Bakteri deneyleri ve genetik kombinasyonlar günümüzde birçok gen analizlerinin yapılmasına olanak sağlamıştır. E. coli’deki enzim sentezi üzerinde derinlemesine yapılan araştırmalar 1940’lı yılların sonlarında başlamıştır. Fransız biyokimyacılar François Jacob ve Jacques Monod bakteri hücrelerindeki gen regülasyonu konusunda oldukça güçlü bir model formüle etmişlerdir.
Çalışmalarını, laktozun glukoz ve galaktoza parçalanmasını katalizleyen β- galaktozidaz enzimi üzerine yoğunlaştırmışlardır ki bu enzimin katalizlediği tepkime sonucunda oluşan her iki ürün de farklı metabolik yollarda kullanılmakta ve üretilmektedir. Bu çalışmalar, bu bilim adamlarına 1965 Nobel Ödülünü kazandırmıştı r.
Laktoz, E. coli için sürekli gereksinim duyulan bir madde değildir, dolayısıyla beklenildiği üzere galaktosidaz geni normal koşullarda çok düşük oranda transkripte edilir. Jacob ve Monod indükleyici olarak adlandırılan molekül varlığında (ki bu durumda ortamda laktoz varken hücrede otomatik olarak bir laktoz türevi olan allolaktoz üretilir) bu sindirim enziminin üretiminin arttığını buldular. O halde doğal olarak galaktozidaz indüklenebilir bir enzimdir.
Jacob ve Monod sonunda galaktozidaz ve laktoz yıkımından sorumlu diğer 2 enzimin üretiminde 4 genin rol aldığını gösterebildiler. Bu genler; her biri üç enzimden birinin amino asit dizisini bildiren 3 yapısal gen ve bu yapısal genlerin aktivitesinden (denetlemeden) sorumlu regülatör gendir. Yapısal genlerden biraz uzakta lokalize olmuş olan regülatör genin yapısal genlerin transkripsiyonunu inhibe eden repressör protein sentezini yönetmekte olduğunu ileri sürmüşlerdir.
Jacob ve Monod aynı zamanda galaktozidaz yapısal genlerinin bitişiğinde bulunan, yapısal genin transkripsiyonunun başlatılıp başlatılmayacağını belirleyen özel bir DNA bölgesini ortaya çıkarmışlar ve bu özel bölgeyi operatör olarak adlandırmışlardır. Operatörün üç yapısal genle birlikte oluşturduğu kombinasyona ise operon demişlerdir.
Bunu takiben bir gen özelliği taşımayan ve buna bağlı olarak da özgül bir ürünü kodlamayan operatörün, RNA polimerazın bağlandığı bölge olan Promotor ile yapısal genler arasında yer aldığı bulunmuştur.
Repressör operatöre bağlandığından dolayı RNA polimeraz fiziksel olarak promotora bağlanamaz ve transkripsiyon bloke edilir. Eğer ortamda indükleyici varsa, bu repressöre bağlanacaktır, buna bağlı olarak repressörde meydana gelen konformasyonel değişim, repressörün operatörle olan bağlantı özelliğini bozacaktır ve indükleyici, repressörü inaktive edecektir. Artık RNA polimerazın bağlanmasına olanak sağlayacak şekilde serbest olan pro motor, yapısal genlerin transkripsiyonunu ve mRNA’nın yapımını başlatabilir. m-RNA’lar her üç yapısal gene ait bilgiyi taşımaktadır. Bu elçi (messenger), laktoz metabolizması için gerekli olan her üç enzimin de sentezlendiği sitoplazmadaki ribozomlara bağlanır. Operon baskılanmadığı sürece hücre başına düşen galaktozidaz enzimi miktarı 5000’e ulaşmaktadır, baskılama esnasında ise enzimin yaklaşık 10 kopyası sentezlenmektedir.
Jacob-Monod Modelinin Özeti
Operatör bölgesinin durumu, lac operonunun aktif olup olmaması için tek anahtardır. Lac operonu, laktozun parçalanması ile ilgili enzimlerin sentezinden sorumludur.
Eğer baskılayıcı (repressör) protein operatöre bağlanırsa transkripsiyon gerçekleşmez. Repressör protein operatöre bağlanmazsa (çünkü repressör proteini indükleyici molekülü ile inaktive edilmiştir) transkripsiyon serbestçe ilerler. Bunun yanında bir hücrede tüm repressör moleküllerin bağlanabilmesi için çok az miktarda inducer (uyarıcı) molekülünün olduğuna dikkat edilmelidir. Lac operonunun ortaklaşa denetlenen 3 yapısal geni, birbirleriyle bağlantılı işlevleri olan enzimleri belirlerler. Tek bir biyokimyasal yolun enzimlerini belirlemek bir operonun yapısal genleri için tipik bir özelliktir ve bu şekilde tüm yol bir birim olarak denetlenebilir.
Kaynakça:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21683/
Yazar: Taner Tunç