Operón
En genética, un operón es una unidad funcional de ADN que contiene un grupo de genes bajo el control de un solo promotor. Los genes se transcriben juntos en una cadena de ARNm y se traducen juntos en el citoplasma, o se someten a empalmes para crear ARNm monocistrónicos que se traducen por separado, es decir, varias cadenas de ARNm que codifican un solo producto génico. El resultado de esto es que los genes contenidos en el operón se expresan juntos o no se expresan en absoluto. Varios genes deben ser co-transcritos para definir un operón.
Originalmente, se pensaba que los operones existían únicamente en procariotas (lo que incluye organelos como plástidos que se derivan de bacterias), pero desde el descubrimiento de los primeros operones en eucariotas a principios de la década de 1990, ha surgido más evidencia que sugiere que son más común de lo que se suponía anteriormente. En general, la expresión de operones procarióticos conduce a la generación de ARNm policistrónicos, mientras que los operones eucarióticos conducen a ARNm monocistrónicos.
Los operones también se encuentran en virus como los bacteriófagos. Por ejemplo, los fagos T7 tienen dos operones. El primer operón codifica varios productos, incluida una polimerasa de ARN T7 especial que puede unirse y transcribir el segundo operón. El segundo operón incluye un gen de lisis destinado a hacer que la célula huésped estalle.
Historia
El término "operón" se propuso por primera vez en un breve artículo en las Actas de la Academia Francesa de Ciencias en 1960. A partir de este artículo, se desarrolló la llamada teoría general del operón. Esta teoría sugería que, en todos los casos, los genes dentro de un operón están controlados negativamente por un represor que actúa sobre un solo operador ubicado antes del primer gen. Más tarde, se descubrió que los genes podían regularse positivamente y también regularse en los pasos que siguen al inicio de la transcripción. Por lo tanto, no es posible hablar de un mecanismo regulador general, porque diferentes operones tienen diferentes mecanismos. Hoy en día, el operón se define simplemente como un grupo de genes transcritos en una sola molécula de ARNm. Sin embargo, el desarrollo del concepto se considera un hito en la historia de la biología molecular. El primer operón que se describió fue el operón lac en E. coli. El Premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1965 fue otorgado a François Jacob, André Michel Lwoff y Jacques Monod por sus descubrimientos sobre la síntesis de operones y virus.
Resumen
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Los operones ocurren principalmente en procariotas pero también en algunos eucariotas, incluidos nematodos como C. elegans y la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster. Los genes de ARNr a menudo existen en operones que se han encontrado en una variedad de eucariotas, incluidos los cordados. Un operón está formado por varios genes estructurales dispuestos bajo un promotor común y regulados por un operador común. Se define como un conjunto de genes estructurales adyacentes, más las señales reguladoras adyacentes que afectan la transcripción de los genes estructurales.5 Los reguladores de un operón dado, incluidos los represores, correpresores y activadores, no son necesariamente codificado por ese operón. La ubicación y condición de los reguladores, promotores, operadores y secuencias de ADN estructural pueden determinar los efectos de mutaciones comunes.
Los operones están relacionados con regulones, estímulos y módulos; mientras que los operones contienen un conjunto de genes regulados por el mismo operador, los regulones contienen un conjunto de genes regulados por una sola proteína reguladora y los estímulos contienen un conjunto de genes regulados por un solo estímulo celular. Según sus autores, el término "operón" se deriva del verbo "operar".
Como unidad de transcripción
Un operón contiene uno o más genes estructurales que generalmente se transcriben en un ARNm policistrónico (una sola molécula de ARNm que codifica para más de una proteína). Sin embargo, la definición de un operón no requiere que el ARNm sea policistrónico, aunque en la práctica suele serlo. Aguas arriba de los genes estructurales se encuentra una secuencia promotora que proporciona un sitio para que la ARN polimerasa se una e inicie la transcripción. Cerca del promotor se encuentra una sección de ADN llamada operador.
Operones versus agrupamiento de genes procarióticos
Todos los genes estructurales de un operón se activan o desactivan juntos, debido a un solo promotor y operador aguas arriba de ellos, pero a veces se necesita más control sobre la expresión génica. Para lograr este aspecto, algunos genes bacterianos se ubican juntos, pero existe un promotor específico para cada uno de ellos; esto se llama agrupación de genes. Por lo general, estos genes codifican proteínas que trabajarán juntas en la misma vía, como una vía metabólica. La agrupación de genes ayuda a una célula procariota a producir enzimas metabólicas en el orden correcto.
Estructura general
Un operón se compone de 3 componentes básicos de ADN:
- Promotor – una secuencia de nucleótidos que permite transcribir un gen. El promotor es reconocido por la polimerasa RNA, que luego inicia la transcripción. En la síntesis del ARN, los promotores indican qué genes deben usarse para la creación del ARN mensajero – y, por extensión, control qué proteínas produce la célula.
- Operador – un segmento de ADN al que un represor se une. Se define clásicamente en el lac operon como un segmento entre el promotor y los genes del operón. El operador principal (O1) en el lac operon se encuentra ligeramente aguas abajo del promotor; dos operadores adicionales, O2 y O3 se encuentran en -82 y +412, respectivamente. En el caso de un represor, la proteína represora obstruye físicamente a la polimerasa RNA de transcribir los genes.
