В генетике оперон — это функционирующая единица ДНК , содержащая кластер генов под контролем одного промотора . [1] Гены транскрибируются вместе в нить мРНК и либо транслируются вместе в цитоплазме, либо подвергаются сплайсингу для создания моноцистронных мРНК, которые транслируются отдельно, т. е. нескольких цепей мРНК, каждая из которых кодирует один продукт гена. Результатом этого является то, что гены, содержащиеся в опероне, либо экспрессируются вместе , либо не экспрессируются вообще. Несколько генов должны быть ко-транскрибированы, чтобы определить оперон. [2]
Первоначально считалось, что опероны существуют исключительно у прокариот (включая такие органеллы , как пластиды , происходящие от бактерий ), но их открытие у эукариот было показано в начале 1990-х годов, и они считаются редкими. [3] [4] [5] [6] В целом, экспрессия прокариотических оперонов приводит к образованию полицистронных мРНК, тогда как эукариотические опероны приводят к образованию моноцистронных мРНК.
Опероны также встречаются в вирусах, таких как бактериофаги . [7] [8] Например, фаги T7 имеют два оперона. Первый оперон кодирует различные продукты, включая специальную РНК-полимеразу T7 , которая может связываться со вторым опероном и транскрибировать его. Второй оперон включает ген лизиса, призванный вызвать взрыв клетки-хозяина. [9]
Термин «оперон» был впервые предложен в короткой статье в Трудах Французской академии наук в 1960 году. [10] Из этой статьи была разработана так называемая общая теория оперона. Эта теория предполагала, что во всех случаях гены внутри оперона отрицательно контролируются репрессором, действующим на один оператор, расположенный перед первым геном. Позже было обнаружено, что гены могут положительно регулироваться, а также регулироваться на этапах, которые следуют за инициацией транскрипции. Поэтому невозможно говорить об общем механизме регуляции, поскольку разные опероны имеют разные механизмы. Сегодня оперон просто определяется как кластер генов, транскрибированных в одну молекулу мРНК. Тем не менее, разработка этой концепции считается знаковым событием в истории молекулярной биологии. Первым описанным опероном был lac оперон в E. coli . [10] Нобелевская премия по физиологии и медицине 1965 года была присуждена Франсуа Жакобу , Андре Мишелю Львову и Жаку Моно за их открытия, касающиеся синтеза оперона и вирусов.
Опероны встречаются в основном у прокариот , но также редко у некоторых эукариот , включая нематод, таких как C. elegans и плодовую мушку Drosophila melanogaster . [3] Гены рРНК часто существуют в оперонах, которые были обнаружены у ряда эукариот, включая хордовых . Оперон состоит из нескольких структурных генов, расположенных под общим промотором и регулируемых общим оператором. Он определяется как набор смежных структурных генов, а также смежных регуляторных сигналов, которые влияют на транскрипцию структурных генов. 5 [12] Регуляторы данного оперона, включая репрессоры , корепрессоры и активаторы , не обязательно кодируются этим опероном. Расположение и состояние регуляторов, промотора, оператора и структурных последовательностей ДНК могут определять эффекты общих мутаций.
Опероны связаны с регулонами , стимулонами и модулянами ; тогда как опероны содержат набор генов, регулируемых одним и тем же оператором, регулоны содержат набор генов, регулируемых одним регуляторным белком, а стимулоны содержат набор генов, регулируемых одним клеточным стимулом. По мнению авторов, термин «оперон» происходит от глагола «оперировать». [13]
Оперон содержит один или несколько структурных генов , которые обычно транскрибируются в одну полицистронную мРНК (одну молекулу мРНК, которая кодирует более одного белка ). Однако определение оперона не требует, чтобы мРНК была полицистронной, хотя на практике это обычно так. [6] Выше структурных генов находится промоторная последовательность, которая обеспечивает сайт для связывания РНК-полимеразы и инициирования транскрипции. Рядом с промотором находится участок ДНК, называемый оператором .
