1

OperonulLAC

Datoriteficieneimetabolice,glucozareprezintsursadecarbonpreferatpentrumajoritateacelulelor,inclusivcelebacteriene.nafardeglucozns,multespeciibacterieneaucapacitateadeafolosioseriedealtezaharuricasursdecarbon,atuncicndnmediunuexist,saunumaiexist,glucoz.Altfel spus, atunci cnd o populaie de celule bacteriene sunt crescute ntrunmediu ceconinemaimultetipuridezaharuriprintrecareiglucoz,bacteriilevorepuizantiglucozaiabiaapoivortrecelametabolizareaaltorzaharuri(Santillan,2008).

Oastfeldesursalternativdecarbonestereprezentatdelactoz.Cainaltesituaii,geneleimplicate nmetabolizarea lactozei sunt grupate n cromozomul bacterian ntro structur de tipoperonicpeontinderedeaproximativ6000pb,denumitoperonulLAC(prescurtaredelalactoz).

Studiul sistemului LAC a nceput la sfritul deceniului patru al secolului trecut la InstitutulPasteurdinParis,dectreJacquesMonodicolaboratoriisi.ncdelanceputulsecoluluiXXsetiafaptul c anumite enzime microbiene se formau numai n prezena substratului specific. Acestfenomen, denumit atunci adaptare enzimatic, a fost ulterior redefinit i redenumit inducieenzimatic.Trebuie nssubliniat faptulc nperioadarespectivnuera nccunoscutstructuraaciduluideoxiribonucleic,setiapuindesprestructuraproteinelorimainimicdesprebiosintezalor.

StructuraifuncionareagenelordinoperonulLACdincromozomuldeEscherichiacoli

Operonul LACde laE.coli cuprindegene cepermit celulelorbacterieneutilizarea lactozei casursdecarbon,atuncicnd nmediunuexistglucoz.Acestoperonesteformatdinurmtoarelegene:

- treigenestructurale(lacZ,lacY,lacA),transcrisepolicistronicdelaunpromotordenumitPlac;- ogenareglatoare(lacI),transcrismonocistronicdelapromotorulPi- secvene reglatoare, unele cu rol n represia, altele n activarea transcrierii genetice de la

promotorulPlac

Celetreigenelestructuralecodificpentrutreienzimeimplicatenmetabolismullactozei:- genalacZcodificproteinagalactozidaz(denumitiproteinaLacZ),alcreimonomerareogreutatemolecular de 125.000 dal; aceast enzim funcioneaz ns sub form de tetramer (~500.000 dal) i rupe legturile galactozidice din interiorul moleculei de lactoz, conducnd lascindareaei nglucozigalactoz,avndcareaciesecundar izomerizarea lactozeicuformaredeallolactoz(dinreacierezultigalactobioz)(Fig.1).- genalacYcodificproteinagalactozidpermeaza(LacY,ceare~30.000dal);esteoproteinceselocalizeaz nmembrana celular i este implicat n transportul activ al lactozei dinmediu sprecelul;

2

+

lactoza glucoza galactoza a)

b)

Fig.1a)Scindareamoleculeidelactoznglucozigalactoz;b)structuraallolactozei.- gena lacAcodificproteinagalactozidtransacetilaza (LacA)(30.000dal);sub formdedimer,aceastenzimesteimplicatintransferulgrupriiacetilde lalaacetilcoenzimaA(acetilCoA)laolegaturgalactozidic.

Aceste treigene structurale sunt cotranscrise (printrunprocesde transcrierepolicistronic)porninddelaunacelaipromotor,denumitPlac.

