Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης
Τεύχος Β΄ · Κεφ. 2 · Οπερόνιο της λακτόζης · Ρύθμιση στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς
Γιατί να φτιάχνεις εργαλεία που δεν χρειάζεσαι;
Το βακτήριο E. coli ζει στο έντερό σου. Τις περισσότερες ώρες δεν «βλέπει» λακτόζη· μόλις όμως πιεις ένα ποτήρι γάλα, η λακτόζη φτάνει και το βακτήριο πρέπει να φτιάξει γρήγορα τα ένζυμα για να τη διασπάσει. Να τα φτιάχνει συνέχεια θα ήταν σπατάλη ενέργειας και υλικών. Πώς «ξέρει» πότε να ανάψει και πότε να σβήσει τα γονίδιά του;
Γιατί χρειάζεται ρύθμιση
Ένα κύτταρο δεν εκφράζει ταυτόχρονα όλα τα γονίδιά του. Η σύνθεση πρωτεϊνών που δεν χρειάζονται θα ήταν σπατάλη ενέργειας και πρώτων υλών. Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης εξασφαλίζει ότι κάθε γονίδιο εκφράζεται όταν, όπου και όσο χρειάζεται.
Ρύθμιση στους προκαρυωτικούς: το οπερόνιο της λακτόζης
Το βακτήριο E. coli μπορεί να χρησιμοποιήσει τη λακτόζη ως πηγή ενέργειας. Χρειάζεται τρία ένζυμα, τα γονίδια των οποίων βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο και ελέγχονται μαζί. Το οπερόνιο της λακτόζης αποτελείται από:
- τον υποκινητή, όπου προσδένεται η RNA πολυμεράση,
- τον χειριστή, μια αλληλουχία DNA ανάμεσα στον υποκινητή και στα γονίδια,
- τα τρία δομικά γονίδια των ενζύμων, που μεταγράφονται σε ένα κοινό μόριο mRNA.
Πριν από το οπερόνιο βρίσκεται το ρυθμιστικό γονίδιο, με δικό του υποκινητή, που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη-καταστολέα και εκφράζεται συνεχώς.
Πώς λειτουργεί
- Απουσία λακτόζης: ο καταστολέας προσδένεται στον χειριστή και εμποδίζει την RNA πολυμεράση να μεταγράψει τα δομικά γονίδια. Τα ένζυμα δεν παράγονται.
- Παρουσία λακτόζης: η λακτόζη προσδένεται στον καταστολέα και αλλάζει τη στερεοδιάταξή του, ώστε να μην μπορεί να προσδεθεί στον χειριστή. Η RNA πολυμεράση μεταγράφει τα τρία γονίδια και παράγονται τα ένζυμα. Η λακτόζη λειτουργεί ως επαγωγέας.
- Όταν η λακτόζη διασπαστεί, ο καταστολέας ξαναπροσδένεται στον χειριστή και η μεταγραφή σταματά.
Η ρύθμιση γίνεται σε επίπεδο μεταγραφής — ο πιο οικονομικός τρόπος, αφού δεν σπαταλώνται πόροι ούτε για mRNA.
Ο καταστολέας είναι φρουρός που κάθεται στην πόρτα (τον χειριστή) και δεν αφήνει την RNA πολυμεράση να περάσει. Όταν έρθει η λακτόζη, «δωροδοκεί» τον φρουρό: προσδένεται πάνω του, εκείνος αλλάζει σχήμα και φεύγει από την πόρτα — η μεταγραφή ξεκινά.
Σε ένα στέλεχος E. coli ο καταστολέας δεν μπορεί να προσδεθεί στον χειριστή λόγω μετάλλαξης. Τι θα συμβεί;
Το μοντέλο του οπερονίου διατυπώθηκε το 1961 από τους François Jacob και Jacques Monod, που μελετούσαν πώς το E. coli προσαρμόζεται στη λακτόζη. Μαζί με τον André Lwoff πήραν το Νόμπελ Ιατρικής του 1965 — ήταν η πρώτη εξήγηση για το πώς ένα κύτταρο «ανάβει» και «σβήνει» γονίδια.
