בקרת ביטוי גנים בפרוקריוטיים

בקרה על פעולת הגנים בכל תא של כל אורגניזם קיים מידע גנטי זהה. בכל תא בא לידי ביטוי רק חלק מן המידע. זהו חלק הכרחי לקיום התא ולתפקודו. גן מתבטא על ידי תוצר ביולוגי שלו, הקיים בתא ופעיל בו. http://www.amalnet.k12.il/sites/genetic/frm_articles.htm

איך מתבצעת הבקרה על ביטוי הגנים? מנגנוני בקרה שולטים על הביטוי הייחודי של הגנים בכל תא ועל דיכויים של גנים אחרים באמצעות חלבוני בקרה. הפיקוח על ביטוי הגנים נעשה ברמות בקרה שונות: 1. רמת הדנ"א 2. רמת התיעתוק 3. רמת הרנ"א 4.רמת התרגום 5.רמת החלבון

-תיאורית מודל האופרון Jacob and Monod, 1961 ראשית המחקר להבנת מנגנוני הבקרה האחראיים על פעולת הגנים נעשתה בחיידקים, בגלל פשטות המבנה שלהם ונוחות גידולם במעבדה

בקרה באופרון הלקטוז בפרוקריוטים - שינוי בסביבה החיצונית משפיע מידית על התבטאות הגנים שבתאים. למשל חיידקי המעיים מסוג אשריכיה קוליE. coli- מסוגלים להתרבות על מצע מזון שבו מקור הפחמן והאנרגיה הוא גלוקוז אבל בהיעדרו של גלוקוז הם יכולים לחיות גם על מצע של לקטוז (דו סוכר). כאשר מגדלים את החיידקים על מצע מזון שאין בו לקטוז, האנזים ביתא - גלקטוזידאז המפרק לקטוז לגלוקוז וגלקטוז אינו מיוצר. כאשר מעבירים את החיידקים למצע מזון שמכיל לקטוז, תוך זמן קצר נוצר האנזים מחדש.

פירוק הלקטוז לגלוקוז וגלקטוז על ידי האנזים ביתא-גלקטוזידאז פירוק הלקטוז לגלוקוז וגלקטוז על ידי האנזים ביתא-גלקטוזידאז

אופרון אופרון (operon) הוא צבר גנים (cluster genes) שביטויים מבוקר ע"י רצפי בקרה משותפים. כל הגנים באופרון נמצאים בשכנות, ומתועתקים כיחידת mRNA אחת ולכן נמצאת תחת בקרת שעתוק משותפת. הגנים בקבוצה הם לרוב בעלי תפקיד משותף במנגנון מטבולי, למשל קבוצת גנים הדרושים לסינתזה של חומצת אמינו מסוימת.

מבנה אופרון הלקטוז קטע של כרומוזום שמכיל גנים מבניים שמקודדים ליצירת כמה אנזימים. ובנוסף גם אזור בקרה שמבקר את פעולתם של הגנים המבניים.

מבנה אופרון הלקטוז - המשך הגנים בדנ"א מתחלקים לשתי קבוצות עיקריות: גנים מבניים - הם גנים המקודדים לחלבונים או לתוצרי רנ"א. גנים מווסתים - גנים המקודדים לחלבונים השותפים בבקרת גנים אחרים, תוצרי גנים אלו נקראים חלבונים מווסתים (regulatory protein) .

ביטוי קבוע לעומת ביטוי משתנה ישנם חלבונים המתבטאים באופן קבוע בתא ללא קשר לפעילות התא נקראים חלבוני קבע . ישנם חלבונים שקצב ייצורם בתא משתנה בהתאם לצרוף תנאים מסוים נקראים חלבונים בני- השראה .

מבנה אופרון הלקטוז - המשך הגנים המבניים נמצאים על גבי הכרומוזום של החיידק, והם קרובים זה לזה; הם מתועתקים לרנ"א ומתורגמים לשלושת החלבונים המבניים כיחידה אחת. ( האנזים ביתא גלקטוזידאז, האנזים פרמיאז, ואנזים נוסף שחשיבותו טרם הובהרה). אזור הבקרה המצוי באופרון מכיל כמה אתרים: אתר מקדם - פרומוטר. אל האתר הזה נקשר האנזים רנ"א- פולימראז והוא שמתחיל בפעולת התעתוק של שלושת הגנים המבניים אתר מפעיל – אופרטור (operator)

מבנה אופרון הלקטוז - המשך סמוך לאופרון הלקטוז נמצא גן מווסת (rotaluger). הגן הזה מקודד ליצירת חלבון מווסת. החלבון המווסת יכול להתקשר לאופרטור, אתר מפעיל, שנמצא באזור הבקרה ולווסת את תהליכי התעתוק והתרגום.

אזורי הבקרה באופרון הלקטוז אתר מקדם Lac P) ) אתר הקישור לרנ"א פולמראז. מכאן מתחיל התעתוק של הגנים המבניים. גן מווסת Lac I מייצר חלבון דכאן בקצב קבוע . חלבון דכאן נקשר לאתר מפעיל Operator)), כך הוא חוסם את התעתוק ע"י האנזים רנ"א פולימראז. אתר מפעיל- אתר קישור לחלבון הדכאן

גנים מבנים באופרון הלקטוז Lac Z - מקודד לאנזים β גלקטוזידאז, המפרק את הלקטוז לגלוקוז ולגלקטוז. Lac Y – מקודד לחלבון נשא ממברנלי המאפשר את כניסת הלקטוז לתא. Lac A - מקודד לאנזים β - galactoside transacetylase ,, המעביר קבוצת אצטיל מאצטיל CoA ל- β - galactosides מוטציה בגן Lac A אינה פוגעת בקליטת לקטוז ופירוקו , לכן חשיבתו בתוך מערך אופרון הלקטוז עדין לא ברורה.

CAP - חלבון מפעיל , חלבון ה- CAP נקשר למולקולת cAMP התצמיד CAP-cAMP נקשר לאתר המקדם ומסייע להגביר את תהליך התעתוק.

מנגנון הפעולה של אופרון הלקטוז תהליך הבקרה במצע שאינו מכיל לקטוז כאשר מצע המזון אינו מכיל לקטוז, מולקולת החלבון הדכאן קשורה לאופרטור ולכן דרכו של האנזים רנ"א-פולימראז חסומה ותעתוק הגנים באופרון לא מתבצע. http://www.hs.ph.biu.ac.il/prokaryotes/anim.shtml

מנגנון הפעולה של אופרון הלקטוז - המשך א. בנוכחות לקטוז הלקטוז משמש גם כמקור פחמן וגם כגורם בקרה, המשרה את יצירתם של האנזימים. הלקטוז משמש כמשרן ב. בהיעדר לקטוז http://www.hs.ph.biu.ac.il/prokaryotes/anim.shtml

מבנה אופרון הלקטוז - המשך

אנימציות סרטון מתורגם http://www.hs.ph.biu.ac.il/prokaryotes/anim.shtml http://www.hs.ph.biu.ac.il/prokaryotes/background.shtml http://www.amalnet.k12.il/sites/genetic/frm_articles.htm

ולסיכום: האנזים לפירוק לקטוז נוצר רק כשיש בו צורךבאמצעות: בקרה חיובית – החלבון המווסת גורם לתחילת תיעתוק האופרון. בקרה שלילית – החלבון המווסת מונע את תיעתוק האופרון.