اپران لک چیست؟ – از صفر تا صد

اپران لک، اپرانی در باکتری اشرشیا کلای است که با بیان ژن‌های آن، آنزیم‌های فرآیند تجزیه سلولی لاکتوز ساخته می‌شوند. باکتری‌ها گلوکز را به عنوان منبع اصلی سوخت سلولی خود ترجیح می‌دهند، اما در صورتی که این مونوساکارید در دسترس آن‌ها نباشد و لاکتوز در محیط موجود باشد، این دی‌ساکارید را جذب کرده و آن را به اجزای سازنده‌اش، یعنی گلوکز و گالاکتوز، تجزیه می‌کنند. در این مطلب از مجله فرادرس ضمن آشنایی با اپران لک، با نحوه فعالیت و تنظیم این اپران و همچنین مولکول‌های تاثیرگذار روی فعالیت آن آشنا می‌شویم.

اپران لک

«اپران لک» (Lac Operon) که آن را با نام «اپران لاکتوز» نیز می‌شناسیم، یکی از اپران‌های موجود در ژنوم باکتری اشرشیا کلای (ای. کلای) است. اپران لاکتوز با دارا بودن ۳ ژن در ساختار خود، به عنوان کدکننده آنزیم‌های تجزیه‌کننده لاکتوز شناخته می‌شود، رونویسی از ژن‌ها که مرتبط با این آنزیم‌ها هستند، توسط یک پروموتور کنترل می‌شود. اسامی و ترتیب قرارگیری این آنزیم‌ها، با در نظر گرفتن پروموتور به عنوان مبدا شروع حرکت RNA پلیمراز، به شرح زیر است.

• LacZ
• LacY
• LacA

از نقطه شروع اپران لک تا انتهای آن بیش از ۵۳۰۰ جفت باز وجود دارند که شامل نواحی کدکننده و نواحی غیرکدکننده است. با اتصال آنزیم RNA پلیمراز به پروموتور این اپران، یک مولکول mRNA ساخته می‌شود که حاصل رونویسی از هر سه این ژن‌ها است، به چنین مولکول mRNA که حاصل رونویسی از چند ژن باشد «mRNA پلی‌سیسترونیک» (Polycistronic mRNA) می‌گوییم. با ترجمه این mRNA توسط ریبوزوم، ۳ آنزیم مختلف تولید خواهد شد.

نحوه ساخت این سه آنزیم به این صورت است که روی mRNA پلی‌سیسترونیک چندین کدون آغاز و چندین کدون پایان وجود دارد، بنابراین ریبوزوم با اتصال به اولین کدون آغاز و ترجمه آن تا رسیدن به اولین کدون پایان، نخستین آنزیم را می‌سازد؛ سپس به دومین کدون آغاز رسیده و ترجمه دومین آنزیم را شروع می‌کند تا به کدون پایان مربوط به آن برسد.

اپران چیست؟

بسیاری از ژن‌های کدکننده پروتئین در باکتری‌ها در ساختار‌های اپران قرار دارند. به این صورت که چند ژن توسط یک پروموتور کنترل شده و رونویسی از آن‌ها به طور هم‌زمان انجام می‌شود. به طور معمول پروتئین‌های نهایی ژن‌های اپرانی با یک‌دیگر برای به پیش بردن یک فعالیت همکاری دارند.

برای مثال در اپران لاکتوز ۳ ژن وجود دارند که پروتئین‌های حاصل از رونویسی آن‌ها، به وسیله همکاری با یک‌دیگر به باکتری قابلیت تجزیه و استفاده از لاکتوز را می‌دهند. ازجمله اپران‌های شناخته شده دیگر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• اپران تریپتوفان
• اپران مالتوز

اپران لک که در این مطلب با آن آشنا می‌شویم، شناخته‌شده‌ترین اپران موجود در باکتری‌ها است و بیش از هر اپران دیگری هدف مطالعات علمی قرار گرفته است.

ساختار اپران لک

اپران لک دارای سه ژن و توالی‌های تنظیمی است که توسط پروتئین‌هایی فعال یا مهار می‌شوند. بیان ژن‌های اپران لک به سلول قابلیت تجزیه لاکتوز که یک دی‌ساکارید است را می‌دهد. در جدول زیر تمام اجزایی که در ساختار اپران لک می‌بینیم و پروتئین‌هایی که بر فعالیت اپران لک موثر هستند را معرفی می‌کنیم، سپس در ادامه این بخش با تمام آن‌ها به طور کامل آشنا خواهیم شد.

ژن‌های اپران لک

در اپران لک سه ژن تحت کنترل یک پروموتور هستند که به ترتیب زیر در ساختار ژنوم باکتری قرار دارند.

