اوبرون اللاكتوز

يعد اوبرون اللاكتوز Iac operon من أكثر الانظمة التي درست في E. coli والتي تمثل نموذجا دراسيا. في الخلايا بدائية النواة تكون عمليات الترجمة مرافقة لعمليات الانتساخ وهي احدى الاليات التي تتبعها الخلايا وبذلك تكون سريعة النمو وهي السمة المميزة لهذه المجموعة، اضافة الى ان تحوير البروتينات وطويها تكون مرافقة لانتاج البيبتيدات الاولية او التسلسل الاولي للبيبتيدات الناتجة اذ تقوم البروتينات الوصفية او الوصيفات Chaperones بعملها مباشرة. اضافة الى ان الجينات سواء التركيبية وبعض الأحيان المنظمة تنظم في اوبرون واحد لانتاج mRNA متعدد الوسائل يسيطر عليها بجين منظم واحد مثل اوبرون اللاكتوز قيد المناقشة وكذلك اوبرون التربتوفان المكون من 5 جينات تتجمع في trp operon وكذلك اوبرون الهستدين وغيرها.

و اوبرون اللاكتوز من اوبرونات الهدم Catabolite operon ويستحث بوجود مادة الأساس له وهي اللاكتوز ويتكون الاوبرون من عدة جينات موضحة في الشكل (1).

فالجين Lac I يشفر لبروتين كابح Repressor الذي يرتبط بالمشغل Operator (وهو تسلسل قصير يقعه جنب ألجين الممهد ويساعد في السيطرة على عملية التعبير الجيني) ويقوم بمنع الانتساخ عند منقطة المهمد وتسمى هذه بالسيطرة السالبة. والجينات التركيبية للكابح LacI تكون منفصلة عن باقي مكونات اوبرون اللاكتوز ويتكون الكابح بشكل غير مستحث ولكن بمعدلات واطئة وعند ارتباط المادة الحاثة الى الكابح يتغير شكله، ويصبح غير قادر على البقاء مرتبطا بمنطقة المشغل كما انه يصبح غير قادر على منع ارتباط الإنزيم RNAP الى الجين الممهد، واذا كانت الظروف الاخرى ملائما فان عملية الانتساخ تستمر وتترجم معلوماتها لتعطي Permease و β – galactosidase و Transacetylase lacZ. يشفر للأنزيم β – galactosidase الذي يفلق اللاكتوز D- glucose و D-galactose، اما lac Y فيشفر للـ Permease الذي ينقل السكر الى داخل الخلايا والحقيقة ان الانزيم الأول المحلل للاكتوز β – galactosidase يوجد بكميات قليلة ويحول للاكتوز الى كلوكوز وكلاكتوز وكجزء من فعاليته ينتج Allolactose وهو النظير التركيبي لسكر اللاكتوز، ويكون الالولاكتوز هو المادة الحاثة، ويمكن ان يستحث الاوبرون بمواد تشابه اللاكتوز من حيث الهيئة التركيبية مثل (Isopropyl β-D- thiogalactoside) IPTG والذي يطلق عليه أحياناً بالحاث المجاني لأنه يمكن ان يحث اوبرون اللاكتوز ولكنه لا يخضع لتأثير الإنزيمات الناتجة من الحث.

ويحتاج اوبرون اللاكتوز الى السيطرة الموجبة للعمل بشكل متكامل والتي تساعد في انتساخ مكونات الاوبرون، فعند نمو E. coli في وسط يحوي الكلوكوز واللاكتوز فان اوبرون الاخير يكون معطلا الى ان يتم استهلاك الكلوكوز أولاً ثم يبدأ استهلاك اللاكتوز بعد مدة تلكؤ قصيرة ضمن ظاهرة النمو الثنائي Diauxic growth او Diauxy. وفشل حث اوبرون اللاكتوز عند وجود الكلوكوز.

والتي تكون فاعلة في مجالات اخرى وليس استهلاك الكاربوهيدرات. وعملية الكبح بالكلوكوز تمثل سيطرة او تنظيم موجبة وتتم بواسطة المركب الحقي cAMP الذي يرتبط بالبروتين (CAP (Catabolite gene activator protein وهو ناتج من الجين crp ليكون معقد cAMP-CAP يرتبط في موقع معين في المنطقة المنظمة من اوبرون اللاكتوز الموضحة في الشكل اعلاه (منطقة الجينات المنظمة)، وهذه الارتباط يساعد في بدء انتساخ الاوبرون من الممهد الخاص به، ولذلك فعند نمو الخلايا E. coli في وسط يحوي على الكلوكوز يكون تركيز cAMP واطئا ويزداد تركيزه عند غياب الكلوكوز وعليه فان تأثير الكبح بمواد الهدم يكون ناتجا عن قلة cAMP ولذلك يزداد تركيز cAMP من حدوث انقلابات او تفاعلات من ATP عندما تشعر للخلايا بنفاد الطاقة ليزيد من هدم المواد والحصول على الطاقة الايضية.

شكل 1  : تركيب وتنظيم أوبرون اللاكتوز

ويعمل cAMP في مجالات اخرى للسيطرة على الجينات مثل عند نقص الحوامض الامينية وزيادة ppGpp التي تكون اشارة لحدوث المجاعة Starvation وكذلك يشارك في استجابة الاستغاثة SOS عند حصول تدمير او ضرر للـ DNA.

وقد استعمل اوبرون اللاكتوز لدراسة العديد من الظواهر الوراثية مثل ظاهرة الاستذابة للـ E. coli عند اصابتها بالعاثي λ  ، ويستعمل في الهندسة الوراثية وتستعمل ممهداته في تحضير نواقل الكلونة Cloning vectors المهجنة نظراً لسهولة تمييز الخلايا الحاوية عليه من التغيرات اللونية للدلائل المضافة للأوساط الغذائية.

وتستعمل السيطرة السالبة الموضحة اعلاه ليست فقط في المسارات الهدمية وانما يمكن ان تستعمل في المسارات التخليقية اذ تعمل نواتج المسارات كمنفذات لأنظمة التنظيم السالب سواء في الخلايا بدائية النواة او حقيقية النواة والتي يمكن ان تستعمل بعض التواليات الخاصة Enhancers لتشجيع عمليات الانتساخ.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .