الف: ژن‌هاي القاء شونده (Inducible genes)

محصول اين ژن‌ها در حضور يك مولكول اختصاصي افزايش مي‌يابد. براي مثال توليد بتاگالاكتوزيداز (لاكتاز) با حضور سوبستراي آن (لاكتوز) در محيط كشت افزايش مي‌يابد.

ب: ژن‌هاي سركوب‌شونده (Suppressible gene)

محصول اين ژن‌ها در حضور يك ماده به خصوص كاهش مي يابد.

 در هر صورت، تنظيم ژن‌هاي باكتريايي عمدتاً از طريق كنترل همزمان چند ژن (اپرون) صورت مي‌گيرد.

تعريف اپرون

طبق تعريف "اپرون" به گروهي از چند ژن متوالي اطلاق مي‌شود كه تنها داراي يك پروموتر واحد هستند و هماهنگ با هم تنظيم مي‌شوند. در واقع به هر يك از توالي‌هاي سازنده يك پلي‌پپتيد در يك اپرون سيسترون گفته مي‌شود. عمل محصولات مربوط به سيسترون‌هاي مختلف يك اپرون،‌ به طريقي مرتبط با هم است. به عبارت ديگر يك اپرون مثلا مي تواند ساخت هماهنگ چند آنزيم مربوط به يك مسير متابوليكي خاص را بر عهده داشته باشد. اولين اپرون شناخته شده اپرون لاكتوز است كه توسط «ژاكوب و مونود» معرفي شد. به طور كلي هر اپرون شامل قسمت‌هاي زير است:

1-   ژن‌هاي ساختماني (Structural genes)

محصولات اين ژن‌ها ممكن است آنزيم، انواع پروتئين‌هاي ديگر، tRNA يا rRNA باشند. محصولات ژن‌هاي ساختماني براي بقاي سلول ضروري هستند.

۲-   توالي‌هاي تنظيمي (Regulatory Sequence)

اين توالي‌ها شامل پروموتر،‌ اپراتور، توالي‌هاي تضعيف‌كننده و ساير توالي‌هاي تنظيمي مانند جايگاه اتصال به CAP مي‌باشند. اين توالي‌ها در واقع نوعي عنصر پاسخ‌دهنده سيس[1] هستند.

تنظيم اپرون ها

عمل يك اپرون توسط ژن‌هاي اختصاصي صورت مي‌گيرد كه با وجودي كه محل آنها ممكن است نسبت به اپرون دور يا نزديك باشد، ولي محصول آنها با اتصال به توالي‌هاي تنظيمي، عمل خود را انجام مي‌دهد. به طور كلي ژن‌هاي تنظيم كننده را جزء ساختمان اپرون در نظر نمي‌گيرند و محصول آنها در واقع نوعي فاكتور پاسخ‌دهنده ترانس هستند.

1- - Cis acting elements  به توالي‌هايي گفته مي‌شود كه در نزديكي ژن‌ مورد نظر قرار دارند و مي‌توانند در شرايط خاص (وجود فاكتورهاي پاسخ‌دهنده‌ترانس) باعث روشن يا خاموش شدن (يا به طور كلي تنظيم) ژن‌ مورد نظر شوند.

2- Trans acting factors - به پروتئين‌هايي گفته مي‌شود كه توسط ژن‌هاي ديگري (خواه دور و يا نزديك) ساخته مي‌شوند و با اثر بر روي عناصر پاسخ‌ دهنده سيس مربوطه، باعث تنظيم ژن مورد نظر مي‌شوند.

 متابوليسم لاكتوز در كلي باسيل

در صورتي كه گلوكز در دسترس كلي باسيل نباشد، اين باكتري مي‌تواند از لاكتوز به عنوان منبع انرژي و كربن استفاده كند و براي اين منظور به آنزيم بتاگالاكتوزيداز (لاكتاز) نياز دارد. اين آنزيم نقش كليدي در متابوليسم لاكتوز ايفا مي‌كند.

القاي بتالاكتوزيداز توسط لاكتوز: در شرايط فقدان لاكتوز، كمتر از 10 مولكول بتا- گالاكتوزيداز در هر كلي باسيل وجود دارد، ولي در حضور لاكتوز و در شرايطي كه منبع انرژي ديگري در محيط كشت نباشد، ممكن است اين تعداد در عرض چند دقيقه به بيش از 5000 عدد برسد. در اين شرايط علاوه بر بتاگالاكتوزيداز، غلظت دو آنزيم ديگر به نام‌هاي گالاكتوزيد پرمئاز و تيوگالاكتوزيد ترانس آسيلاز به طور همزمان افزايش مي‌يابد. گالاكتوزيد پرمئاز يك آنزيم متصل به غشاي باكتري است كه لاكتوز و بعضي از مولكول‌ها را به داخل باكتري منتقل مي‌كند. تيوگالاكتوزيد ترانس آسيلاز، آنزيمي است كه در لوله آزمايش باعث انتقال يك گروه استيل از استيل كوآنزيم A به گروه هيدروكسيل كربن ششم تيوگالاكتوزيد مي‌شود. تاكنون نقش اين آنزيم در سلول باكتري مشخص‌ نشده است، ولي مشخص شده كه در صورت عدم وجود اين آنزيم، بعضي از متابوليت‌ها در داخل سلول باكتري انباشته مي‌شوند.

