يتألف أوبرون اللاكتوز من نوعين من الجينات :الجينات التركيبية structural genes (وهي ببساطة تلك الجينات التي تشفر لبروتينات (أو RNA) والتي تكون ضرورية للوظائف الطبيعية للخلية)، وهي ثلاثة جينات في حالة أوبرون اللاكتوز: lacZ gene والذي يشفر لإنزيم galactosidase -βو lacY gene والذي يشفـتر لبروتين-β- galactoside permease و lac A gene والذي يشفر لإنزيم thiogalactoside transacetylase. تنتظم هذه الجينات التركيبية الثلاث كوحدة unit وهي lacZ-lacY lacA ويتم التعبير عنها كوحدة واحدة من lacZ إلى lacA (شكل 1).

الجينات التنظيمية regulatory genes وهي الجينات التي تشفر لبروتينات (أو RNA ) والتي تكون وظيفتها تنظيم تعبير الجينات الأخرى. ويمكن لمثل هذا النوع من الجينات أن تنتج في مكان وتعمل في مكان آخر (in trans). تدعى بعض البروتينات المنظمة الناتجة من هذه الجينات بالكوابح repressors ، أما مواقع الـ DNA إلتي ترتبط به فتدعى بالمشغلات operator .وفي غياب الكابح، يمكن لإنزيم RNA polymerase أن يرتبط بالبروموتر ويبدأ استنساخ الأوبرون. وعند وجود الكابح، يكون إنزيم RNA polymerase غير قادر على استنساخ الأوبرون.

شكل (1) : التركيب الجيني لأوبرون اللاكتوز في بكتريا القولون (تصميم المؤلف).

يقع الجين التنظيمي lacI بشكل مجاور وقبل upstream الجينات التركيبية lacZ- lacY-lacA. هذا وليس بالضرورة من هذا الجين التنظيمي من أن يقع في منطقة مجاورة جدا للجينات التي ينظمها، حيث يمكن له من أن يؤثر عليها في بعض الحالات حتى لو كان موقعه بعيداً عنها ، ولهذا سمي بالجين التنظيمي، وهو يختلف في هذه الصفة عن تلك الجينات التركيبية التي لا تتدخل في تنظيم عمل جينات أخرى، حتى لو كانت في موقع قريب لها. ويوصف تعبير الجين I الطبيعي في كابح اللاكتوز بالتعبير التكويني constitutional expression، حيث يتم التعبير عنه بمعدل ثابت، وهذا ينتج في تكوين وحدات كابح اللاكتوز lac repressor الثانوية .تتسم جزيئة البروتين الكابح repressor protein molecule، والتي هي ناتج الجين I بألفة عالية لموقع المشغل operator site الذي ترتبط به عادة. يقع موقع المشغل بين منطقة البروموتر والتي يرتبط بها إنزيم RNA polymerase ليبدأ عملية الاستنساخ، ومنطقة بداية الاستنساخ transcription start site للجين Z، وهو الجين التركيبي لإنزيم -galactosidase β (شكل 2). عندما ترتبط الجزيئة الكابحة بموقع المشغل، فإنها تمنع استنساخ الموقع المشغل بالإضافة إلى الجينات التركيبية والمتمثلة بـ Z و لا وA. وهكذا، فان الجزيئة الكابحة هي منظم سلبي negative regulator، وعند وجودها (وعند غياب المحث inducer ، أنظر أدناه) يمنع تعبير الجينات Z و Y و A.

شكل (2) دور كابح اللاكتوز lac repressor في إعاقة استنساخ جينات كابح اللاكتوزZ وY و A وذلك عند غياب الجزيئة الحاثة (اللاكتوز) ملاحظة : تتحدث هذه الصورة عن تأثير غياب اللاكتوز فقط على أوبرون اللاكتوز بصرف النظر عن الكلوكوز (تصميم المؤلف).

عندما يطفر الجين I بحيث يكون البروتين المنتج من قبله (كابح اللاكتوز lac repressor ) غير قادر على الارتباط بالـ DNA المشغل عندها سوف يبدي الكائن الحي تعبيرا تكوينيا constitutive expression لمشغل اللاكتوز وبالتناقض، فان الكائن الحي الذي يحتوي على طفرة في الجين I والذي يمنع ارتباط الحاث بالكابح سوف يبقى مكبوحاً حتى عند وجود الجزيئة الحاثة، لأن الحاث لا يمكن له الارتباط بالكابح على موقع المشغل لكي يزيل من كبح الأوبرون. أما عند إضافة كميات صغيرة من اللاكتوز، فان تلك الكميات تكون قادرة على دخول الخلية حتى عند غياب إنزيم permease. إن كلتا الجزيئات الكابحة، أي تلك التي تتصل بمواقع المشغل operator site وتلك التي تكون حرة في السايتوبلازم، تمتلك ألفة كبيرة للحاث inducer .إن ارتباط الحاث بالجزيئة الكابحة المتصلة بموقع المشغل سوف يعمل على حدوث تغيرات في هيئة الكابح( conformational changes) ويؤدي إلى انفصاله عن الـ DNA (شكل 3) . وإذا ما اتصل إنزيم RNA polymerase بالشريط المشفر coding strand عند موقع البروموتر، عندها سوف يبدأ الاستنساخ. يولد إنزيم RNA polymerase ما يعرف بالرنا المتعدد السسترون plycistronic mRNA. وفي هذا النمط، يقوم الحاث (اللاكتوز هنا) بإزالة كبح مشغل اللاكتوز ويسمح باستنساخ الجينات التركيبية للإنزيمات β galactosidaser و galactoside permease و. galactoside transacetylase إذن إن إزالة كبح مشغل اللاكتوز يمنح الخلية القدرة على تخليق الإنزيمات الضرورية لهدم اللاكتوز كمصدر للطاقة.