1. LacZ: ژن سازنده آنزیم بتا گالاکتوزیداز
2. LacY: ژن سازنده لاکتوز پرمئاز
3. LacA: ژن سازنده تیوگالاکتوزید ترنس‌استیلاز

نحوه تنظیم رونویسی از این ژن‌ها، اهمیت بسیار بالایی در مدیریت تولید انرژی از مولکول‌های در دسترس سلول دارد. زمانی که گلوکز در دسترس باکتری ای. کلای نباشد، این باکتری از لاکتوز موجود در محیط به عنوان منبع انرژی استفاده خواهد کرد، بنابراین به بیان ژن‌های اپران لک نیاز دارد. در این بخش قصد داریم هر یک از این ژن‌ها و پروتئینی که کد می‌کنند را بهتر بشناسیم.

LacZ

ژن LacZ کدکننده آنزیم «بتا-گالاکتوزیداز» (Beta-Galactosidase) است. در ساختار این آنزیم ۴ رشته پلی‌پپتیدی وجود دارد که با برقراری برهم‌کنش با یک‌دیگر آنزیمی را به وجود آورده‌اند که نقش اصلی تجزیه لاکتوز را برعهده دارد. این آنزیم قادر است لاکتوز و آلولاکتوز را به آمینواسیدهای ساختاری آن‌ها یعنی گلوکز و گالاکتوز هیدرولیز کند. این آنزیم می‌تواند لاکتوز را به ایزومر خود یعنی آلولاکتوز نیز تبدیل کند.

LacY

ژن LacY نوعی انتقال‌دهنده غشایی به نام «لاکتوز پرمئاز» (Lactose Permease) را رمزگذاری کرده است. این پروتئین قادر به انتقال برگشت‌پذیر گالاکتوزیدهایی مانند لاکتوز به درون سلول است. در حین انتقال لاکتوز به درون سلول یک یون هیدروژن نیز به داخل منتقل می‌شود، به همین دلیل لاکتوز پرمئاز را یک «هم‌سوبر» (Symporter) می‌دانیم.

LacA

ژن LacA آنزیمی به نام «تیوگالاکتوزید ترنس‌استیلاز» (Thiogalactoside Transacetylase) را کد می‌کند که به آن «گالاکتوزید استیل‌ترنسفراز» (Galactoside Acetyltransferase) نیز می‌گویند. این آنزیم قادر به جدا کردن یک گروه استیل از از کوآنزیم A و اضافه کردن آن به ساختار بتا-گالاکتوزیداز است.

نقش این آنزیم در مسیر تجزیه لاکتوز مشخص نیست، اما عملکرد این آنزیم باعث استیلاسیون گالاکتوز شده، در پی این واکنش گالاکتوز به بیرون از سلول فرستاده شده و از ورود دوباره آن جلوگیری می‌شود. با این روش از تجمع بیش از حد این مولکول که می‌تواند آسیب‌زا باشد، پیشگیری می‌شود.

توالی‌های تنظیمی در اپران لک

در ساختار اپران لک علاوه بر ژن‌ها، توالی‌های تنظیمی نیز وجود دارند که قادر به خاموش و روشن کردن اپران در پاسخ به شرایط سلول هستند. منظور از خاموش و روشن کردن اپران، فعالیت یا عدم فعالیت اپران است که در شرایط فعال شاهد رونویسی از ژن‌ها هستیم، در حالی که وقتی اپران خاموش یا غیرفعال باشد، فرآیند رونویسی انجام نمی‌شود. توالی‌های تنظیمی موجود در ساختار اپران لک شامل سه مورد زیر است.

• پروموتور: محل اتصال آنزیم RNA پلیمراز است و به این آنزیم نقطه آغاز رونویسی را نشان می‌دهد.
• اپراتور (Operator Locus | O): در توالی‌های بالادست ژن‌ها قرار دارد و نقشی بسیار مهم و کلیدی در رونویسی از ژن‌‌ها دارد.
• توالی اتصال CAP: پیش از پروموتور توالی وجود دارد که پروتئین CAP به آن متصل می‌شود. موقعیت مکانی این توالی بسیار نزدیک به پروموتور اپران لک است.

پروتئین‌های تنظیمی

در تنظیم فعالیت اپران لک دو پروتئین نقش دارند که یکی از آن‌ها مهارکننده فعالیت اپران و دیگری فعال‌کننده اپران است.

• مهارکننده لک
• CAP

این دو پروتئین به توالی‌های تنظیمی اپران لک متصل می‌شوند، البته اتصال آن‌ها نیز توسط عوامل به خصوصی مانند القاکننده و cAMP، تنظیم می‌شود. در ادامه با این دو پروتئین بیشتر آشنا می‌شویم.

مهارکننده لک

«پروتئین مهارکننده» (Repressor Protein) توسط ژنی ساخته می‌شود که در اپران لک قرار ندارد، به این ژن «LacI» می‌گوییم. حاصل رونویسی و ترجمه این ژن، پروتئینی است که دارای ۴ زیرواحد یکسان است و به آن «مهارکننده لک» (Lac Repressor) می‌گوییم.

در ساختار این پروتئین ۳۶۰ آمینواسیدی، دو جایگاه به خصوص دارند که در ادامه آن دو را معرفی می‌کنیم.

• جایگاه اتصال به DNA: جایگاه به خصوصی که امکان اتصال به توالی اپراتور را به این پروتئین می‌دهد.
• جایگاه القاکننده: به این جایگاه لاکتوز یا آلولاکتوز (آنالوگ ساختاری لاکتوز) متصل می‌شود.

