반한다).패널(a)은 억제를 나타내고, (b)는 IPTG에 의한 유도를 나타내고, (c)는 lacI 유전자에 대한 돌연변이의 영향을 나타내고, (d)는 lacI 유전자에 대한 돌연변이의 영향을 나타낸다.패널 (e)에 억제기에 대한 보완 테스트가 표시된다.lac 유전자의 한 복사본이 lacI의 돌연변이를 수반하지만, 두 번째 복사본이 lacI의 야생형인 경우, 결과 표현형은 정상이지만, 유도제 IPTG에 노출되면 lacZ가 발현된다.억제제에 영향을 주는 돌연변이는 야생형에 대해 열성적이라고 알려져 있으며(그리고 야생형이 우세하다), 이는 억제제가 세포 내에서 확산될 수 있는 작은 단백질이라는 사실로 설명된다.결함이 있는 lacI 유전자와 인접한 lacoperon의 복사본은 lacI의 두 번째 복사본에서 생성된 단백질에 의해 효과적으로 차단됩니다.

연산자 돌연변이를 이용해 같은 실험을 하면 다른 결과를 얻을 수 있다(패널 f).하나의 돌연변이와 하나의 야생형 연산자 사이트를 가진 세포의 표현형은 유도제 IPTG가 없어도 LacZ와 LacY가 생성된다는 것이다. 왜냐하면 손상된 연산자 사이트는 구조 유전자의 전사를 억제하기 위한 억제제의 결합을 허용하지 않기 때문이다.연산자 돌연변이가 우세합니다.억제제가 결합해야 하는 연산자 부위가 돌연변이에 의해 손상되었을 때, 같은 세포 내에 두 번째 기능 부위의 존재는 돌연변이 부위에 의해 제어되는 유전자의 발현과 차이가 없다.

이 실험의 보다 정교한 버전은 랙 유전자의 두 복사본을 구별하고 조절되지 않은 구조 유전자가 돌연변이 연산자(패널(g) 옆에 있는 유전자임을 보여주기 위해 표시된 연산자를 사용한다.예를 들어, 한 복사본은 LacY 단백질만 생성할 수 있도록 LacZ를 비활성화하는 돌연변이로 표시되며, 두 번째 복사본은 LacY에 영향을 미치는 돌연변이를 포함하고 LacZ만 생성할 수 있다고 가정합니다.이 버전에서는 돌연변이 연산자에 인접한 lac 오퍼론의 복사본만 IPTG 없이 표현됩니다.우리는 연산자 돌연변이가 시스 우위이며 야생형에 지배적이지만 바로 인접한 오퍼론의 복사본에만 영향을 미친다고 말한다.

이 설명은 실험에 대한 설명에서 진행되어 모형으로 결과를 설명하기 때문에 중요한 의미에서 오해를 불러일으킬 수 있습니다.하지만 사실, 모델이 먼저이고, 실험을 통해 모형을 테스트하는 것이 종종 사실이다.Jacob과 Monod는 처음에 DNA에 연산자의 성질을 가진 부위가 있을 것이라고 상상했고, 그리고 나서 이것을 보여주기 위해 그들의 보완 테스트를 설계했다.

조작자 돌연변이의 우위성은 특정 돌연변이를 선택하는 절차도 제시합니다.위와 같이 페닐-Gal을 이용한 야생형 배양에서 조절 돌연변이를 선택했을 경우 표적 사이즈가 매우 작기 때문에 억제 돌연변이에 비해 조작자 돌연변이가 드물다.그러나 그 대신 열상 부위 전체의 2개의 복사를 운반하는 변종(열상에는 2배체)부터 시작하면 억제 돌연변이(여전히 발생하는 것)는 회복되지 않습니다.두 번째 야생형 lacI 유전자에 의한 상보성이 야생형 표현형을 형성하기 때문입니다.반대로 연산자 1개의 복사본의 돌연변이는 두 번째 와일드형 복사본에 지배적이기 때문에 돌연변이 표현형을 구속한다.

순환[19] AMP에 의한 규제

디오시에 대한 설명은 고전적 모델에 의해 설명되는 것 외에 열 유전자에 영향을 미치는 추가 돌연변이의 특성에 따라 달라졌다.이어서 cya와 crp라는 두 개의 다른 유전자는 lac에서 멀리 매핑되며, 돌연변이 시 IPTG 존재 하에서 발현 수준이 저하되고 억제제 또는 연산자가 결여된 균주에서도 발현 수준이 감소하는 것으로 확인되었다.대장균에서 cAMP의 발견은 돌연변이가 cya 유전자에 결함이 있지만 cAMP를 배지에 첨가함으로써 crp 유전자가 완전한 활성을 회복할 수 없다는 것을 증명했다.

cya 유전자는 cAMP를 생성하는 아데닐산 시클라아제를 암호화한다. cya 돌연변이에서 cAMP의 부재는 lacZ의 발현을 만든다.YA 유전자는 정상보다 10배 이상 낮습니다.cAMP를 추가하면 cya 돌연변이의 낮은 Lac 발현 특성이 수정됩니다.두 번째 유전자인 crp는 cabolite activator protein (CAP) 또는 cAMP receptive protein (CRP)[20]이라고 불리는 단백질을 암호화한다.

