В генетике оперон — это функционирующая единица ДНК , содержащая кластер генов под контролем одного промотора . [1] Гены вместе транскрибируются в цепь мРНК и либо вместе транслируются в цитоплазме, либо подвергаются сплайсингу для создания моноцистронных мРНК, которые транслируются отдельно, то есть нескольких цепей мРНК, каждая из которых кодирует один генный продукт. В результате гены, содержащиеся в опероне, либо экспрессируются вместе, либо не экспрессируются вообще. Для определения оперона необходимо совместно транскрибировать несколько генов. [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 моноцистронным мРНК.
Опероны также обнаружены в вирусах, таких как бактериофаги . [7] [8] Например, фаги Т7 имеют два оперона. Первый оперон кодирует различные продукты, включая специальную РНК-полимеразу Т7 , 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 небольшой статье в «Записках Французской академии наук» в 1960 году . [10] На основе этой статьи была разработана так называемая общая теория оперона. Эта теория предполагала, что во всех случаях гены внутри оперона находятся под негативным контролем репрессора, действующего на единственный оператор , расположенный перед первым геном. Позже было обнаружено, что гены могут позитивно регулироваться, а также регулироваться на этапах, следующих за инициацией транскрипции. Поэтому говорить об общем механизме регуляции невозможно, поскольку разные опероны имеют разные механизмы. Сегодня оперон просто определяют как группу генов, транскрибируемых в одну молекулу мРНК. Тем не менее, развитие концепции считается знаковым событием в истории молекулярной биологии. Первым описанным опероном был lac- оперон E. coli . [10] Нобелевская премия по физиологии и медицине 1965 года была присуждена Франсуа Жакобу , Андре Мишелю Львоффу и Жаку Моно за открытия, касающиеся синтеза оперонов и вирусов.
Опероны встречаются преимущественно у прокариот , но также редко у некоторых эукариот , включая нематоды , такие 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 соседних структурных генов плюс соседние регуляторные сигналы, 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 родственны регуляронам , стимулонам и модулянам ; 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 его авторов, термин «оперон» произошел 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 инициации транскрипции. Рядом с промотором находится участок ДНК, называемый оператором .
Все структурные гены оперона включаются или выключаются одновременно благодаря одному промотору и оператору, расположенному выше них, но иногда необходим больший контроль над экспрессией гена. Для достижения этого аспекта некоторые бактериальные гены расположены близко друг к другу, но для каждого из них есть определенный промотор; это называется кластеризацией генов . Обычно эти гены кодируют белки, которые работают вместе по одному и тому же пути, например метаболическому пути. Кластеризация генов помогает прокариотической клетке производить метаболические ферменты в правильном порядке. [14] В одном исследовании было высказано предположение, что у Асгарда (архей) гены, кодирующие рибосомальный белок, встречаются в кластерах, организация которых менее консервативна, чем у других архей ; чем ближе Асгард (архея) к эукариотам , тем более рассредоточено расположение генов, кодирующих рибосомальный белок. [15]
Оперон состоит из трех основных компонентов ДНК:
Не всегда включенный в состав оперона, но важный по своей функции регуляторный ген — постоянно экспрессирующийся ген, кодирующий белки-репрессоры . Регуляторный ген не обязательно должен находиться внутри оперона, рядом с ним или даже рядом с ним, чтобы контролировать его. [17]
Индуктор (маленькая молекула) может вытеснить репрессор (белок) из операторного сайта (ДНК), в результате чего образуется неингибированный оперон .
Альтернативно, корепрессор может связываться с репрессором, чтобы обеспечить его связывание с операторным сайтом. Хорошим примером такого типа регуляции является оперон 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 негативной, так и позитивной путем индукции или репрессии. [16]
Негативный контроль включает связывание репрессора с оператором для предотвращения транскрипции.
Оперонами также можно управлять положительно. При положительном контроле белок -активатор стимулирует транскрипцию путем связывания с ДНК (обычно на сайте, отличном от оператора).
Лак - оперон модельной бактерии Escherichia coli был первым открытым опероном и представляет собой типичный пример функции оперона. Он состоит из трех соседних структурных генов , промотора , терминатора и оператора . Лак - оперон регулируется несколькими факторами, включая наличие глюкозы и лактозы . Его можно активировать аллолактозой . Лактоза связывается с белком-репрессором и не позволяет ему подавлять транскрипцию гена. Это пример дерепрессивной ( сверху: негативной индуцируемой) модели. Таким образом, это отрицательный индуцибельный оперон, индуцируемый присутствием лактозы или аллолактозы.
Обнаруженный 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, кодирующий 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 опероне lac лактоза связывается с белком-репрессором и не дает ему подавлять транскрипцию гена, тогда как в опероне trp триптофан связывается с белком-репрессором и позволяет ему подавлять транскрипцию гена. Также в отличие от оперона lac оперон trp содержит лидерный пептид и последовательность аттенюатора , которая обеспечивает ступенчатую регуляцию. [18] Это пример сжимаемой модели.
Число и организация оперонов наиболее критично изучены у E. coli . В результате можно делать прогнозы на основе геномной последовательности организма.
Один метод прогнозирования использует межгенное расстояние между рамками считывания в качестве основного предсказателя количества оперонов в геноме. Разделение просто меняет рамку и гарантирует эффективность чтения. Там, где опероны начинаются и заканчиваются, существуют более длинные участки, часто до 40–50 оснований. [19]
Альтернативный метод прогнозирования оперонов основан на поиске кластеров генов, в которых порядок и ориентация генов сохраняются в двух или более геномах. [20]
Предсказание оперонов становится еще более точным, если учитывать функциональный класс молекул. Бактерии сгруппировали свои рамки считывания в единицы, изолированные за счет совместного участия в белковых комплексах, общих путях или общих субстратах и переносчиках. Таким образом, точное предсказание потребует использования всех этих данных, а это действительно сложная задача.
Лаборатория Паскаля Коссара была первой, кто экспериментально идентифицировал все опероны микроорганизма Listeria monocytogenes . 517 полицистронных оперонов перечислены в исследовании 2009 года, описывающем глобальные изменения транскрипции, происходящие у L. monocytogenes в различных условиях. [21]