مهارکننده لک قادر به خاموش کردن اپران است، زیرا هنگامی که این پروتئين به توالی اپراتور متصل شود، آنزیم RNA پلیمراز نمی‌تواند رونویسی را شروع کند. اتصال آلولاکتوز به جایگاه مخصوص خود باعث ایجاد تغییراتی در شکل مهارکننده لک می‌شود. نتیجه تغییر کنفورماسیون مولکول این است که مهارکننده لک توانایی اتصال به DNA را از دست می‌دهد. با توجه به تاثیر آلولاکتوز در جدا شدن مهارکننده از توالی اپراتور، به این مولکول «القاکننده» می‌گویند.

در تنظیم رونویسی پروکاریوت‌ها، القاکننده‌ها مولکول‌های کوچکی هستند که باعث بیان یک ژن یا اپران می‌شوند. به اپران‌هایی که در حالت عادی خاموش هستند و به کمک القاکننده‌ها روشن می‌شوند، «اپران القایی» (Inducible Operon) می‌گوییم؛ بنابراین اپران لک نیز یک اپران القایی است.

CAP

«پروتئین فعال‌کننده کاتابولیت» (Catabolite Activator Protein | CAP) یک فاکتور رونویسی است که می‌تواند به توالی مخصوص خود متصل شود. جایگاه اتصال CAP پیش از پروموتور قرار دارد. این فاکتور دارای بخش‌هایی است که می‌توانند با یکی از زیرگروه‌های آنزیم RNA پلیمراز ارتباط برقرار کنند و باعث افزایش احتمال اتصال این آنزیم به پروموتور اپران لک شوند.

CAP به طور مداوم در سلول فعال نیست و نمی‌تواند به DNA متصل شود، در اصل این پروتئین برای آن‌که بتواند به توالی مختص به خود متصل شود، نیاز به اتصال مولکول cAMP به ساختار خود دارد. با پایین آمدن غلظت گلوکز سلول، پیامی ایجاد می‌شود که آن را با نام «پیام گرسنگی» (Hunger Signal) می‌شناسیم. در پاسخ به این پیام ATP توسط فعالیت آنزیم «آدنیلیل سیکلاز» به cAMP تبدیل می‌شود، تا این مولکول با اتصال به CAP، آن را فعال کند. اتصال cAMP به CAP باعث تغییر شکل این پروتئین شده و به این ترتیب، CAP ساختار فضایی مناسبی برای اتصال به توالی DNA را خواهد داشت.

ژن کدکننده CAP نیز یک ژن تنظیمی است. جایگاه این ژن که در کروموزوم باکتری وجود دارد، در اپران لک یا حتی نزدیک این اپران نیست، بنابراین CAP بر بیان ژن تولیدکننده خود تاثیر ندارد.

یادگیری زیست شناسی سلولی با فرادرس

در این مطلب به یک مکانیسم مولکولی در ساختار باکتری اشرشیا کلای پرداختیم. محققان در زیست‌شناسی سلولی به ساختار و فعالیت‌های سلول‌ها می‌پردازند، زیرا سلول‌ها واحد‌های سازنده حیات هستند و برای به دست آوردن تصویری دقیق‌تر از جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، نیاز داریم که واحدهای سازنده حیات آن را بشناسیم.

فرادرس فیلم‌های آموزشی متنوعی در زمینه زیست‌شناسی سلولی و مولکولی تهیه و منتشر کرده است که در ادامه تعدادی از آن‌ها را به شما معرفی می‌کنیم.

• فیلم آموزش زیست شناسی سلولی فرادرس
• فیلم آموزش مبانی و مفاهیم مقدماتی زیست شناسی سلولی و مولکولی فرادرس
• فیلم آموزش اتصالات سلولی فرادرس
• فیلم آموزش یاخته شناسی و بافت شناسی گیاهی پیشرفته فرادرس

فرادرس فیلم‌های آموزشی متنوعی در زمینه زیست‌شناسی سلولی و مولکولی تهیه و منتشر کرده است که می‌توانند از سطوح پایه تا پیشرفته این مبحث را پوشش دهند. در صورتی که تمایل به یادگیری بهتر و سریع‌تر در این زمینه دارید، مشاهده صفحه مجموعه فیلم‌های آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی فرادرس را پیشنهاد می‌کنیم.

•  مجموعه فیلم‌های آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی فرادرس

فعالیت اپران لک

فعالیت اپران لک به دسترسی باکتری به گلوکز و لاکتوز به عنوان سوخت‌های سلول، بستگی دارد. گلوکز سوخت اصلی سلول است و در صورت دسترسی باکتری به این مونوساکارید، از گلوکز برای تولید انرژی استفاده می‌شود.

گاهی ممکن است در محیط زندگی باکتری گلوکز موجود نباشد یا غلظت آن کم شده باشد، در این شرایط اگر لاکتوز در محیط وجود داشته باشد، ای. کلای می‌تواند با روشن کردن اپران لک، لاکتوز را تجزیه کرده و از آن برای تولید انرژی استفاده کند. بنابراین برای روشن شدن اپران لک شرایط زیر باید برقرار باشد.

