Operón lac
La regulación génica del operón lac fue el primer mecanismo regulatorio de la expresión genética en ser elucidado, y es utilizado a menudo como un ejemplo clásico de la regulación génica en procariotas.
Este hecho fue puesto de manifiesto por François Jacob y Jacques L. Monod, quienes ya predijeron la existencia del ARN mensajero (mRNA), el cual se sintetizaría a partir de un ADN molde.
Todos estos estudios, junto a los realizados por André Lwoff con el bacteriófago λ, permitieron a Jacob y Monod proponer en 1961 una hipótesis unificadora para la regulación génica, llamada posteriormente modelo del operón.
Al conjunto de genes contiguos más los elementos reguladores que controlan su expresión se le denominó operón.
El operón lactosa presenta los siguientes elementos:[2] El operón lac se encuentra bajo un tipo de regulación negativa, donde los genes pueden transcribirse siempre, salvo cuando la proteína represora Lac I se encuentra unida a la región operadora, por la cual presenta una elevada afinidad.
En este caso, el promotor del gen lac I es constitutivo, por lo que la proteína Lac I se expresa permanentemente y permanece unida en forma de tetrámero a la zona operadora, impidiendo la transcripción de los genes estructurales.
La regulación del operón funcionaría de la siguiente forma:[3] La verdadera molécula inductora del operón lac es la alolactosa, un isómero de la lactosa que se obtiene por una transglicosilación llevada a cabo ocasionalmente por la β-galactosidasa.
[4] Este comportamiento era lógico desde el punto de vista del ahorro energético, pero ¿cómo hacían las bacterias para «elegir»?
La respuesta se encontró al observar que la transcripción de los genes estructurales no dependía únicamente de la ausencia del represor Lac I en la región operadora, sino que además era necesario que se uniera la proteína CRP más AMPc alrededor de la región -60, respecto del comienzo del gen lac Z. La proteína CRP se encuentra en forma de dímero y solo es activa cuando lleva unido AMPc.
El uso actual amplía la nomenclatura fenotípica para aplicarse a proteínas: así, LacZ es el producto proteíco del gen lac z, es decir, la β-galactosidasa.
Para analizar los mutantes regulatorios del operón lac, Jacob desarrolló un sistema en el cual una segunda copia de los genes lac (lacI con supromotor, y lacZYA con promotor y operador) podían ser introducidos en una única célula.
En principio, se muestran ciertos estados haploides (es decir, la célula solo tiene una única copia de los genes lac).
Una versión más sofisticada de este experimento utiliza operones marcados para distinguir entre las dos copias de los genes lac y mostrar que el/los genes no regulados son quienes se encuentran junto al operador mutante (panel (g)).
En esta versión, solo la copia del operón lac adyacente al operador mutante se expresa sin IPTG.
La dominancia de los mutantes del operador sugiere también un procedimiento para selecccionarlos específicamente.
Si se selecciona a los mutantes regulatorio de un cultivo de tipo salvaje utilizando fenil-Gal, como se describe anteriormente, las mutaciones del operador son raras comparadas con los mutantes del represor, debido a que el tamaño objetivo es demasiado pequeño.
El microorganismo experimental utilizado por François Jacob y Jacques Monod fue la bacteria común de laboratorio, E. coli, pero muchos de los conceptos regulatorios básicos que fueron descubiertos por Jacob y Monod son fundamentales para la regulación celular en todos los organismos.
E. coli ahorra recursos celulares y energía evitando sintetizar las tres proteínas Lac cuando no hay necesidad de metabolizar lactosa, como por ejemplo, cuando otros azúcares como la glucosa, están presentes.
La pregunta clave era cómo controla E. coli ciertos genes en respuesta a sus necesidades metabólicas?
Por ejemplo, si se les proveía glucosa y lactosa, la primera sería metabolizada en primer lugar (fase de crecimiento I, véase la figura 2), y luego la lactosa (fase de crecimiento II).
En términos metabólicos, la lactosa es tan buena fuente de carbono y energía como la glucosa.
Es posible que una pequeña diferencia en la eficiencia del transporte o el metabolismo de la glucosa vs.
lactosa haga ventajoso para las células el regular al operón lac de esta manera.