شكل (3): تثبيط دور كابح اللاكتوز في إعاقة استنساخ جينات أوبرون اللاكتوز وذلك عند وجود الجزيئة الحاثة (اللاكتوز) ملاحظة : تتحدث هذه الصورة عن تأثير وجود اللاكتوز فقط على أوبرون اللاكتوز بصرف النظر عن الكلوكوز (تصميم المؤلف).

هنالك بروتين تنظيمي من نوع آخر يدعى ببروتين CAP ، والذي يبرز دوره عندما تعرّض بكتريا القولون إلى كلا اللاكتوز والكلوكوز كمصادر للكاربون، تبدأ الكائنات بتأيض الكلوكوز ومن ثم وقف النمو بشكل مؤقت إلى إن تصبح جينات lac operon مستحثة لتعطي قابلية على تأيض اللاكتوز. على الرغم من وجود اللاكتوز منذ بداية طور النمو البكتيري، إلا أن الخلية لا تحث تلك الإنزيمات لهدم اللاكتوز إلى أن يستنفذ الكلوكوز. تعزى هذه الظاهرة إلى كبت repression أوبرون اللاكتوز بواسطة بعض مهدمات الكلوكوز، ومن هنا ، اصطلح على هذه العملية بعملية كبح المهدمات catabolite repression، حيث يقوم بروتين منشط الجينات المهدمة catabolite gene activator protein (CAP) بالإضافة مع (cyclic AMP (cAMP بالتوسط في هذه العملية (شكل4).

شكل (4) دور بروتين CAP والمركب cAMP  في تنظيم اوبرون اللاكتوز lac operon. المخطط (1) يشير الى الاحداث الواقعة عند وجود الكلوكوز في الوسط الزرعي ، اما المخطط (2) يشير الى الاحداث الواقعة عن غياب الكلكوز عن الوسط الزرعي . ملاحظة : تتحدث هذه الصورة عن تأثير وجود او غياب الكلوكوز فقط على اوبرون اللاكتوز بصرف النظر عن اللاكتوز ( تصميم المؤلف )

ولكي يتصل إنزيم RNA polymerase بموقع البروموتر ، فلابد من وجود البروتين CAP ، والذي يرتبط به المركب cAMP. وبواسطة آلية مستقلة، تقوم البكتريا بتراكم المركب cAMP فقط عندما يتم تجويعها عن الكلوكوز. وعند وجود الكلوكوز بتراكيز كافية للنمو، سوف تفتقد البكتريا مركب cAMP لكي يرتبط بمركب CAP. وهكذا، فعند وجود الكلوكوز، يقل مستوى مركب الـ cAMP بشكل حاد بحيث لا يجد بروتين CAP ما ينشطه وهكذا يفقد بروتين CAP قابليته على أن يرتبط بمنطقة الارتباط بالمنشط activator binding site، وبالتالي، لا يتمكن إنزيم RNA polymerase من بدء استنساخ مشغل اللاكتوز. وعند غياب الكلوكوز ، يزداد مستوى مركب cAMP بشكل كبير جداً، عندها يتنشط بروتين CAP ليتكوّن معقد CAP-cAMP ، والذي يرتبط بالـ DNA قبل منطقة البروموتر بقليل، هنا يمكن أن يحدث الاستنساخ بعدها شكل. وهكذا، يعمل معقد CAP-cAMP كمنظم ،ايجابي، لأن وجوده ضروري لحدوث عملية التعبير الجيني. أما البروتين CAP ، فهو عبارة عن منشط يحفز الارتباط بنفس البروموتر. ولكن عندما نريد أن نتوخى الدقة، لابد من أن نشير إلى بروتين CAP بـ apoactivator بدلا من activator ، لأنه يحث على الاستنساخ فقط عندما يكون معقد مع جزيئة صغيرة تدعى coactivator 3-5  cyclic AMP (cAMP). .إذن، يتعرض مشغل اللاكتوز لكلا التنظيمين الإيجابي والسلبي. ولكن كلا التنظيمين لا يعملان بمعزل عن بعضهما البعض، وإنما يتعرض أوبرون اللاكتوز إلى تأثيريهما معاً بشكل متزامن ، وبهذا ، لا يمكن أن نأخذ تأثير كل منهما على حدة.

مواضيع ذات صلة

اكتشاف الأوبرون

مثبطات تخليق البروتين .... وسيلة للعلاج

تحوير سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية للبروتين (Amino acids side chains modifications)

تحوير التركيب البروتيني ثلاثي الأبعاد (Three dimensional structure modifications)

Error and Damage Correction

فروقات بدء الترجمة بين بدائية وحقيقية النواة

فك رموز الشفرة الوراثية cracking the genetic code

In vitro DNA Replication

Detection and Basic Properties of DNA Polymerases

الرنا المراسل (Messenger RNA (mRNA

إنزيم الـ RNA polymerase

البروموتر the promoter