그러나 유당 대사 효소는 LacI 억제제가 LACZ의 mRNA를 결합하고 전사하는 시간을 줄 수 있는 LacI 억제제가 DNA로부터 빠르게 연관/분리한다는 사실 때문에 포도당과 유당 모두의 존재 하에서 소량 만들어진다.YA. 포도당 공급원이 확장된 후 lac 발현이 완전히 활성화되기 전에 일부 유당의 대사를 허용하기 위해 누출 발현이 필요합니다.

요약:

  • 유당이 없으면 Lac 효소 생산이 거의 없습니다(작업자는 Lac 억제제가 결합되어 있습니다).
  • 유당이 존재하지만 선호 탄소 소스(예: 포도당)가 존재하는 경우 소량의 효소가 생성됩니다(Lac 억제제는 작용기에 결합하지 않음).
  • 포도당이 없을 때 CAP-cAMP는 프로모터의 상류에서 특정 DNA 부위에 결합하고 프로모터에 RNAP의 결합을 촉진하는 RNAP와 직접 단백질-단백질 상호작용을 한다.

성장 단계 사이의 지연은 충분한 양의 유당 대사 효소를 생산하는 데 필요한 시간을 반영합니다.첫째, CAP 조절 단백질은 Lac 프로모터에 집합하여 lac mRNA의 생산을 증가시킨다. lac mRNA의 더 많은 사용 가능한 복사본은 LacZ(유당 대사를 위한 β-갈락토시다아제)와 LacY(유당 운반을 위한 LacTransmitase)의 상당한 복사본(번역 참조)을 생성한다.l) 유당 대사 효소의 수준을 높이기 위해 필요한 지연 후, 박테리아는 새로운 세포 성장 단계에 진입한다.

lac operon 상세

이화물 억제의 두 가지 수수께끼는 cAMP 수치가 포도당의 존재와 어떻게 결합되는지에 관한 것이고, 둘째, 세포가 왜 신경써야 하는가에 관한 것이다.유당이 분해된 후에 그것은 실제로 포도당과 갈락토스를 형성합니다.대사 측면에서 유당은 포도당만큼 좋은 탄소와 에너지원입니다.cAMP 수치는 세포 내 포도당 농도가 아니라 아데닐산 시클라아제 활성에 영향을 미치는 포도당 수송 속도와 관련이 있다.(게다가 포도당 수송은 유당 투과효소의 직접적인 억제로도 이어진다.)대장균이 왜 이런 식으로 작용하는지에 대해서는 추측만 할 수 있다.모든 장내세균은 포도당을 발효시키는데, 이것은 그들이 포도당을 자주 접한다는 것을 암시한다.포도당 대 유당의 대사 또는 수송 효율의 작은 차이가 세포가 이러한 방식으로 [21]라크 오퍼론을 조절하는 데 유리할 수 있습니다.

