En genética , un operón es una unidad funcional de ADN que contiene un grupo de genes bajo el control de un único promotor . [1] Los genes se transcriben juntos en una cadena de ARNm y se traducen juntos en el citoplasma o se someten a corte y empalme para crear ARNm monocistrónicos que se traducen por separado, es decir, varias cadenas de ARNm que codifican cada una de ellas un único producto génico. El resultado de esto es que los genes contenidos en el operón se expresan juntos o no se expresan en absoluto. Se deben cotranscribir varios genes para definir un operón. [2]
Originalmente, se pensaba que los operones existían únicamente en procariotas (que incluyen orgánulos como plastidios que se derivan de bacterias ), pero su descubrimiento en eucariotas se demostró a principios de la década de 1990 y se consideran raros. [3] [4] [5] [6] En general, la expresión de operones procarióticos conduce a la generación de ARNm policistrónicos , mientras que los operones eucariotas conducen a ARNm monocistrónicos.
Los operones también se encuentran en virus como los bacteriófagos . [7] [8] Por ejemplo, los fagos T7 tienen dos operones. El primer operón codifica varios productos, incluida una ARN polimerasa T7 especial que puede unirse al segundo operón y transcribirlo. El segundo operón incluye un gen de lisis destinado a provocar la explosión de la célula huésped. [9]
El término "operón" se propuso por primera vez en un breve artículo publicado en las Actas de la Academia Francesa de Ciencias en 1960. [10] 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 único operador ubicado antes del primer gen. Más tarde, se descubrió que los genes podían regularse positivamente y también en los pasos que siguen al inicio de la transcripción. Por tanto, no es posible hablar de un mecanismo regulador general, porque diferentes operones tienen mecanismos diferentes. Hoy en día, el operón se define simplemente como un grupo de genes transcritos en una única molécula de ARNm. Sin embargo, el desarrollo del concepto se considera un acontecimiento histórico en la historia de la biología molecular. El primer operón descrito fue el operón lac en E. coli . [10] El Premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1965 fue concedido a François Jacob , André Michel Lwoff y Jacques Monod por sus descubrimientos sobre el operón y la síntesis de virus.
Los operones se encuentran principalmente en procariotas , pero también raramente en algunos eucariotas , incluidos nematodos como C. elegans y la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster . [3] 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 [12] Los reguladores de un operón determinado, incluidos los represores , los correpresores y los activadores , no están necesariamente codificados por ese operón. La ubicación y condición de las secuencias de ADN reguladores, promotores, operadores y estructurales pueden determinar los efectos de mutaciones comunes.
Los operones están relacionados con regulones , estímulos y modulones ; mientras que los operones contienen un conjunto de genes regulados por el mismo operador, los regulos contienen un conjunto de genes regulados por una única proteína reguladora y los estímulos contienen un conjunto de genes regulados por un estímulo de una sola célula. Según sus autores, el término "operón" se deriva del verbo "operar". [13]
Un operón contiene uno o más genes estructurales que generalmente se transcriben en un ARNm policistrónico (una única molécula de ARNm que codifica más de una proteína ). Sin embargo, la definición de operón no requiere que el ARNm sea policistrónico, aunque en la práctica suele serlo. [6] Corriente 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 .
Todos los genes estructurales de un operón se activan o desactivan juntos, debido a un único promotor y operador aguas arriba de ellos, pero a veces se necesita más control sobre la expresión genética. Para conseguir este aspecto, algunos genes bacterianos se sitúan muy cerca unos de otros, 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 procariótica a producir enzimas metabólicas en el orden correcto. [14] En un estudio, se ha postulado que en Asgard (archaea) , los genes codificantes de proteínas ribosomales se encuentran en grupos que están menos conservados en su organización que en otras Archaea ; cuanto más cerca está un Asgard (archaea) de los eucariotas , más dispersa está la disposición de los genes codificadores de proteínas ribosomales. [15]
Un operón se compone de 3 componentes básicos de ADN:
No siempre incluido dentro del operón, pero importante en su función, hay un gen regulador , un gen expresado constantemente que codifica proteínas represoras . No es necesario que el gen regulador esté dentro, adyacente o incluso cerca del operón para controlarlo. [17]
Un inductor (molécula pequeña) puede desplazar a un represor (proteína) del sitio operador (ADN), lo que da como resultado un operón desinhibido.
Alternativamente, un correpresor puede unirse al represor para permitir su unión al sitio operador. Un buen ejemplo de este tipo de regulación lo vemos en el caso del operón trp .
El control de un operón es un tipo de regulación genética que permite a los organismos regular la expresión de varios genes dependiendo de las condiciones ambientales. La regulación del operón puede ser negativa o positiva por inducción o represión. [dieciséis]
El control negativo implica la unión de un represor al operador para impedir la transcripción.
Los operones también pueden controlarse positivamente. Con control positivo, una proteína activadora estimula la transcripción uniéndose al ADN (generalmente en un sitio distinto al operador).
El operón lac de la bacteria modelo Escherichia coli fue el primer operón descubierto 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 la alolactosa . La lactosa se une a la proteína represora y le impide reprimir la transcripción genética. Este es un ejemplo del modelo desreprimible (desde arriba: inducible negativo). Por tanto, es un operón inducible negativo inducido por la presencia de lactosa o alolactosa.
Descubierto en 1953 por Jacques Monod y sus colegas, el operón trp en E. coli fue el primer operón reprimible descubierto. Mientras que el operón lac puede activarse mediante 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 le impide reprimir la transcripción genética, mientras que en el operón trp, el triptófano se une a la proteína represora y le permite reprimir la transcripción genética. Además, a diferencia del operón lac, el operón trp contiene un péptido líder y una secuencia atenuadora que permite una regulación gradual. [18] Este es un ejemplo del modelo correpresible .
El número y la organización de los operones se han estudiado de forma 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 marcos de lectura como predictor principal del número 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 a 50 bases. [19]
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. [20]
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, secuestradas por su participación conjunta en complejos proteicos, vías comunes o sustratos y transportadores compartidos. Por lo tanto, una predicción precisa implicaría 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 en diferentes condiciones. [21]
