¿Qué es el operón lac?
El operón lac es un grupo de genes estructurales requeridos para el transporte y el metabolismo de la lactosa en la bacteria Escherichia coli. Estos genes en Escherichia coli le permiten a la bacteria utilizar la lactosa como fuente de energía cuando la glucosa no está disponible.
Son genes ordenados de forma consecutiva en el genoma de casi todas las bacterias y se han estudiado con especial esfuerzo en la Escherichia coli, considerada la bacteria modelo.
El operón lac fue el modelo empleado por Jacob y Monod en 1961 para la proposición de los arreglos genéticos en forma de operón. En sus trabajos, dichos autores describieron cómo la expresión de uno o más genes podía “encenderse” o “apagarse” como consecuencia de la presencia de una molécula (la lactosa, por ejemplo) en el medio de crecimiento.
Las bacterias que crecen en medios de crecimiento ricos en compuestos carbonados o azúcares diferentes a la lactosa, como la glucosa y la galactosa, poseen cantidades muy bajas de las proteínas necesarias para la metabolización de la lactosa.
Entonces, en ausencia de lactosa, el operón se encuentra “apagado”, evitando que la ARN polimerasa transcriba al segmento génico correspondiente al operón lac. Cuando la célula percibe la presencia de lactosa, se activa el operón y estos genes se transcriben normalmente, lo que se conoce como “encendido” del operón.
Todos los genes del operón se traducen en una sola molécula de ARN mensajero y, por lo tanto, cualquier factor que regule la transcripción de este ARN mensajero del operón lac regulará directamente la transcripción de cualquier gen que pertenezca al mismo.
Descubrimiento del operón lac
La teoría de Jacob y Monod se desarrolló en un contexto donde se sabía muy poco sobre la estructura del ADN. Y es que tan solo ocho años antes Watson y Crick habían realizado su propuesta sobre la estructura del ADN y del ARN, por lo que los ARN mensajeros apenas se conocían.
Jacob y Monod en la década de 1950 ya habían demostrado que el metabolismo de lactosa bacteriano estaba genéticamente regulado por dos condiciones muy específicas: la presencia y la ausencia de lactosa.
Ambos científicos habían observado que una proteína con características similares a una enzima alostérica era capaz de detectar la presencia de lactosa en el medio y, que una vez detectado el azúcar, se estimula la transcripción de dos enzimas: una lactosa permeasa y otra galactosidasa.
Hoy en día se sabe que la permeasa ejerce funciones en el transporte de la lactosa hacia el interior de la célula y que la galactosidasa es necesaria para romper o cortar la molécula de lactosa en glucosa y galactosa, de modo que la célula pueda aprovechar este disacárido en sus partes constituyentes.
Cerca de la década de 1960 ya se había determinado que la lactosa permeasa y la galactosidasa eran codificadas por dos secuencias genéticas adyacentes, la región Z y la región Y, respectivamente.
Finalmente, en 1961, Jacob y Monod expusieron un modelo genético compuesto por cinco elementos genéticos:
– Un promotor
– Un operador y
– los genes Z, Y y A.
Todos estos segmentos se traducen en un único ARN mensajero y comprenden las partes esenciales para definir prácticamente a cualquier operón bacteriano en la naturaleza.
Experimentos y análisis genético
Jacob, Monod y sus colaboradores realizaron muchos experimentos con células bacterianas que poseían mutaciones que hacían a las cepas incapaces de metabolizar lactosa. Tales cepas se identificaban con el nombre de la cepa y la mutación correspondiente que poseían.
De esta manera, los investigadores fueron capaces de identificar que las mutaciones en los genes lacZ, que codifica para la β-galactosidasa, y lacY, que codifica para la lactosa permeasa, producían bacterias del tipo lac–, es decir, bacterias incapaces de metabolizar lactosa.
A partir de mapeos genéticos utilizando enzimas de restricción se determinó posteriormente la ubicación de los genes en las diferentes cepas, hecho que permitió establecer que los tres genes lacZ, lacY y lacA se encuentran (en ese orden) en el cromosoma bacteriano en un grupo de genes adyacentes.
La existencia de otra proteína, denominada proteína represora, que no necesariamente se considera parte del operón, fue dilucidada a través de mutaciones de un gen llamado lacI-. Este codifica para una proteína que se une a la región del “operador” en el operón y evita la transcripción de los genes para la β-galactosidasa y la lactosa permeasa.
Se dice que esta proteína no forma parte de los genes que componen al operón lac, pues se ubican, en realidad, aguas arriba de estos últimos y son transcritos en ARN mensajeros diferentes.
Las cepas bacterianas que poseen la mutación lacI- expresan constitutivamente los genes lacZ, lacY y lacA, lo que se da independientemente de la presencia o ausencia de lactosa en el entorno extracelular.
Muchas de estas observaciones fueron corroboradas mediante la transferencia de los genes lacI+ y lacZ+ a una célula bacteriana que no producía las proteínas codificadas por estos genes en un medio carente de lactosa.
Puesto que las bacterias “transformadas” de esta manera solo producían la enzima β-galactosidasa en presencia de lactosa, el experimento confirmó que el gen lacI era importante para la regulación de la expresión del operón lac.
Funciones del operón lac
- Regular la expresión de genes necesarios para metabolizar la lactosa. Los activa solo cuando hay lactosa disponible o hay poca o nada de glucosa.
- Genes estructurales y sus funciones. El operón lac contiene tres genes principales:
- lacZ. Codifica la enzima β-galactosidasa y sus funciones son romper la lactosa en glucosa y galactosa y convertir una pequeña cantidad de lactosa en alolactosa (el inductor).
- lacY. Codifica la proteína permeasa, que permite que la lactosa entre a la célula.
- lacA. Codifica la transacetilasa, que participa en la detoxificación de compuestos derivados de la lactosa (su función no es esencial para el metabolismo principal).
- Elementos reguladores y su función. Además de los genes estructurales, el operón tiene regiones reguladoras:
- Promotor (P). Es el sitio donde se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción.
- Operador (O). Sitio donde se une el represor lac. Si el represor está unido → no hay transcripción.
- Gen regulador (lacI). Produce el represor lac. El represor bloquea el operón cuando no hay lactosa.
- Sitio CAP (o CRP). Se une al complejo CAP-cAMP cuando hay poca glucosa. Esto aumenta la transcripción del operón.
- Cuando no hay lactosa. El represor se une al operador. La transcripción está bloqueada. No se producen las enzimas.
- Cuando hay lactosa. La lactosa (alolactosa) se une al represor. El represor cambia de forma y se libera. Se transcriben lacZ, lacY y lacA.
- Cuando hay lactosa y poca glucosa. Aumenta el cAMP. CAP-cAMP se une al promotor. Se produce máxima expresión del operón.
Referencias
- Griffiths, A.J., Wessler, S.R., Lewontin, R.C., Gelbart, W.M., Suzuki, D.T., Miller, J.H. An introduction to genetic analysis. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, M.L., Fischer, J.A., Hood, L.E., Aquadro, C.F. Genetics: from genes to genomes. McGraw Hill.
- Lewis, M. Allostery and the lac Operon. Journal of molecular biology.
- Parker, J. lac Operon.
- Yildirim, N., Kazanci, C. Deterministic and stochastic simulation and analysis of biochemical reaction networks: The lactose operon example. In Methods in enzymology. Academic Press.