분자생물학에서 사용

락 유전자와 그 유도체는 특정 프로모터 배열에 대한 전사 활성제의 성공적인 결합이 [14]결정되어야 하는 두 가지 하이브리드 분석과 같은 많은 세균 기반 선택 기술에서 리포터 유전자로 사용할 수 있다.X-gal을 포함하는 LB 플레이트에서 흰색 콜로니에서 파란색 음영으로 변하는 색상은 약 20-100개의 β-갈락토시다아제 단위에 해당하며, 테트라졸륨 유당 및 맥콘키 유당 배지는 각각 100-1000개의 단위를 가지며, 이 범위의 높은 부분과 낮은 부분에서 가장 민감하다.[14]맥콘키 유당과 테트라졸륨 유당 배지는 둘 다 유당 분해의 산물에 의존하기 때문에, lacZ와 lacY 유전자의 존재를 필요로 합니다.따라서 lacZ 유전자만을 포함하는 많은 lac 융합 기술은 X-gal[14] 플레이트 또는 ONPG 액체 수프에 [22]적합하다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Griffiths, Anthony J.F.; Wessler, Susan R.; Carroll, Sean B.; Doebley, John (2015). An Introduction to Genetic Analysis (11 ed.). Freeman, W.H. & Company. pp. 400–412. ISBN 9781464109485.
  2. ^ McClean, Phillip (1997). "Prokaryotic Gene Expression". ndsu.edu. Retrieved 19 May 2017.
  3. ^ "Prokaryotic Gene Expression". ndsu.edu. Retrieved 19 May 2017.
  4. ^ Busby S., Ebright RH. (2001). "Transcription activation by catabolite activator protein (CAP)". J. Mol. Biol. 293 (2): 199–213. doi:10.1006/jmbi.1999.3161. PMID 10550204.
  5. ^ Kennell, David; Riezman, Howard (July 1977). "Transcription and translation initiation frequencies of the Escherichia coli lac operon". Journal of Molecular Biology. 114 (1): 1–21. doi:10.1016/0022-2836(77)90279-0. PMID 409848.
  6. ^ Malan, T. Philip; Kolb, Annie; Buc, Henri; McClure, William (December 1984). "Mechanism of CRP-cAMP Activation of lac Operon Transcription Initiation Activation of the P1 Promoter". J. Mol. Biol. 180 (4): 881–909. doi:10.1016/0022-2836(84)90262-6. PMID 6098691.
  7. ^ Görke B, Stülke J (August 2008). "Carbon catabolite repression in bacteria: many ways to make the most out of nutrients". Nature Reviews. Microbiology. 6 (8): 613–24. doi:10.1038/nrmicro1932. PMID 18628769. S2CID 8782171.
  8. ^ Oehler, S.; Eismann, E. R.; Krämer, H.; Müller-Hill, B. (1990). "The three operators of the lac operon cooperate in repression". The EMBO Journal. 9 (4): 973–979. doi:10.1002/j.1460-2075.1990.tb08199.x. PMC 551766. PMID 2182324.
  9. ^ Griffiths, Anthony JF; Gelbart, William M.; Miller, Jeffrey H.; Lewontin, Richard C. (1999). "Regulation of the Lactose System". Modern Genetic Analysis. New York: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-3118-5.
  10. ^ von Hippel, P.H.; Revzin, A.; Gross, C.A.; Wang, A.C. (December 1974). "Non-specific DNA binding of genome regulating proteins as a biological control mechanism: I. The lac operon: equilibrium aspects". PNAS. 71 (12): 4808–12. doi:10.1073/pnas.71.12.4808. PMC 433986. PMID 4612528.
  11. ^ Hansen LH, Knudsen S, Sørensen SJ (June 1998). "The effect of the lacY gene on the induction of IPTG inducible promoters, studied in Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens". Curr. Microbiol. 36 (6): 341–7. doi:10.1007/s002849900320. PMID 9608745. S2CID 22257399. Archived from the original on 18 October 2000.
  12. ^ Marbach A, Bettenbrock K (January 2012). "lac operon induction in Escherichia coli: Systematic comparison of IPTG and TMG induction and influence of the transacetylase LacA". Journal of Biotechnology. 157 (1): 82–88. doi:10.1016/j.jbiotec.2011.10.009. PMID 22079752.
  13. ^ "ONPG (β-Galactosidase) test". September 2000. Archived from the original on 3 November 2007. Retrieved 25 October 2007.
  14. ^ a b c d Joung J, Ramm E, Pabo C (2000). "A bacterial two-hybrid selection system for studying protein–DNA and protein–protein interactions". Proc Natl Acad Sci USA. 97 (13): 7382–7. Bibcode:2000PNAS...97.7382J. doi:10.1073/pnas.110149297. PMC 16554. PMID 10852947.
  15. ^ "Milestone 2 – A visionary pair : Nature Milestones in gene expression". www.nature.com. Retrieved 27 December 2015.
  16. ^ Muller-Hill, Benno (1996). The lac Operon, a Short History of a Genetic Paradigm. Berlin: Walter de Gruyter. pp. 7–10. ISBN 3-11-014830-7.
  17. ^ McKnight, Steven L. (1992). Transcriptional Regulation. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. pp. 3–24. ISBN 0-87969-410-6.
  18. ^ Jacob F.; Monod J (June 1961). "Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins". J Mol Biol. 3 (3): 318–56. doi:10.1016/S0022-2836(61)80072-7. PMID 13718526.
  19. ^ Montminy, M. (1997). "Transcriptional regulation by cyclic AMP". Annual Review of Biochemistry. 66: 807–822. doi:10.1146/annurev.biochem.66.1.807. ISSN 0066-4154. PMID 9242925.
  20. ^ Botsford, J L; Harman, J G (March 1992). "Cyclic AMP in prokaryotes". Microbiological Reviews. 56 (1): 100–122. doi:10.1128/MMBR.56.1.100-122.1992. ISSN 0146-0749. PMC 372856. PMID 1315922.
  21. ^ Vazquez A, Beg QK, Demenezes MA, et al. (2008). "Impact of the solvent capacity constraint on E. coli metabolism". BMC Syst Biol. 2: 7. doi:10.1186/1752-0509-2-7. PMC 2270259. PMID 18215292.
  22. ^ "Induction of the lac operon in E. coli" (PDF). SAPS. Retrieved 29 June 2016.

외부 링크