Az operon-modell a sejtekgénexpresszió szabályozásának egyik módját leíró modell. Az operon általi génreguláció a sejtek gyors és hatékony alkalmazkodását teszi lehetővé az adott környezeti feltételekhez. Eredetileg kizárólag a prokarióták szabályozási módjának tartották, a 90-es évek eleje óta azonban több eukarióta szervezetben (pl. C. elegans-ban és ecetmuslicában) is leírtak operon révén szabályozott géneket.[1]
Az operon jellegzetessége, hogy egy szabályzó régió egyszerre több, a DNS-en egymás után kódolt fehérje szintézisét szabályozza. A DNS-ről képződő mRNS átirat tartalmazza az operon által szabályozott összes fehérje kódját (ún. policisztronos mRNS). Az így szintetizált fehérjék általában jellemzően egy adott feladat elvégzéséhez szükségesek (pl. a triptofán szintéziséhez)
Számtalan operont írtak már le, de történetileg a laktóz operon (lac-operon) és a triptofán operon (trp-operon) a legérdekesebbek.
Az operon-modellt először 1960-ban javasolták a Francia Tudományos Akadémia lapjában. Az eredeti modell szerint minden génkifejeződését operonok szabályozzák egy egyszerű feedback (visszacsatolásos) mechanizmussal, amit repressziónak neveztek el. Később a kutatók rájöttek, hogy valójában a génszabályozás jóval bonyolultabb ennél, nem is igazán lehet általános sémát felállítani, mivel az egyes operonok különböző szabályozó mechanizmusokkal rendelkezhetnek. Az első leírt operon a laktóz operon (lac-operon) volt, amelyet E. coliban fedeztek fel. 1965-ben François Jacob, André Lwoff és Jacques Monod megosztva kaptak Nobel-díjat a génszabályozás terén elért eredményeikért, részben az operon-modell felállításáért.
A génszabályozás feladata annak eldöntése, hogy a sejtben mely gének expressziója történjen meg a DNS-ről. Nem mindegy ugyanis, hogy a sejt mire „költi” a forrásait, mire használja fel energiatartalékait. Ha például sok triptofán (amely egy fontos aminosav) kerül a sejtbe, akkor teljesen felesleges további triptofánt szintetizálni, így az ezt végző enzimek nem fognak keletkezni és működni. Viszont ha kevés a triptofán, akkor aktív génátírásra kerül sor, hogy a trp-szintetizáló enzimek fedezni tudják a sejt triptofán-szükségleteit.
Az operon eredetileg a prokariótagének regulációs egysége, amely egy promóter, egy operátor, és rendszerint több struktúrgén régióból áll. Újabban eukarióták körében is leírták, pl. C.elegans-ban, Drosophila-ban, de gerinchúrosok (Chordata-k) esetében is. Eukariótákban is gyakori például, hogy így íródnak át az rRNS-gének.
A promóter régió a struktúrgénektől upstream irányban (az értelmes szálon a struktúrgénektől 5' irányban) helyezkedik el. A promóter régióhoz kötődik az RNS-polimeráz, és itt történik meg az iniciáció.
Az operátor régió a promóter és a struktúrgének között elhelyezkedő DNS-szakasz. Ehhez a régióhoz kötődnek az átírást szabályozó fehérjék, az ún. transzkripciós faktorok. Ezek lehetnek serkentő (aktivátor), vagy gátló (represszor) hatásúak.
A struktúrgének az adott szabályozórégió által együtt szabályozott gének. A DNS-en egymás után helyezkednek el, az RNS-polimeráz egyetlen hosszú, az adott promóterhez tartozó összes struktúrgént tartalmazó mRNS-t szintetizál (policisztronos mRNS).
Egyéb kisebb, nemfehérje molekulák, metabolitok is szerepet játszhatnak a génexpresszióban. Ezek rendszerint allosztérikus, szerkezeti változtatásokkal módosítják a génátírást, típus szerint megkülönböztetünk itt is gátló (korepresszor) és serkentő (induktor) ágenseket.
Az operonok részleteikben rendkívül változatos szabályozással rendelkezhetnek, azonban négy fő csoportot különböztethetünk meg köztük. Egyrészt az operon lehet pozitívan vagy negatívan szabályozott, a szerint, hogy a transzkripciós faktor kötődése az operátor régióhoz serkenti vagy gátolja a struktúrgének kifejeződését. E szerint a transzkripciós faktorok lehetnek serkentő hatású aktivátorok, vagy gátló hatású represszorok. Másrészt az operonok lehetnek indukálható vagy represszálható típusúak. E szerint a négy fő szabályozási típus:
Negatív indukálható operon: Az ilyen típusú operon operátor régiójához normálisan egy represszor kötődik, ami gátolja a transzkripciót. Ha azonban jelen van egy ún. inducer molekula (ez lehet fehérje, vagy más típusú molekula is), az hozzákötődik a represszorhoz, amely így elengedi a promótert, és megindulhat a transzkripció.