Ρύθμιση στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς
Στους πολυκύτταρους ευκαρυωτικούς οργανισμούς όλα τα σωματικά κύτταρα έχουν το ίδιο γενετικό υλικό, αλλά κάθε τύπος κυττάρου εκφράζει διαφορετικά γονίδια — αυτό είναι η βάση της κυτταρικής διαφοροποίησης (π.χ. μόνο τα πρόδρομα ερυθροκύτταρα παράγουν αιμοσφαιρίνη).
Η ρύθμιση γίνεται σε πολλά επίπεδα:
- Μεταγραφή (το σημαντικότερο): με τους μεταγραφικούς παράγοντες, που καθορίζουν αν και πόσο θα μεταγραφεί ένα γονίδιο.
- Ωρίμανση του πρόδρομου mRNA.
- Μετάφραση: π.χ. μέσω της διάρκειας ζωής του mRNA στο κυτταρόπλασμα.
- Μετά τη μετάφραση: με τροποποιήσεις που ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν την πρωτεΐνη.
Τα ευκαρυωτικά γονίδια κατά κανόνα δεν οργανώνονται σε οπερόνια· κάθε γονίδιο μεταγράφεται σε δικό του mRNA.
Μέθοδος: ερωτήσεις μεταλλάξεων στο οπερόνιο
- Ποιο στοιχείο πειράζεται; Ρυθμιστικό γονίδιο, χειριστής, υποκινητής ή δομικό γονίδιο;
- Ρυθμιστικό γονίδιο → καταστολέας μη λειτουργικός (ή απών) → συνεχής έκφραση.
- Χειριστής που δεν αναγνωρίζεται από τον καταστολέα → συνεχής έκφραση.
- Υποκινητής που δεν αναγνωρίζεται από την RNA πολυμεράση → καμία έκφραση, ακόμη και με λακτόζη.
- Καταστολέας που δεν προσδένει λακτόζη → μένει μόνιμα στον χειριστή → καμία έκφραση.
- Μετάλλαξη σε ένα δομικό γονίδιο → επηρεάζεται μόνο το αντίστοιχο ένζυμο.
Παράδειγμα 1: Γιατί σε περιβάλλον χωρίς λακτόζη το E. coli δεν συνθέτει τα ένζυμα διάσπασής της;
Λύση: Επειδή ο καταστολέας, προϊόν του ρυθμιστικού γονιδίου, είναι προσδεμένος στον χειριστή και εμποδίζει την RNA πολυμεράση να μεταγράψει τα δομικά γονίδια. Έτσι το βακτήριο εξοικονομεί ενέργεια και πρώτες ύλες, αφού τα ένζυμα δεν χρειάζονται.
Παράδειγμα 2: Ένα ηπατικό και ένα νευρικό κύτταρο του ίδιου ατόμου παράγουν διαφορετικές πρωτεΐνες. Έχουν διαφορετικά γονίδια;
Λύση: Όχι. Όλα τα σωματικά κύτταρα προέρχονται με μιτώσεις από το ζυγωτό και έχουν το ίδιο DNA. Διαφέρουν στα γονίδια που εκφράζουν, λόγω της ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης, κυρίως σε επίπεδο μεταγραφής μέσω μεταγραφικών παραγόντων.
Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Καλλιεργούνται τρία στελέχη E. coli σε θρεπτικό υλικό χωρίς λακτόζη:
- Στέλεχος 1: φυσιολογικό.
- Στέλεχος 2: μετάλλαξη στο ρυθμιστικό γονίδιο, με αποτέλεσμα μη λειτουργικό καταστολέα.
- Στέλεχος 3: μετάλλαξη στον υποκινητή του οπερονίου, που δεν αναγνωρίζεται από την RNA πολυμεράση.
(α) Σε ποιο στέλεχος θα ανιχνευθούν τα ένζυμα της λακτόζης; (β) Τι θα συμβεί αν προστεθεί λακτόζη στο στέλεχος 3;
Λύση:
(α) Μόνο στο στέλεχος 2. Στο 1 ο καταστολέας είναι προσδεμένος στον χειριστή και εμποδίζει τη μεταγραφή. Στο 2 ο καταστολέας δεν λειτουργεί, οπότε η RNA πολυμεράση μεταγράφει συνεχώς τα δομικά γονίδια, ανεξάρτητα από τη λακτόζη. Στο 3 η RNA πολυμεράση δεν μπορεί να προσδεθεί στον υποκινητή.
