L' operó lac és un grup de gens estructurals que té com a funció codificar per proteïnes involucrades en el metabolisme de la lactosa. Són uns gens que estan ordenats de forma consecutiva en el genoma de gairebé tots els bacteris i s'han estudiat amb especial esforç en el bacteri "model" Escherichia coli.
El operó lac va ser que el model emprat per Jacob i Monod el 1961 per a la proposició dels arranjaments genètics en forma de operó. En els seus treballs, aquests autors van descriure com l'expressió d'un o més gens podia "encendre" o "apagar" com a conseqüència de la presència d'una molècula (la lactosa, per exemple) en el medi de creixement.
Esquema general d'l'operó lac. Tereseik. Obra derivada d'imatge de G3pro. Traducció a l'espanyol d'Alejandro Porto.
Els bacteris que creixen en mitjans de creixement rics en compostos carbonats o sucres diferents a la lactosa, com la glucosa i la galactosa, posseeixen quantitats molt baixes de les proteïnes necessàries per a la metabolització de la lactosa.
Llavors, en absència de lactosa l'operó es troba "apagat", evitant que l'ARN polimerasa transcriba a l'segment gènic corresponent a l'operó lac. Quan la cèl·lula "percep" la presència de lactosa s'activa el operó i aquests gens es transcriuen normalment, el que es coneix com "encès" de l'operó.
Tots els gens de l'operó es tradueixen en una sola molècula d'ARN missatger i, per tant, qualsevol factor que reguli la transcripció d'aquest ARN missatger de l'operó lac regularà directament la transcripció de qualsevol gen que pertanyi a aquest.
descobriment
La teoria de Jacob i Monod es va desenvolupar en un context on se sabia molt poc sobre l'estructura de l'ADN. I és que tan sols vuit anys abans Watson i Crick havien realitzat la seva proposta sobre l'estructura de l'ADN i de l'ARN, de manera que els ARN missatgers amb prou feines es coneixien.
Jacob i Monod en la dècada de 1950 ja havien demostrat que el metabolisme de lactosa bacterià estava genèticament regulat per dues condicions molt específiques: la presència i l'absència de lactosa.
Tots dos científics havien observat que una proteïna amb característiques similars a un enzim al·lostèric era capaç de detectar la presència de lactosa en el medi i, que un cop detectat el sucre, s'estimula la transcripció de dos enzims: un lactosa permeasa i una altra galactosidasa.
Avui dia se sap que la permeasa exerceix funcions en el transport de la lactosa cap a l'interior de la cèl·lula i que la galactosidasa és necessària per "trencar" o "tallar" la molècula de lactosa en glucosa i galactosa, de manera que la cèl·lula pugui aprofitar aquest disacàrid en les seves parts constituents.
Prop de la dècada de 1960 ja s'havia determinat que la lactosa permeasa i la galactosidasa eren codificades per dos seqüències genètiques adjacents, la regió Z i la regió I, respectivament.
Operó lac és part de l'genoma del bacteri Escherichia coli. Font: NIAID, via Wikimedia Commons
Finalment, el 1961, Jacob i Monod van exposar un model genètic compost per cinc elements genètics:
- Un promotor
- Un operador i
- els gens Z, I i A.
Tots aquests segments es tradueixen en un únic ARN missatger i comprenen les parts essencials per a definir pràcticament a qualsevol operó bacterià a la natura.
Experiments i anàlisi genètica
Jacob, Monod i els seus col·laboradors van realitzar molts experiments amb cèl·lules bacterianes que posseïen mutacions que feien als ceps incapaços de metabolitzar lactosa. Tals ceps s'identificaven amb el nom del cep i la mutació corresponent que posseïen.
D'aquesta manera els investigadors van ser capaços d'identificar que les mutacions en els gens lacZ, que codifica per a la β-galactosidasa, i Lacy, que codifica per a la lactosa permeasa, produïen bacteris de l'tipus lac -, és a dir, bacteris incapaços de metabolitzar lactosa.
A partir d ' "mapeigs genètics" utilitzant enzims de restricció es va determinar posteriorment la ubicació dels gens en les diferents soques, fet que va permetre establir que els tres gens lacZ, Lacy i laca es troben (en aquest ordre) en el cromosoma bacterià en un grup de gens adjacents.
L'existència d'una altra proteïna, anomenada proteïna repressora, que no necessàriament es considera com a "part" de l'operó, va ser dilucidada a través de mutacions d'un gen anomenat lacI-. Aquest codifica per a una proteïna que s'uneix a la regió del "operador" al operó i evita la transcripció dels gens per a la β-galactosidasa i la lactosa permeasa.
Es diu que aquesta proteïna no forma part dels gens que componen a l'operó lac, ja que es situen, en realitat, "aigües amunt" d'aquests últims i són transcrits en ARN missatgers diferents.
Esquema de funcionament de l'operó lac (Font: Barbarossa at Dutch Wikipedia via Wikimedia Commons)
Les soques bacterianes que posseeixen la mutació lacI- expressen "constitutivament" els gens lacZ, Lacy i laca, el que es dóna independentment de la presència o absència de lactosa en l'entorn extracel·lular.
Moltes d'aquestes observacions van ser corroborades mitjançant la transferència dels gens Laci + i lacZ + a una cèl·lula bacteriana que no produïa les proteïnes codificades per aquests gens en un mitjà que no té lactosa.
Ja que els bacteris "transformades" d'aquesta manera només produïen l'enzim β-galactosidasa en presència de lactosa, l'experiment va confirmar que el gen Laci era important per a la regulació de l'expressió de l'operó lac.
funció
El operó lac regula la transcripció dels gens que són necessaris perquè els bacteris assimilin la lactosa com a font de carboni i energia. No obstant això, la transcripció d'aquests gens només passa quan la font d'energia principal correspon als carbohidrats de tipus galactósido.
En les cèl·lules bacterianes existeixen mecanismes que regulen l'expressió dels gens de l'operó lac quan aquestes estan en presència de glucosa o de qualsevol altre sucre més "fàcil" de metabolitzar.
La metabolització d'aquests sucres implica el seu transport a l'interior cel·lular i la seva ruptura o processament posterior.
La lactosa és utilitzada com una font d'energia alterna per als bacteris, ajudant-los a sobreviure fins i tot després que s'esgoten altres fonts d'energia de l'mitjà com la glucosa.
El model de l'operó lac ser el primer sistema genètic d'aquest tipus a ser dilucidat i, per tant, va servir com a base per a descriure molts altres operons en el genoma de diferents tipus de microorganismes.
Amb l'estudi d'aquest sistema es va avançar àmpliament en el coneixement de l'funcionament de les proteïnes de tipus "repressor" que s'uneixen a l'ADN. També es va avançar en l'enteniment dels enzims al·lostèrics i de com actuen selectivament a l'reconèixer un o altre substrat.
Un altre important avanç que va sorgir a partir de l'estudi de l'operó lac va ser l'establiment de la funció crucial que juguen els ARNs missatgers per traduir les instruccions que es troben en l'ADN i també com a pas previ a la síntesi proteica.
referències
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). An introduction to genetic analysis. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LI, & Aquadro, CF (2008). Genetics: from gens to genomes (pp. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery and the lac Operon. Journal of molecular biology, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). The lac operon (pp. 66-67). New York:: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). lac Operon.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Deterministic and stochastic simulation and analysis of biochemical reaction networks: The lactose operon example. In Methods in enzymology (Vol. 487, pp. 371-395). Academic Press.