Negatív represszálható operon: Ennél a típusnál a represszor alapesetben nem kötődik az operátorhoz, így a transzkripció folyamatosan zajlik. Ha azonban jelen van a sejtben egy ún. korepresszor molekula, az hozzákötődik a represszorhoz, amely így képes lesz az operátor régióhoz kötni, és gátolja a átírást.
Pozitív indukálható operon: Az aktivátor fehérje alapesetben nem kötődik az operátorhoz, így nem tudja serkenteni a transzkripciót. Ha azonban jelen van egy inducer molekula, az az aktivátorhoz kötődve lehetővé teszi annak kötődését az operátorhoz, amely így a transzkripció megindulását serkenti.
Pozitív represszálható operon: Az aktivátor alapesetben kötődik a promóterhez, és így serkenti a transzkripciót. Ha azonban jelen van egy gátló inhibitor molekula, az aktivátorhoz kötődve megakadályozza, hogy az az operátorhoz kötődjön, és így serkentse az átírást.
A lac-operon működésének egyszerűsített modellje: 1: RNS-polimeráz, 2: represszor, 3: promóter, 4: operátor, 5: laktóz (inducer), 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA. Fent: laktóz hiányában a represszor kötődik az operátorhoz, és gátolja a transzkripciót. Lent: A laktóz hozzákötődik a represszorhoz, amely így elengedi az operátort, és megindulhat a transzkripció. Az ábrán nem szerepel az operon cAMP és CAP fehérje általi szabályozása
Ha E. colibaktériumglükózt tartalmazó táptalajban él, akkor a glükóz-bontó enzimek aktívak, más lebontó anyagcsere-út nincs jelen. Ha a glükóz helyett laktózt biztosítunk a sejteknek, akkor megjelennek a laktózt lebontó enzimek, melyek a tejcukrot képesek hasznosítani. Ennek az aránylag gyors alkalmazkodási folyamatnak a genetikai magyarázatát a lac-operon-modell segítségével érthetjük meg.
A lac-operon egy DNS szakaszt jelöl, mely egy promóter, egy operátor, és három strukturális génből épül fel. Ez a három struktúrgén a laktóz-katabolizmusban fontos enzimek génjei:
lac-Z, mely a β-galaktozidáz enzimet kódolja, ami a laktózt hasítja glükózra és galaktózra.
lac-Y, mely a laktóz-permeázt kódolja, ami a laktóz felvételét segíti
lac-A, mely a β-galaktóz-transzacetilázt kódolja, aminek pontos funkciója még nem ismert
További fontos szabályozó elemek a laktóz-represszor fehérje (lac-represszor), egy CAP-fehérje (catabolit activator protein) és a cAMP molekulája.
A lac-operon kettős szabályozás alatt áll: a glükóz és a laktóz mennyisége határozza meg a transzkripció mértékét. Ennek megfelelően 4 esetet különbözetünk meg:
glükóz van, laktóz nincs: a glükóz-bontó enzimek természetesen aktívak, viszont a lac-represszor fehérje a lac-operon operátor régiójához kapcsolódik, ezért ott nincs átírás, tehát laktóz-bontó enzimek nem keletkeznek
glükóz van, laktóz van: a glükóz-metabolizmus ismét aktív, a lac-represszort viszont maga a laktóz inaktiválja, tehát a laktóz-enzimek is szintetizálódhatnának, viszont ez újfent nem történik meg, mivel a lac-operon promótere önmagában „gyenge”, nem képes „magához csalogatni” az RNS-polimerázt
glükóz nincs, laktóz van: a glükóz-metabolizmus inaktiválódik, és a glükóz hiány beindít egy enzimet (adenil-cikláz), mely ATP-ből ciklikus AMP-t (cAMP-t) készít, ami pedig a CAP fehérjével komplexet képezve transzkripciós faktorként a lac-promóterhez kötődik, serkentve az átírást; mivel a lac-represszort a laktóz már inaktiválta, megkezdőzhet a lac-enzimek szintézise (enzimindukció)
glükóz nincs, laktóz nincs: bár a cAMP-CAP komplex a promóterhez kötődik, a transzkripció gátolt az operátorhoz csatlakozó lac-represszor miatt
A triptofán operon szabályozása a represszor és a triptofán koncentráció révén
Míg a lac-operon egy lebontó anyagcsereutat szabályoz, a trp-operon egy felépítő utat indukálhat. A triptofán egy aminosav, mely bizonyos fehérjék felépítésében vesz részt.