1. گلوکز در دسترس باکتری نباشد.
2. لاکتوز در محیط کشت باکتری وجود داشته باشد.

در این بخش با روند روشن و خاموش شدن اپران لک بیشتر آشنا خواهیم شد.

اپران لک چطور روشن می‌شود؟

در شرایطی که گلوکز در دسترس سلول نباشد، اما باکتری قادر به جذب لاکتوز از محیط زیست خود باشد، اپران لک روشن می‌شود. به این ترتیب باکتری قادر خواهد بود تا آنزیم‌های مورد نیاز برای تجزیه لاکتوز به مونوساکاریدهای سازنده‌اش، یعنی گالاکتوز و گلوکز را بسازد.

لاکتوز با ورود به سلول توسط آنزیم بتا-گالاکتوزیداز تبدیل به «آلولاکتوز» می‌شود که ایزومر لاکتوز به حساب می‌آید. در اینجا ممکن است یک سوال پیش بیاید که اگر اپران لک پیش از این خاموش بوده است لاکتوز چطور توسط لاکتوز پرمئاز وارد سلول شد و آنزیم بتا-گالاکتوزیداز چه زمانی بیان شد که در این شرایط توانست لاکتوز را به آلولاکتوز تبدیل کند؟

در حقیقت از روی اپران لاکتوز به مقدار بسیار کم و محدودی رونویسی انجام می‌شود و در شرایط عادی نیز لاکتوز پرمئاز و بتا-گالاکتوزیداز را در سلول می‌بینیم، اما این میزان بیان به حدی اندک است که می‌توان اپران لک را خاموش در نظر گرفت.

پس از تبدیل لاکتوز به آلولاکتوز، این مولکول به مهارکننده لک متصل می‌شود. نتیجه این اتصال ایجاد تغییرات کنفورماسیونی در ساختار این مهارکننده و کاهش میل آن به اتصال به ناحیه اپراتور است. بنابراین با اتصال آلولاکتوز به مهارکننده لک، این مهارکننده از اپراتور جدا می‌شود و دیگر مانعی برای حرکت RNA پلیمراز وجود نخواهد داشت.

با اتمام گلوکز در دسترس باکتری، آنزیم «آدنیلیل سیکلاز» فعال می‌شود و ATP را به cAMP تبدیل می‌کند. سپس cAMP به CAP که پروتئين گیرنده cAMP به حساب می‌آید، متصل شده و آن را فعال می‌کند. CAP می‌تواند به جایگاه اتصال منحصر به فرد خود روی توالی DNA متصل شود و باعث افزایش احتمال و سرعت تشکیل کمپلکس آنزیم RNA پلیمراز و اتصال آن به پروموتور اپران لک شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که اتصال cAMP به CAP باعث تنظیم مثبت رونویسی می‌شود.

اپران لک چطور خاموش می‌شود؟

در صورتی که لاکتوز درون سلول وجود نداشته باشد، مهارکننده لاکتوز که در بخش قبل با آن آشنا شدیم، به اپراتور متصل می‌شود و مسیر حرکت آنزیم RNA پلیمراز روی توالی DNA را مسدود می‌کند. در حقیقت این پروتئین نوعی مانع فیزیکی به حساب می‌آید.

فعالیت اپران لک در شرایط مختلف

در بخش قبل با نحوه روشن شدن و خاموش شدن اپران لک آشنا شدیم و یاد گرفتیم که حضور لاکتوز گلوکز اهمیتی کلیدی در روند فعالیت این اپران دارند. در این بخش قصد داریم موقعیت‌های مختلفی که یک باکتری ممکن است تجربه کند را بررسی کنیم.

1. گلوکز در دسترس باشد و لاکتوز در دسترس نباشد.
2. گلوکز و لاکتوز هر دو در دسترس باشند.
3. گلوکز و لاکتوز هر دو در دسترس نباشند.
4. گلوکز در دسترس نباشد و لاکتوز در دسترس باشد.

اپران لک در هر کدام از موقعیت‌های توصیف شده، فعالیت متفاوتی خواهد داشت که در ادامه آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

گلوکز در دسترس باشد و لاکتوز در دسترس نباشد

در این موقعیت از اپران لک رونویسی نمی‌شود و این اپران غیرفعال است. اتفاقاتی که در این شرایط رخ می‌دهند، به شرح زیر هستند.

• مهارکننده لک به اپراتور متصل است و جلوی حرکت RNA پلیمراز را می‌گیرد.
• سطح cAMP موجود در سلول، به دلیل استفاده سلول از گلوکز پایین است.
• CAP غیرفعال باقی می‌ماند و به جایگاه مختص به خود متصل نمی‌شود.

گلوکز و لاکتوز هر دو در دسترس باشند

در این موقعیت اپران لک به مقدار بسیار کمی رونویسی می‌شود. اتفاقاتی که در این موقعیت رخ می‌دهند، به شرح زیر هستند.

• مهارکننده لک به دلیل اتصال آلولاکتوز به آن، از توالی اپراتور جدا می‌شود.
• سطح cAMP موجود در سلول، به دلیل استفاده سلول از گلوکز افزایش نمی‌یابد.
• cAMP به CAP متصل نمی‌شود و این پروتئین نیز قادر به اتصال به جایگاه مخصوص خود نیست.
• سدی مقابل RNA پلیمراز وجود ندارد و می‌تواند از روی ژ‌ن‌ها رونویسی کند اما به دلیل نبود CAP رونویسی به میزان محدودی انجام می‌شود.

گلوکز و لاکتوز هر دو در دسترس نباشند

در این موقعیت اپران لک فعالیتی ندارد و رونویسی انجام نمی‌شود. اتفاقاتی که در سلول در جریان خواهد بود، به شرح زیر هستند.

• سطح cAMP به دلیل کمبود گلوکز بالا می‌رود.
• CAP فعال شده و به توالی مختص به خود متصل می‌شود.
• مهارکننده لک به دلیل نبود آلولاکتوز به اپراتور متصل باقی می‌ماند.
• اتصال مهارکننده لک به عنوان سدی برای حرکت آنزیم RNA پلیمراز عمل می‌کند.

گلوکز در دسترس نباشد و لاکتوز در دسترس باشد

چنین موقعیتی شرایط مطلوب اپران لک برای فعالیت است. اتفاقاتی که در این موقعیت رخ می‌دهند، به شرح زیر هستند.

• آلولاکتوز به مهارکننده لک متصل می‌شود.
• مهارکننده لک از اپراتور جدا می‌شود.
• غلظت cAMP افزایش می‌یابد.
• cAMP به CAP متصل می‌شود.
• کمپلکس CAP-cAMP به جایگاه اتصال CAP متصل می‌شود.
• RNA پلیمراز به پروموتور متصل می‌شود.
• رونویسی از روی ژن‌های اپران لک آغاز می‌شود.

جدول جمع‌بندی فعالیت اپران لک

با بررسی اپران لک، عوامل اثرگذار بر بیان یا عدم بیان ژن‌های این اپران را شناختیم، سپس به بررسی شرایط مختلفی که ممکن است پیش روی این اپران قرار بگیرد پرداختیم. در این قسمت به کمک یک جدول تمام این موقعیت‌های مختلف را جمع‌بندی کرده‌ایم.

مکانیسم تنظیم رونویس در اپران لک

اپران لک نوعی اپران القایی است که در طی روند تنظیم فعالیت آن پروتئین‌هایی برای فعال کردن اپران و همچنین مهارکردن فعالیت اپران وجود دارند. به طور کلی می‌توان گفت که در پروکاریوت‌ها دو نوع فرآیند برای تنظیم رونویسی وجود دارد.

• تنظیم مثبت رونویسی
• تنظیم منفی رونویسی

اپران لک نمونه‌ای از تنظیم منفی رونویسی در باکتری‌ها است. در صورتی که تمایل به آشنایی بیشتر با مکانیسم‌های تنظیم رونویسی را دارید، مطالعه مطلب «تنظیم رونویسی چیست؟ – به زبان ساده» از مجله فرادرس را به شما پیشنهاد می‌دهیم.

کشف فعالیت ژن‌های اپران لک

تا اینجای این مطلب به طور کامل با اپران لک و ساختارهای تنظیم‌کننده فعالیت آن آشنا شدیم، در این بخش قصد داریم به روش کشف این ساختارها بپردازیم. یکی از راه‌های کشف فعالیت یک ژن، ایجاد جهش در توالی ژن و از کار انداختن ژن یا پروتئین حاصل از آن است. با استفاده از همین روش محققان برای درک فعالیت هر یک از ژن‌ها و توالی‌های موجود در اپران لک از ایجاد جهش در آن‌ها استفاده کردند.

در این پروسه باکتری‌های ای. کلای به سه دسته تقسیم شدند که در هر کدام از آن‌ها جهشی متفاوت از دو گروه دیگر ایجاد شده بود. پس از ایجاد جهش و دسته‌بندی، هر دسته را در دو محیط کشت مختلف به منظور بررسی تجمع درون سلولی لاکتوز و همچنین تعیین فعالیت بتا-گالاکتوزیداز کشت دادند.

1. محیط کشتی که فقط حاوی لاکتوز بود.
2. محیط کشتی که فقط حاوی گلوکز بود.

زمانی که باکتری‌ها در محیط کشتی قرار گرفتند که دارای لاکتوز و فاقد گلوکز بود، نتایجی مشاهده شد که در جدول زیر آن‌ها را ارائه می‌دهیم.

نتایج حاصل از قرارگیری باکتری‌های جهش یافته در محیط کشتی که تنها گلوکز داشت و فاقد لاکتوز بود،‌ نتایج متفاوتی را نشان داد که در جدول زیر اطلاعات مربوط به آن را گردآوری کرده‌ایم.