(β) Και πάλι δεν θα παραχθούν ένζυμα. Η λακτόζη απομακρύνει τον καταστολέα από τον χειριστή, όμως η μεταγραφή προϋποθέτει την πρόσδεση της RNA πολυμεράσης στον υποκινητή, που λόγω της μετάλλαξης δεν γίνεται.
Ποιο είναι το κύριο επίπεδο ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς;
Ποιο στοιχείο του οπερονίου της λακτόζης κωδικοποιεί πρωτεΐνη;
Τέσσερα στελέχη E. coli καλλιεργούνται σε θρεπτικό υλικό με λακτόζη (ως μοναδική πηγή άνθρακα):
- 1: φυσιολογικό.
- 2: μετάλλαξη στο ρυθμιστικό γονίδιο — ο καταστολέας δεν μπορεί να προσδεθεί στη λακτόζη.
- 3: μετάλλαξη στον χειριστή — ο καταστολέας δεν μπορεί να προσδεθεί σε αυτόν.
- 4: μετάλλαξη στον υποκινητή — η RNA πολυμεράση δεν προσδένεται.
(α) Ποια στελέχη παράγουν τα ένζυμα διάσπασης της λακτόζης; (β) Ποιο στέλεχος δεν μπορείς να ξεχωρίσεις από το φυσιολογικό σε αυτό το υλικό, και ποιο πείραμα θα το ξεχώριζε;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) 1: ναι — η λακτόζη προσδένεται στον καταστολέα, που απομακρύνεται από τον χειριστή. 2: όχι — ο καταστολέας μένει μόνιμα στον χειριστή, όση λακτόζη κι αν υπάρχει· το στέλεχος δεν μπορεί να αξιοποιήσει τη λακτόζη. 3: ναι — ο χειριστής είναι πάντα «ελεύθερος». 4: όχι — χωρίς πρόσδεση της RNA πολυμεράσης στον υποκινητή δεν γίνεται μεταγραφή, ανεξάρτητα από τον καταστολέα.
(β) Το 3: με λακτόζη συμπεριφέρεται όπως το φυσιολογικό. Θα το ξεχωρίσεις σε υλικό χωρίς λακτόζη: το φυσιολογικό δεν παράγει τα ένζυμα, ενώ το 3 τα παράγει συνεχώς.
- «Ο καταστολέας προσδένεται στον υποκινητή.» Προσδένεται στον χειριστή.
- «Το ρυθμιστικό γονίδιο εκφράζεται μόνο χωρίς λακτόζη.» Εκφράζεται συνεχώς.
- «Η λακτόζη ενεργοποιεί την RNA πολυμεράση.» Η λακτόζη απενεργοποιεί τον καταστολέα.
- «Κάθε κύτταρο έχει μόνο τα γονίδια που εκφράζει.» Όλα έχουν ίδιο DNA· διαφέρουν στην έκφραση.
- Οπερόνιο λακτόζης: υποκινητής, χειριστής, 3 δομικά γονίδια → ένα mRNA· ρυθμιστικό γονίδιο → καταστολέας (συνεχώς).
- Χωρίς λακτόζη: καταστολέας στον χειριστή, καμία μεταγραφή· με λακτόζη: η λακτόζη αλλάζει τη στερεοδιάταξη του καταστολέα, μεταγραφή.
- Μη λειτουργικός καταστολέας ή χειριστής → συνεχής έκφραση· μη λειτουργικός υποκινητής → καμία.
- Ευκαρυωτικά: ίδιο DNA σε όλα τα κύτταρα, διαφορετική έκφραση (διαφοροποίηση).
- Επίπεδα ρύθμισης: μεταγραφή (κυρίως, μεταγραφικοί παράγοντες), ωρίμανση, μετάφραση (διάρκεια ζωής mRNA), μετά τη μετάφραση.