القاء كننده‌هاي ديگر بتا- گالاكتوزيداز: از آنجا كه با افزودن لاكتوز به محيط كشت باكتري سنتز بتا- گالاكتوزيداز ، پرمئاز و تيوگالاكتوزيد ترانس آسيلاز القاء مي‌شوند، بنابراين لاكتوز يك مولكول القاء‌كننده محسوب مي‌شود. در واقع مشخص شده است كه مولكول القاء‌كننده اصلي،‌ «آلولاكتوز» (Allolactose) است كه يكي از واسطه‌هاي متابوليسم لاكتوز مي‌باشد برخي از گالاكتوزيدهاي ديگر از قبيل ايزوپروپيل تيوگالاكتوزيد يا IPTG القاء‌كننده قوي بتا- گالاكتوزيد محسوب مي‌شوند ولي چون به عنوان سوبستراي آنزيم مورد استفاده قرار نمي‌گيرند،‌ در اصطلاح القاء‌كننده‌هاي مجاني، غيرمصرفي (Gratuitous inducers) يا غيرقابل متابوليزه شدن ناميده مي‌شوند.

ساختمان اپرون لاكتوز

ژن‌هاي ساختماني اپرون لاكتوز شامل سه ژن زير مي‌باشند.

الف) Lac Z كه آنزيم بتا- گالاكتوزيداز را كد مي‌كند.

ب) Y Lac كه آنزيم گالاكتوزيد پرمئاز را كد مي‌كند.

ج)  LacA كه آنزيم تيوگالاكتوزيد ترانس اسيلاز را كد مي‌كند.

يك پروموتر واحد قبل از اين سه ژن قرار گرفته است كه بلافاصله پس از آن يك توالي تنظيمي ديگر به نام اپراتور قرار دارد. پروموتر آغاز رونويسي را هدايت مي‌كند، به نحوي كه سه ژن ساختماني به صورت يك RNA ممتد پلي سيستروني بيان مي‌شوند. اپراتور نيز منطقه‌اي در مجاورت پروموتر است كه در اثر اتصال يك پروتئين تنظيمي به آن كه در اينجا «سدكننده لاكتوز» (Lac repressor) خوانده مي‌شود، آغاز رونويسي را مهار مي‌كند.

تنظيم بيان اپرون لاكتوز

الف) تنظيم منفي از طريق سدكننده لاكتوز

همان‌گونه كه گفته شد،‌ در صورتي‌كه لاكتوز در محيط كشت باكتري وجود نداشته باشد، سلول نيازي به توليد آنزيم‌هاي مربوط به متابوليسم آن ندارد، بنابراين سدكننده لاكتوز مانع از فعاليت اپرون لاكتوز مي‌شود . سدكننده لاكتوز كه توسط ژنI Lac ساخته مي‌شود، پروتئيني است كه از چهار زيرواحد تشكيل شده است و به هر زيرواحد آن يك لاكتوز مي‌تواند متصل شود. ژن I Lac كه در مجاورت اپرون لاكتوز واقع شده است و داراي پروموتر مستقلي است، غيرالقايي بوده (ژن دائمي) و به طور ثابت به مقدار معيني فعاليت مي‌كند. به طور كلي زماني كه القاء كننده در محيط وجود نداشته باشد. «سدكننده لاكتوز» به صورت تترامر محكم به اپراتور اتصال مي‌يابد و از اين طريق آغاز رونويسي از ژن‌هاي ساختماني مهار مي‌شود. به چنين تنظيمي، تنظيم منفي گفته مي‌شود.

ب) القاي بيان اپرون لاكتوز

در حضور القاء‌كننده آلاكتوز يا IPTG ، ساختمان فضايي سدكننده به گونه‌اي تغيير مي‌يابد كه نمي‌تواند به اپراتور متصل باقي بماند و از اين طريق مهار از روي اپرون برداشته مي‌شود تا زماني كه القاء‌كننده در محيط كشت وجود دارد، رونويسي از اپرون لاكتوز ادامه مي‌يابد، از اين رو آنزيم‌هاي مورد نياز متابوليسم لاكتوز مي‌توانند توليد شوند. زماني كه القاء كننده از محيط كشت باكتري حذف مي‌شود، مجدداً ظرف سدكننده بر روي اپراتور قرار مي‌گيرد و بيان اپرون لاكتوز به سرعت متوقف مي‌شود و  mRNA  مربوط به ژن‌هاي ساختماني نيز در عرض چند دقيقه تجزيه مي‌شوند.