بر اساس داده‌های این آزمایش تعدادی از دانشمندان با همکاری یک‌دیگر نظریه‌ای را ارائه داد که به عنوان «مدل اپران لک در تنظیم بیان ژن پروکاریوت‌ها» شناخته شد. بر طبق این نظریه، اپران به عنوان گروهی از ژن‌ها و عوامل تنظیمی که رونویسی از ژن‌ها را کنترل می‌کنند، شناخته شد. بر اساس این مدل، اپران لک دارای ۲ ژن بود که هر کدام از آن‌ها مسئول تولید دو مورد زیر هستند.

1. بتا-گالاکتوزیداز: توسط ژن lacZ کد می‌شود.
2. گالاکتوزیداز پرمئاز: توسط ژن lacY کد می‌شود.

به طور کلی بر اساس این مدل عقیده داشتند که اپران لک توسط ژن LacI کنترل می‌شود. پروتئین حاصل از رونویسی این ژن، همان مهارکننده لک است که در بخش‌های قبل با آن آشنا شدیم. بنابراین با این آزمایش و طرح فرضیه اپران لک، مسیر تجزیه لاکتوز در باکتری اشرشیا کلای کشف شد و به کمک پژوهش‌های بعدی جزئیات بیشتر این اپران در اختیار محققان قرار گرفت.

نام‌گذاری ژنتیکی

برای توصیف فنوتیپ باکتری‌ها از علائم اختصاری استفاده می‌کنیم که شامل سه حرف هستند. در ادامه تعدادی از علائم اختصاری را به صورت مثال ذکر کرده و توضیح می‌دهیم.

• Lac: توانایی استفاده از لاکتوز
• His: توانایی سنتز آمینواسید هیستیدین
• $$\text{Sm}^R$$: مقاومت نسبت به آنتی‌بیوتیک استرپتومایسین

در شرایطی که قصد توصیف فنوتیپ باکتری را داشته باشیم که در اپران لک آن جهشی ایجاد نشده است و به اصطلاح با «نوع وحشی» (Wild Type) سلول‌های ای. کلای روبه‌رو هستیم، از یک علامت مثبت بالای علامت اختصاری استفاده می‌کنیم و فنوتیپ باکتری را به شکل «$$\text{Lac}^+$$» می‌نویسیم. باکتری با فنوتیپ «$$\text{Lac}^-$$» دارای جهش‌هایی در اپران لک است، بنابراین نمی‌تواند از لاکتوز به عنوان منبع انرژی استفاده کند.

در صورتی که قصد داشته باشیم تنها راجع به فنوتیپ حاصل از فعالیت یکی از ژن‌های اپران صحبت کنیم، می‌توان از نام همان ژن استفاده کرد. در ادامه این موضوع را بیشتر توضیح می‌دهیم.

• lacZ: در صورتی که ژن سالم باشد از «$$\text{lacZ}^+$$» و در صورتی که دارای جهش باشد از «$$\text{lacZ}^-$$» استفاده می‌شود.
• lacY: در صورتی که ژن سالم باشد از «$$\text{lacY}^+$$» و در صورتی که دارای جهش باشد از «$$\text{lacY}^-$$» استفاده می‌شود.
• lacA: در صورتی که ژن سالم باشد از «$$\text{lacA}^+$$» و در صورتی که دارای جهش باشد از «$$\text{lacA}^-$$» استفاده می‌شود.

با توجه به اثر پروتئین‌های فعال‌کننده و مهارکننده بر روی فعالیت اپران لک، می‌توان از همین روش برای توصیف فنوتیپ مربوط به آن‌ ژن‌‌ها نیز استفاده کرد.

جهش در اپران لک

در ژنتیک مولکولی، متداول‌ترین روشی که برای شناسایی فعالیت ژن‌ها وجود دارد، ایجاد جهش در آن‌ها است. پس از ایجاد جهش در یک ژن، اثرات آن در فنوتیپ سلول یا موجود زنده را می‌سنجند. در این بخش به جهش‌هایی که می‌توان در اپران لک به وجود آورد، می‌پردازیم و اثرات هر جهش در فعالیت باکتری را بررسی می‌کنیم. برای انجام این بررسی‌ها نیز از علائم اختصاری که در جدول زیر معرفی می‌کنیم، استفاده خواهیم کرد.

در مورد ژن مهارکننده لک دو نوع جهش متفاوت وجود دارد که فنوتیپ‌های متفاوتی تولید می‌کنند. در صورتی که جهش باعث شود که پروتئین مهارکننده لک تولید نشود، اپران لک دیگر مهار نخواهد شد. ما این نوع جهش را با علامت اختصاری $$\text{I}^-$$ نشان می‌دهیم.

$$\text{I}^s$$ به معنی شرایطی است که ایجاد جهش در ژن مهارکننده باعث تولید پروتئین مهارکننده‌ای می‌شود که توانایی اتصال به توالی اپراتور را دارد، اما لاکتوز نمی‌تواند به این پروتئین متصل شود. بنابراین در صورت اتصال پروتئین مهارکننده به اپراتور، نمی‌توان آن را از این توالی جدا کرد. به این نوع مهارکننده لک «ابر مهارکننده» (Super-Repressor) می‌گویند.

