Il lac operon è un gruppo di geni strutturali la cui funzione è quella di codificare le proteine coinvolte nel metabolismo del lattosio. Sono geni che sono ordinati consecutivamente nel genoma di quasi tutti i batteri e sono stati studiati con uno sforzo speciale nel batterio "modello" Escherichia coli.
L'operone lac era il modello utilizzato da Jacob e Monod nel 1961 per proporre arrangiamenti genetici sotto forma di operone. Nel loro lavoro, questi autori hanno descritto come l'espressione di uno o più geni potrebbe essere “attivata” o “disattivata” in conseguenza della presenza di una molecola (lattosio, per esempio) nel mezzo di crescita.
Schema generale dell'operone lac. Tereseik. Lavoro derivato dell'immagine G3pro. Traduzione spagnola di Alejandro Porto.
I batteri che crescono in terreni di crescita ricchi di composti carboniosi o zuccheri diversi dal lattosio, come glucosio e galattosio, possiedono quantità molto basse delle proteine necessarie per la metabolizzazione del lattosio.
Quindi, in assenza di lattosio, l'operone viene "spento", impedendo alla RNA polimerasi di trascrivere il segmento del gene corrispondente all'operone lac. Quando la cellula "rileva" la presenza di lattosio, l'operone viene attivato e questi geni vengono normalmente trascritti, operazione nota come "accensione" dell'operone.
Tutti i geni dell'operone sono tradotti in un'unica molecola di RNA messaggero e, quindi, qualsiasi fattore che regola la trascrizione di questo RNA messaggero dell'operone lac regolerà direttamente la trascrizione di qualsiasi gene che gli appartiene.
Scoperta
La teoria di Jacob e Monod si è sviluppata in un contesto in cui si sapeva molto poco sulla struttura del DNA. Ed è che solo otto anni prima che Watson e Crick avessero fatto la loro proposta sulla struttura del DNA e dell'RNA, così che gli RNA messaggeri erano appena conosciuti.
Jacob e Monod negli anni Cinquanta avevano già dimostrato che il metabolismo batterico del lattosio era geneticamente regolato da due condizioni ben precise: la presenza e l'assenza di lattosio.
Entrambi gli scienziati avevano osservato che una proteina con caratteristiche simili a un enzima allosterico era in grado di rilevare la presenza di lattosio nel mezzo e che una volta rilevato lo zucchero, veniva stimolata la trascrizione di due enzimi: una permeasi di lattosio e una galattosidasi.
Oggigiorno è noto che la permeasi ha funzioni nel trasporto del lattosio nella cellula e che la galattosidasi è necessaria per "rompere" o "tagliare" la molecola di lattosio in glucosio e galattosio, in modo che la cellula può trarre vantaggio da questo disaccaride nelle sue parti costituenti.
Negli anni '60 era già stato determinato che la permeasi di lattosio e la galattosidasi erano codificate da due sequenze genetiche adiacenti, rispettivamente la regione Z e la regione Y.
Lac operon fa parte del genoma del batterio Escherichia coli. Fonte: NIAID, tramite Wikimedia Commons
Infine, nel 1961, Jacob e Monod presentarono un modello genetico composto da cinque elementi genetici:
- Un promotore
- Un operatore e
- geni Z, Y e A.
Tutti questi segmenti sono tradotti in un unico RNA messaggero e comprendono le parti essenziali per definire praticamente qualsiasi operone batterico in natura.
Analisi ed esperimenti genetici
Jacob, Monod e i loro collaboratori hanno condotto molti esperimenti con cellule batteriche che presentavano mutazioni che rendevano i ceppi incapaci di metabolizzare il lattosio. Tali ceppi sono stati identificati dal nome del ceppo e dalla corrispondente mutazione che possedevano.
In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di identificare che le mutazioni nei geni lacZ, che codifica per la β-galattosidasi, e lacY, che codifica per la permeasi del lattosio, hanno prodotto batteri di tipo lac, cioè batteri incapaci di metabolizzare il lattosio. .
Dalla "mappatura genetica" utilizzando enzimi di restrizione è stata successivamente determinata la posizione dei geni nei diversi ceppi, che ha permesso di stabilire che i tre geni lacZ, lacY e lacA si trovano (in quest'ordine) sul cromosoma batterico in un gruppo di geni adiacenti.
L'esistenza di un'altra proteina, chiamata proteina repressore, che non è necessariamente considerata come una "parte" dell'operone, è stata chiarita attraverso mutazioni in un gene chiamato lacI-. Codifica una proteina che si lega alla regione "operatore" nell'operone e impedisce la trascrizione dei geni per β-galattosidasi e permeasi di lattosio.
Si dice che questa proteina non faccia parte dei geni che compongono l'operone lac, poiché si trovano effettivamente "a monte" di quest'ultimo e sono trascritti in diversi RNA messaggeri.
Schema dell'operone lac (Fonte: Barbarossa su Wikipedia in olandese tramite Wikimedia Commons)
I ceppi batterici che possiedono la mutazione lacI esprimono "costitutivamente" i geni lacZ, lacY e lacA, che si verificano indipendentemente dalla presenza o assenza di lattosio nell'ambiente extracellulare.
Molte di queste osservazioni sono state confermate trasferendo i geni lacI + e lacZ + a una cellula batterica che non produceva le proteine codificate da questi geni in un mezzo privo di lattosio.
Poiché i batteri "trasformati" in questo modo producevano solo l'enzima β-galattosidasi in presenza di lattosio, l'esperimento ha confermato che il gene lacI era importante per la regolazione dell'espressione dell'operone lac.
Funzione
Il lac operon regola la trascrizione dei geni necessari ai batteri per assimilare il lattosio come fonte di carbonio ed energia. Tuttavia, la trascrizione di questi geni avviene solo quando la principale fonte di energia corrisponde ai carboidrati di tipo galattoside.
Nelle cellule batteriche esistono meccanismi che regolano l'espressione dei geni dell'operone lac quando sono in presenza di glucosio o di qualsiasi altro zucchero più facilmente metabolizzabile.
La metabolizzazione di questi zuccheri comporta il loro trasporto all'interno della cellula e la loro successiva scomposizione o trasformazione.
Il lattosio viene utilizzato come fonte di energia alternativa per i batteri, aiutandoli a sopravvivere anche dopo che altre fonti di energia nell'ambiente come il glucosio si sono esaurite.
Il modello dell'operone lac è stato il primo sistema genetico del suo genere ad essere chiarito e quindi è servito come base per descrivere molti altri operoni nel genoma di diversi tipi di microrganismi.
Con lo studio di questo sistema, sono stati fatti molti progressi nella comprensione del funzionamento delle proteine di tipo “repressore” che si legano al DNA. Sono stati inoltre compiuti progressi nella comprensione degli enzimi allosterici e di come agiscono selettivamente quando riconoscono l'uno o l'altro substrato.
Un altro importante progresso derivato dallo studio dell'operone lac è stato l'istituzione del ruolo cruciale che gli RNA messaggeri svolgono nella traduzione delle istruzioni trovate nel DNA e anche come passaggio precedente alla sintesi proteica.
Riferimenti
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