GenareglatoarelacIcodificproteinaLacIcarearerolderepresor,avndcapacitateadeaselega la secvene de tip operator. Camajoritatea genelor reglatoare de la bacterii, gena lac I arepromotorpropriu(Pi)i,deci,estetranscris independentdegenelestructuralealeoperonuluiLAC(printrunprocesdetranscrieremonocistronic)(Fig.2).

lac I Plac lac Z lac Y lac A1111 pb 3063 pb 800 pb800 pb

cAMP~CAP

Lac I

PI t tO1 2O3O

Lac Y-galactozid- permeaz

Lac A-galactozid-transacetilaz

Lac Z-galactozidazLac I

Fig.2ReprezentareaschematizataoperonuluiLAC.

ExpresiagenelorstructuraledelapromotorulPlacesteinfluenatmajordeunsetdesecvene

reglatoarei,respectiv,deataareaanumitorproteine,laacestesecvene:- treisecvenedetipoperatorO1,O2iO3,centratenpoziiile:

O1are21pb,centratnpoziia+11O2localizatla401pbnavaldeO1O3localizatla92pbnamontedeO1

- osecvenlacareseataeazproteinaCAP,secvenlocalizatntre72pbi50pb

3

ProteinarepresorLacIseataeazcadimer laoricaredinceletreisecveneoperator.Efectulderepresieeste nsdiferit:ataarea laO1scadeexpresiagenelorstructuralede18ori, ntimpceataarealaO2sauO3afecteaznesemnificativexpresia.

Pe de alt parte ns, dimerii de Lac I au o afinitate chimic crescut ridicat unul pentrucellalt,conducnd la formareaunuitetramerdeLac I. naceastsituaie, formareaunuitetramerLacIntreO1iO2scadeiniiereatranscrieriidelaPlacde700deoriintreO1iO3,de440deori.

Reglajulexpresieicelortreigenestructurale

Expresiacelor treigenestructuraledinoperonulLACeste reglatattpozitiv,ct inegativ.Existdoumecanismemetabolicecaresedesfoarsimultanicaresuntimplicateattnreglajulpozitiv, ct i n cel negativ.Astfel, atunci cnd nmediu exist glucoz, expresia celor trei genestructuraleesterepresatprindoumecanismedereglajnegativceacioneazsimultan:

a) RepresiebazatperepresorCteundimerdeproteinLacIseleaglasecveneleoperatorO1i,respectiv,O3(Fig.);ceidoidimeriseatragprinafinitatechimic,determinndformareaunuitetrameri,implicit,formareaunei bucle nmolecula deADN; formarea acestei bucle determin imposibilitatea legriiARNpolimerazei la secvena promotor Plac; ca urmare, aceast bucl a fost denumit bucl derepresie(Fig.3).

lacPromotorul P

Dimerul represorului Lac I atasat la cei doi operatori

lacPromotorul P

Dimerul represorului Lac I atasat la cei doi operatori

Fig.3FormareabucleiderepresieprinataareadimeruluirepresoruluiLacIlaceledousecvenedetip

operatorO1iO3;seblocheazastfelaccesulARNpolimerazeilapromotorulPlac.b) ProteinaactivatoresteinactivLa majoritatea operonilor implicai n utilizarea unor surse alternative de carbon, fixareasubunitiiCTDaARNpolimerazei la secvenapromotornecesit interveniaproteineiCAP(CataboliteActivatorProtein;maiestecunoscutisubnumeledeCRP=CataboliteRegulationProtein,).nprealabilns,aceastproteintrebuiesfieactivatprinataareauneimoleculedeadenozinmonofosfatciclic(AMPc,cAMP).

4

Attatimpnsctncelulconcentraiadeglucozestesuficientdemare,concentraiaAMP(i,deci,iaformeiciclice)estemic,nfavoareaadenozintrifosfatului(ATP).Caatare,proteinaCAPnuesteactivat,iartranscriereadelapromotorulPlacnupoatefiiniiat.Mult timp sa discutat despre un aanumit paradox al induciei n cazul operonului LAC,

datoritfaptuluicnuseputeaexplicaintrareamoleculelordelactozncelulatuncicndoperonulse afla n stare represat (nu era sintetizat nici proteina Lac A ce are funcie de galactozidpermeaziestedecinecesarintrriincelulabacterianamoleculelordelactoz).

Experimente ulterioare au dovedit c i operonul LAC, ca de altfel foarte muli operonibacterieni,nuesterepresattotal:chiari nstarerepresat,operonulLACesteexprimatlaunnivelbazal, ce reprezint a 70a parte din nivelul normalde expresie. Este ns important de subliniatfaptulcmoleculeledeglucozaflate nmediulextracelularseataeaz lagalactozidpermeaz,blocndaccesullactozeilaacestreceptortransmembranar.

Atuncicndseterminglucozadinmediulextracelular,darrmnedisponibillactozacasursdecarbon,operonulLACesteactivattotprindoumecanismedereglajsimultane,darreglajpozitiv;lanivelmolecular,acestedoumecanismereprezintreversulcelordoumecanismederepresie.

a) ActivareprinrepresiarepresoruluiNivelul bazal de expresie a operonului LAC asigur totui cteva molecule din proteinelecodificatedeceletreigenestructuraleLacZ,LacY,LacA.Acestnivelsczutalcelor3proteinepermite ns intrarea n celula auneimici cantitide lactoz.Pede altparte, atunci cndsubstratul, respectiv, lactoza, se gsete ntro concentraie foarte sczut n celul,galactozidaza (LacZ)desfoaroaanumit reaciesecundar,scindndsubstratul nallolactoz igalactobioz.Alolactozaeste inductorulprincipalpentruoperonulLAC,deoareceareafinitateridicatpentrudimerulrepresoruluiLac I, lacareseataeazdeterminnddesfacereatetramerului de Lac I i deschiderea buclei de represie. Acest fapt permite ataarea ARNpolimerazeilapromotorulPlaciiniiereatranscrierii.b) ActivareaproteineiactivatorCeldealdoileamecanismimplicactivareaproteineiCAPprinlegareacAMP.Astfel,atuncicndscadeconcentraiacelulardeglucoz,scadeiconcentraiadeATP,nfavoareaAMP,respectivcAMP. Creterea concentraiei de cAMP determin activarea proteinei CAP (cu formareacomplexelorcAMP~CAP)careseataeaz lamoleculadeADNifixeazisubunitateaCTDaARNpolimerazei lasitusulUPdinpromotorulPlac.Astfelesteactivat iniiereatranscrieriide lapromotorulPlacacelortreigenestructuralelacZ,lacYilacA(Fig.4).Studiimolecularemai recente indicprezenaapatrupromotoricecontroleaz transcrierea

regiunii lacZYA,dintrecareunulparesaibfunciedepromotorcentralP1, iarceilalitreisuntmaislabiP2,P3iP4(XiongXF,1991.EschenlauerAC,1991).

5

CAP

CAP

-CTD

-CTD

miezul ARN pol

miezul ARN pol(-62)(-45)

(-63)

(-42)

(-40......+20)

(-40......+20)

A.

B.

Fig.4ActivareatranscrieriiprinataareaproteineiCAP.

VeziexplicaiapentruA.iB.ntext.

ComplexedeactivareatranscrieriidecatreCAP~ARNpollapromotorideclasIiII.OperoniiactivaideCAPsempartndougrupe:

A. laaceioperonilacaresitusuldeataareaproteineiCAPestesituatnamontefadesitusuldeataareaARNpol(clasaI),activareaarelocatuncicndproteinaCAPataeazceledousubunitiCTD;

B. laadouacategorie(clasaII)situsuldeataareaproteineiCAPestecentratnpoziia42,iarproteinaCAPinteracioneazfiecuNTD,fiecusubunitateasigmaaARNpol(regiunea4asubunitii sigma, regiune care se ataeaz la hexamerul 35); la aceti promotorisubunitateaCTDpoate interaciona singur cu regiunea specificdinADN carededataaceastaestesituatmainamonte(63).