در ادامه به کمک چندین مثال با نحوه بررسی جهش‌ها و فنوتیپ‌های حاصل از آن‌ها آشنا خواهیم شد. اما با توجه به این که فعالیت آنزیم حاصل از رونویسی ‌ژن lacA در مسیر تجزیه لاکتوز مشخص نیست، از بررسی جهش‌های این ژن صرف نظر می‌کنیم.

مثال ۱

در صورتی که در محیط کشت باکتری اشرشیا کلای لاکتوز موجود باشد، فنوتیپ باکتری با ژنوتیپ زیر را توضیح دهید.

$$\text{I}^+ \, \text{P}^- \, \text{O}^+ \, \text{Z}^+ \, \text{Y}^+$$

جواب

ایجاد جهش در پروموتور باعث می‌شود که آنزیم RNA پلیمراز توانایی اتصال به توالی پروموتور را نداشته باشد، بنابراین رونویسی از ژن‌های اپران لک انجام نخواهد شد. در چنین شرایطی حتی اگر لاکتوز در محیط کشت باکتری وجود داشته باشد، باکتری قادر به استفاده از آن نخواهد بود.

مثال ۲

در صورتی که در محیط کشت باکتری اشرشیا کلای لاکتوز موجود باشد، فنوتیپ باکتری با ژنوتیپ زیر را توضیح دهید.

$$\text{I}^s, \text{P}^+ \, \text{O}^+ \, \text{Z}^- \, \text{Y}^+$$

جواب

تولید ابرمهارکننده به این معنی است که رونویسی از اپران برای همیشه خاموش خواهد شد، زیرا پروتئین ابرمهارکننده به نحوی تولید می‌شود که قابلیت اتصال به اپراتور را دارد، اما قابلیت اتصال به لاکتوز را از دست می‌دهد. بنابراین مولکول القاکننده نمی‌تواند باعث بلند شدن این پروتئین از روی توالی اپراتور و به راه افتادن رونویسی شود.

مثال ۳

در صورتی که در محیط کشت باکتری اشرشیا کلای لاکتوز موجود باشد، فنوتیپ باکتری با ژنوتیپ زیر را توضیح دهید.

$$\text{I}^+ \, \text{P}^+ \, \text{O}^c \, \text{Z}^+ \, \text{Y}^-$$

جواب

ایجاد جهش در توالی اپراتور به این معنی است که پروتئین مهارکننده دیگر قادر به اتصال به اپراتور نخواهد بود، بنابراین اپران همیشه روشن خواهد بود. در این توالی علاوه بر جهش در اپراتور، شاهد جهش در ژن lacY نیز هستیم که باعث عدم تولید این پروتئین خواهد شد. نتیجه کلی این دو جهش این است که حتی در حضور پروتئین مهارکننده، اپران لک روشن است و آنزیم بتا-گالاکتوزیداز به طور مستمر تولید می‌شود.

مثال ۴

در صورتی که در محیط کشت باکتری اشرشیا کلای لاکتوز موجود نباشد، فنوتیپ باکتری با ژنوتیپ زیر را توضیح دهید.

$$\text{I}^+ \, \text{P}^+ \, \text{O}^+ \, \text{Z}^+ \, \text{Y}^-$$

جواب

در صورتی که در محیط کشت باکتری لاکتوز حضور نداشته باشد، پروتئین مهارکننده لک به اپراتور متصل خواهد شد و رونویسی از ژن‌های اپراتور را مهار خواهد کرد.

مثال ۵

تصور کنید که کلونی با فنوتیپ‌هایی که در ادامه توضیح می‌دهیم به شما داده می‌شود، ژنوتیپ یا ژنوتیپ‌های محتمل برای باکتری‌های موجود در این کلونی را بنویسید.

• باکتری ای. کلای در حضور لاکتوز، آنزیم‌های بتا-گالاکتوزیداز و پرمئاز را تولید می‌کند.
• باکتری ای. کلای در غیبت لاکتوز، آنزیم‌های بتا-گالاکتوزیداز و پرمئاز را تولید نمی‌کند.

جواب

موقعیت توصیف شده مطابق با شرایط طبیعی اپران لک است. بنابراین ژنوتیپ اپران لاکتوز به صورت $$\text{I}^+ \, \text{P}^+ \, \text{O}^+ \, \text{Z}^+ \, \text{Y}^+$$ می‌باشد.

مثال ۶

تصور کنید که کلونی با فنوتیپ‌هایی که در ادامه توضیح می‌دهیم به شما داده می‌شود، ژنوتیپ یا ژنوتیپ‌های محتمل برای باکتری‌های موجود در این کلونی را بنویسید.

• باکتری ای. کلای در حضور لاکتوز، آنزیم‌های بتا-گالاکتوزیداز و پرمئاز را تولید نمی‌کند.
• باکتری ای. کلای در غیبت لاکتوز، آنزیم‌های بتا-گالاکتوزیداز و پرمئاز را تولید نمی‌کند.