- Los genes estructurales – los genes que son coregulados por el operón.
No siempre incluido dentro del operón, pero importante en su función es un gen regulador, un gen expresado constantemente que codifica proteínas represoras. El gen regulador no necesita estar en, adyacente o incluso cerca del operón para controlarlo.
Un inductor (molécula pequeña) puede desplazar un represor (proteína) del sitio del operador (ADN), lo que resulta en un operón desinhibido.
Alternativamente, un correpresor puede unirse al represor para permitir su unión al sitio del operador. Un buen ejemplo de este tipo de regulación es el del operón trp.
Regulación
El control de un operón es un tipo de regulación génica que permite a los organismos regular la expresión de varios genes según las condiciones ambientales. La regulación del operón puede ser negativa o positiva por inducción o represión.
El control negativo implica la unión de un represor al operador para evitar la transcripción.
- In operones inducibles negativos, una proteína reguladora de represor está normalmente ligada al operador, que evita la transcripción de los genes en el operón. Si una molécula inductora está presente, se une al represor y cambia su conformación para que no pueda atar al operador. Esto permite la expresión del operón. El operón lacado es un operón inducible controlado negativamente, donde la molécula inductor es la aolactosa.
- In operones represibles negativos, la transcripción del operón normalmente tiene lugar. Las proteínas de represor son producidas por un gen regulador, pero no pueden unirse al operador en su conformación normal. Sin embargo, ciertas moléculas llamadas núcleopresores están ligadas por la proteína represora, causando un cambio conformacional al sitio activo. La proteína de represor activada se une al operador y evita la transcripción. El trp operon, involucrado en la síntesis de triptófano (que en sí actúa como el Corepressor), es un operón represible controlado negativamente.
Los operones también se pueden controlar positivamente. Con el control positivo, una proteína activadora estimula la transcripción uniéndose al ADN (normalmente en un sitio distinto al operador).
- In operones inducibles positivos, las proteínas activadoras normalmente no pueden atar al ADN pertinente. Cuando un inductor está ligado por la proteína activador, sufre un cambio de conformidad para que pueda atar al ADN y activar la transcripción. Ejemplos de operones inducibles positivos incluyen la familia MerR de activadores transcripcionales.
- In operones represibles positivos, las proteínas activadoras están normalmente ligadas al segmento de ADN pertinente. Sin embargo, cuando un inhibidor está ligado por el activador, se le impide atar el ADN. Esto detiene la activación y transcripción del sistema.
El operón lac
El operón lac de la bacteria modelo Escherichia coli fue el primer operón que se descubrió y proporciona un ejemplo típico de la función del operón. Consta de tres genes estructurales adyacentes, un promotor, un terminador y un operador. El operón lac está regulado por varios factores, incluida la disponibilidad de glucosa y lactosa. Puede ser activado por alolactosa. La lactosa se une a la proteína represora y evita que reprima la transcripción génica. Este es un ejemplo del modelo desreprimible (desde arriba: inducible negativo). Entonces es un operón inducible negativo inducido por la presencia de lactosa o alolactosa.
El operón trp
Descubierto en 1953 por Jacques Monod y sus colegas, el operón trp en E. coli fue el primer operón reprimible que se descubrió. Mientras que el operón lac puede ser activado por una sustancia química (alolactosa), el operón triptófano (Trp) es inhibido por una sustancia química (triptófano). Este operón contiene cinco genes estructurales: trp E, trp D, trp C, trp B y trp A, que codifica la triptófano sintetasa. También contiene un promotor que se une a la ARN polimerasa y un operador que bloquea la transcripción cuando se une a la proteína sintetizada por el gen represor (trp R) que se une al operador. En el operón lac, la lactosa se une a la proteína represora y evita que reprima la transcripción génica, mientras que en el operón trp, el triptófano se une a la proteína represora y le permite reprimir la transcripción génica. También a diferencia del operón lac, el operón trp contiene un péptido líder y una secuencia atenuadora que permite la regulación gradual. Este es un ejemplo del modelo correpresible.
Predecir el número y la organización de los operones
El número y la organización de los operones se ha estudiado de manera más crítica en E. coli. Como resultado, se pueden hacer predicciones basadas en la secuencia genómica de un organismo.
Un método de predicción utiliza la distancia intergénica entre los marcos de lectura como predictor principal de la cantidad de operones en el genoma. La separación simplemente cambia el marco y garantiza que la lectura sea eficiente. Existen tramos más largos donde los operones comienzan y terminan, a menudo hasta 40-50 bases.
Un método alternativo para predecir operones se basa en encontrar grupos de genes donde el orden y la orientación de los genes se conservan en dos o más genomas.
La predicción de operones es aún más precisa si se considera la clase funcional de las moléculas. Las bacterias han agrupado sus marcos de lectura en unidades, secuestrados por la participación conjunta en complejos de proteínas, vías comunes o sustratos y transportadores compartidos. Por lo tanto, una predicción precisa involucraría todos estos datos, una tarea ciertamente difícil.
El laboratorio de Pascale Cossart fue el primero en identificar experimentalmente todos los operones de un microorganismo, Listeria monocytogenes. Los 517 operones policistrónicos se enumeran en un estudio de 2009 que describe los cambios globales en la transcripción que ocurren en L. monocytogenes bajo diferentes condiciones.
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