A trp-operon egy promóter és egy operátor régióból (mely itt a promóteren belül lokalizálódik), egy ún. leader-szekvenciából és öt struktúrgénből áll. Működését tekintve két fő dologban különbözik a lactól. Egyrészt a lac-operon negatív indukálható operon, vagyis a laktóz kötődése a represszorhoz serkenti a fehérjeszintézist. Ezzel szemben a trp-operon negatív represszálható operon, vagyis a Trp kötődése a represszorhoz gátolja a fehérjeszintézist. Másrészt a trp-operonban nemcsak az átírás kezdetét (iniciáció) lehet szabályozni, hanem a végét is (termináció). Ez utóbbi folyamatot attenuációnak nevezzük, és a leader-szekvencia révén megy végbe. A szabályozás tehát két szinten történhet:
iniciáció-szintjén: ha nincs trp, akkor történhet transzkripció, így a trp-szintézis megindul; ha van trp a rendszerben, akkor az inaktív trp-represszor fehérje trp-nal kapcsolódva aktiválódik, megtörténik az operátor régióhoz való kötődés, és a transzkripció gátolt lesz (génrepresszió)
Az attenuáció folyamata a triptofán operonban termináció szintjén: attenuáció; az attenuációt az teszi lehetővé, hogy a prokariótakban az mRNS leolvasása (transzláció) a transzkripció befejezése előtt megkezdődik, vagyis amíg az RNS-polimeráz az mRNS 3’ végét készíti, az mRNS másik, 5’ végén már elkezdődik a transzláció. Mivel egy időben és térben történik, a transzláció befolyásolhatja a transzkripciót. A trp-operon transzkripciója a trpL (leader szekvencia) átírásával kezdődik. A leader szekvencia mRNS-e tartalmaz 4 rövid szakaszt (1-4-ig), amelyek részben komplementerek egymással. Így az 1. szakasz részben komplementer a 2. szakasszal, a 2. szakasz részben komplementer a 3. szakasszal és a 3. szakasz részben komplementer 4. szakasszal. Ezek a szakaszok 3 különböző módon kapcsolódhatnak össze: 1-2, 2-3 és 3-4. Az 1-2 hibridizációja értelemszerűen kizárja a 2.-3.; a 2.-3. hibridizációja értelemszerűen kizárja a 3.-4. szakasz hibridizációját. Az, hogy melyik két szakasz hibridizálódik, a transzláció kezdeti sebességétől függ. A transzláció kezdeti sebességét az 1. szekvenciában található páros triptofán kodon határozza meg. Ha a sejt számára könnyen elérhető a triptofán, akkor van elegendő triptofánt szállító tRNS is, így a transzláció normálisan (gyorsan) halad. Ezzel ellentétben, ha a sejtben hiány van a triptofánból, a triptofánt szállító tRNS-ek megérkezésére várni kell. Amíg nem érkeznek meg a Trp-tRNS-ek, a riboszóma nem tud továbblépni, így a transzláció kezdete lassú. Ha van elegendő triptofán, a riboszóma gyorsan áthalad az 1. szakaszon, és gyorsan eléri a 2-es szakaszt. Így az 1-2 és a 2-3 szakaszok nem tudnak hibridizálódni - a transzláció kezdetétől távolabbi 3 és 4-es szakasz viszont összekapcsolódhat. A 3-4 szakasz hibridizációja az RNS-polimerázhoz közeli mRNS szakaszon történik, így a konformációváltozás hatással van az RNS-polimerázra: leválik a DNS-ről, a transzkripció befejeződik. A 3-4-es szakasz hibridizációjának hatására tehát az RNS-polimeráz még azelőtt disszociál, hogy a struktúrgénekről mRNS készülhetett volna. A triptofán szintetáz nem expresszálódik. Ha nincs elegendő triptofán, a riboszóma lassan halad át az 1. szakaszon, így a 2-3 szakasz hibridizál. Az okozott konformációváltozás nem befolyásolja a transzkripciót, mivel az RNS-polimeráztól távoli mRNS szakaszt érint. A 2-3 szakasz kapcsolódása ráadásul kizárja a 3-4. szakaszok összekapcsolódását. Így a transzkripció zavartalaul folytatódik, a struktúrgénekről mRNS átirat készül, a triptofán szintetáz expresszálódik.