جواب

برای این فنوتیپ می‌توان سه ژنوتیپ را محتمل در نظر گرفت که در ادامه هر سه را توضیح خواهیم داد.

1. $$\text{I}^+ \, \text{P}^- \, \text{O}^+ \, \text{Z}^+ \, \text{Y}^+$$: در صورتی که توالی پروموتور دچار جهش باشد، در حضور یا غیبت لاکتوز از روی اپران لک رونویسی انجام نخواهد شد، زیرا آنزیم RNA پلیمراز توانایی اتصال به پروموتور را نخواهد داشت.
2. $$\text{I}^s \, \text{P}^+ \, \text{O}^+ \, \text{Z}^+ \, \text{Y}^+$$: در صورت تولید ابرمهارکننده، اپران لک برای همیشه خاموش می‌شود و حضور یا عدم حضور لاکتوز تاثیری بر روند رونویسی از آن نخواهد داشت.
3. $$\text{I}^+ \, \text{P}^+ \, \text{O}^+ \, \text{Z}^- \, \text{Y}^-$$: یکی دیگر از شرایط محتمل این است که هر دو ژن مربوط به تولید بتا-گالاکتوزیداز و پرمئاز دچار جهش شده باشد و با وجود سالم و بی‌نقص بودن توالی‌های تنظیمی، آنزیم‌های اپران لک تولید نشوند.

مکانیسم‌ دیگر تنظیم فعالیت اپران لک

اپران لک تنها از طریق اتصال مهارکننده لک به اپراتور تنظیم نمی‌شود، غلظت گلوکز خارج سلولی نیز می‌تواند بیان اپران لک را از طریق روشی تنظیم کند که به آن «اثر گلوکز» (Glucose Effect) می‌گوییم. این سیستم به غیرفعال کردن اپران لک کمک می‌کند. سیستمی به نام «سیستم فسفوانول‌پیروات: کربوهیدرات فسفوترنسفراز» (Phosphoenolpyruvate: Carbohydrate Phosphotransferase System | PTS) دو فعالیت را به طور همزمان انجام می‌دهد.

1. انتقال گلوکز
2. فسفریلاسیون گلوکز

این سیستم گلوکز فسفریله شده را وارد سلول می‌کند و نقشی کلیدی روی اثر گلوکز و بیان اپران لک دارد. انتقال گروه فسفات از فسفوانول‌پیروات به گلوکز در ۲ مرحله انجام می‌شود که توسط پروتئین‌های مختلفی انجام می‌شوند. در ادامه این دو مرحله را توضیح می‌دهیم.

1. گروه فسفریل توسط آنزیم ۱ و HPr از فسفوانول پیروات جدا شده و از آن برای فسفریله شدن آنزیم ۲ استفاده می‌شود.
2. آنزیم ۲ که «EIIAGlc» نام دارد، می‌تواند گلوکز را به سلول وارد کند.

با افزایش گلوکز محیط، میزان انتقال این مونوساکارید به سلول توسط EIIAGlc بالا می‌رود. فرم دفسفریله EIIAGlc (فرم بدون فسفات آنزیم) به LacY متصل می‌شود و جلوی تشکیل لک پرمئاز را می‌گیرد. با توجه به فعالیت لک پرمئاز که لاکتوز را به سلول وارد می‌کرد، می‌توان گفت که سد شدن مسیر سنتز این انتقال‌دهنده باعث جلوگیری از ورود لاکتوز به درون سلول باکتری می‌شود.

کاهش ورود لاکتوز نیز به معنی پایین آمدن غلظت مولکول القادهنده است، این اتفاق را با عنوان «حذف انتقال‌دهنده» (Inducer Exclusion) می‌شناسیم. حذف انتقال‌دهنده باعث می‌شود که سلول تنها از گلوکز به عنوان سوخت اصلی خود استفاده کند.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس با ساختار و فعالیت اپران لک آشنا شدیم که یک اپران القایی در باکتری اشرشیا کلای است. به کمک آنزیم‌هایی که از رونویسی ژن‌های اپران لک ساخته می‌شوند، باکتری قادر به تجزیه لاکتوز است. منبع اصلی انرژی در ای. کلای، گلوکز است اما در صورتی که این مونوساکارید در دسترس نباشد و در محیط لاکتوز موجود باشد، اپران لک روشن شده و آنزیم‌های مسیر تجزیه لاکتوز تولید می‌شوند. در این اپران سه ژن مختلف وجود دارد که با عناوین زیر شناخته می‌شوند.

1. Lac Z
2. Lac Y
3. Lac A

برای تنظیم رونویسی این ژن‌ها از توالی‌های تنظیمی (پروموتور، اپراتور و جایگاه اتصال CAP) و پروتئین‌های تنظیمی مانند مهارکننده لک و CAP کمک گرفته می‌شود. در این مطلب علاوه بر آن‌که با موقعیت‌های مختلفی که پیش روی این اپران است آشنا شدیم، تاثیر جهش‌های مختلف روی بخش‌های گوناگون اپران لک را نیز شناختیم.