Все структурные гены оперона включаются или выключаются вместе из-за одного промотора и оператора выше по течению от них, но иногда требуется больший контроль над экспрессией генов. Чтобы достичь этого аспекта, некоторые бактериальные гены расположены рядом друг с другом, но для каждого из них есть определенный промотор; это называется кластеризацией генов . Обычно эти гены кодируют белки, которые будут работать вместе в одном и том же пути, например, метаболическом пути. Кластеризация генов помогает прокариотической клетке вырабатывать метаболические ферменты в правильном порядке. [14] В одном исследовании было высказано предположение, что в Asgard (археях) гены, кодирующие рибосомальный белок, встречаются в кластерах, которые менее консервативны в своей организации, чем в других Archaea ; чем ближе Asgard (археи) к эукариотам , тем более дисперсным является расположение генов, кодирующих рибосомальный белок. [15]
Оперон состоит из трех основных компонентов ДНК:
Не всегда включен в оперон, но важен в своей функции регуляторный ген , постоянно экспрессируемый ген, который кодирует белки-репрессоры . Регуляторный ген не обязательно должен находиться в опероне, рядом с ним или даже около него, чтобы контролировать его. [17]
Индуктор (малая молекула ) может вытеснять репрессор (белок) из операторного участка (ДНК), в результате чего оперон становится незаторможенным.
В качестве альтернативы, корепрессор может связываться с репрессором, чтобы позволить ему связываться с сайтом оператора. Хороший пример такого типа регуляции можно увидеть для оперона trp .
Контроль оперона — это тип регуляции генов , который позволяет организмам регулировать экспрессию различных генов в зависимости от условий окружающей среды. Регуляция оперона может быть как отрицательной, так и положительной, путем индукции или репрессии. [16]
Отрицательный контроль подразумевает связывание репрессора с оператором для предотвращения транскрипции.
Опероны также могут контролироваться положительно. При положительном контроле белок- активатор стимулирует транскрипцию, связываясь с ДНК (обычно в месте, отличном от оператора).
Оперон lac модельной бактерии Escherichia coli был первым открытым опероном и представляет собой типичный пример функции оперона. Он состоит из трех смежных структурных генов , промотора , терминатора и оператора . Оперон lac регулируется несколькими факторами, включая доступность глюкозы и лактозы . Он может быть активирован аллолактозой . Лактоза связывается с белком-репрессором и не дает ему подавлять транскрипцию гена. Это пример дерепрессируемой ( выше: отрицательно индуцируемой) модели. Таким образом, это отрицательно индуцируемый оперон, индуцируемый присутствием лактозы или аллолактозы.
Открытый в 1953 году Жаком Моно и его коллегами, оперон trp в E. coli был первым открытым репрессируемым опероном. В то время как оперон lac может быть активирован химическим веществом ( аллолактозой ), оперон триптофана (Trp) ингибируется химическим веществом (триптофаном). Этот оперон содержит пять структурных генов: trp E, trp D, trp C, trp B и trp A, который кодирует триптофансинтетазу . Он также содержит промотор, который связывается с РНК-полимеразой, и оператор, который блокирует транскрипцию при связывании с белком, синтезируемым геном-репрессором (trp R), который связывается с оператором. В lac опероне лактоза связывается с белком-репрессором и не дает ему подавлять транскрипцию гена, тогда как в trp опероне триптофан связывается с белком-репрессором и позволяет ему подавлять транскрипцию гена. Также в отличие от lac оперона, trp оперон содержит лидерный пептид и последовательность аттенюатора , что позволяет осуществлять градуированную регуляцию. [18] Это пример модели corepressible .
Количество и организация оперонов были изучены наиболее критически в E. coli . В результате, прогнозы могут быть сделаны на основе геномной последовательности организма.
Один из методов прогнозирования использует межгенное расстояние между рамками считывания в качестве первичного предиктора числа оперонов в геноме. Разделение просто изменяет рамку и гарантирует, что считывание будет эффективным. Существуют более длинные участки, где опероны начинаются и заканчиваются, часто до 40–50 оснований. [19]
Альтернативный метод прогнозирования оперонов основан на поиске кластеров генов, где порядок и ориентация генов сохраняются в двух или более геномах. [20]
Прогнозирование оперона становится еще точнее, если учитывать функциональный класс молекул. Бактерии сгруппировали свои рамки считывания в единицы, изолированные совместным участием в белковых комплексах, общих путях или общих субстратах и транспортерах. Таким образом, точное прогнозирование включало бы все эти данные, что является действительно сложной задачей.
Лаборатория Паскаля Коссара была первой, кто экспериментально идентифицировал все опероны микроорганизма Listeria monocytogenes . 517 полицистронных оперонов перечислены в исследовании 2009 года, описывающем глобальные изменения в транскрипции, которые происходят в L. monocytogenes при различных условиях. [21]