ج) تنظيم مثبت اپرون لاكتوز

اپرون لاكتوز يك اپرون القاء شونده است يعني در عدم حضور لاكتوز خاموش و در حضور لاكتوز مي‌تواند روشن شود، ولي بايد توجه داشت كه اپرون لاكتوز و بعضي ديگر از اپرون‌هاي كاتابوليسمي به طور مثبت نيز كنترل مي‌شوند.

در واقع زماني كه كلي باسيل در حضور گلوكز كه سوخت اصلي اين باكتري محسوب مي‌شود رشد مي‌كند، ميزان فعاليت اپرون لاكتوز حتي در حضور القاء‌كننده (لاكتوز) كم است ولي در در شرايط فقدان گلوكز و حضور لاكتوز ، اپرون فوق فعال مي‌شود. به اثر مهاري گلوكز بر روي اپرون لاكتوز و بعضي ديگر از اپرون‌هاي كاتابوليسمي «سدشدگي متابوليسمي» گفته مي‌شود. در واقع ملاحظه شده است كه در شرايط فقدان گلوكز، مقدار cAMP درون سلول زياد مي‌شود. بنابراين  cAMP علامت داخل سلولي مربوط به كاهش غلظت گلوكز است و اصطلاحا به آن علامت گرسنگي نيز گفته مي شود. اين ماده كه توسط آنزيم آدنيلات سيكلاز از ATP ساخته و توسط آنزيم فسفودي‌استراز  تجزيه و غيرفعال مي‌شود ( از طريق تبديل  شدن بهAMP ) ،‌ با اتصال به يك پروتئين تنظيمي به‌نام «پروتئين فعال‌كننده كاتابوليت» يا CAP (Catabolite Gene Activator Protein) عمل خود را انجام مي‌دهد. اين ماده كه به نام  CRP(cAMP Receptor protein) نيز ناميده مي‌شود، يك فاكتور تنظيمي مثبت مي‌باشد. به عبارت ديگر در شرايط گرسنگي cAMP افزايش مي يابد در حضور cAMP كمپلكس CAP -cAMP تشكيل مي‌شود كه با اتصال به جايگاه خاصي از DNA به نام جايگاه اتصال CAP باعث تحريك شروع رونويسي از ژن‌هاي ساختماني مي‌شود. بدون وجود cAMP، CAP نمي‌تواند به تنهايي به منطقه اتصالي خود متصل شود و در نتيجه آغاز رونويسي بسيار كند مي‌شود.

۲- اپرون‌هاي آنابوليسمي

تنظيم از طريق كمك سدكننده

باكتري‌ها مي‌توانند تمام مواد آلي مورد نياز خود از جمله انواع 20 نوع اسيدآمينه را سنتز كنند،‌ اما از آنجا كه اين عمل با صرف انرژي همراه است،‌ تا زماني كه يك ماده معين در محيط وجود داشته باشد، چون سنتز آن توسط باكتري مقرون به صرفه نخواهد بود، در نتيجه آن را توليد نمي‌كند. به عنوان مثال نشان داده شده است كه به طور معمول باكتري همه اسيدآمينه از جمله تريپتوفان را مي‌سازد، ولي اگر اين اسيدآمينه به محيط رشد باكتري اضافه شود، سنتز آن توسط باكتري كاهش مي يابد و يا حتي متوقف مي‌شود. در واقع ژن آنزيم‌هاي مسؤول سنتز اسيدهاي آمينه به طور منفي از طريق كمك‌ سدكنندگي تنظيم مي‌شوند.

اپرون تريپتوفان

اپرون تريپتوفان نمونه‌اي از اپرون‌هاي آنابوليسمي است كه از طريق كمك‌ سدكننده به طور منفي كنترل مي‌شود

ساختمان اپرون تريپتوفان (Tryptophan)

پنج ژن A، B، C، D و E آنزيم‌‌هاي مورد نياز براي سنتز تريپتوفان را كد مي‌كنند. اپرون تريپتوفان نيز مانند اپرون lac ، داراي يك توالي اپراتور در مجاورت پروموتر است،‌ ولي در اينجا برخلاف اپراتور اپرون لاكتوز كه در شرايط فقدان لاكتوز،  سدكننده به آن متصل مي‌شود،‌ سدكننده در حضور تريپتوفان به اپراتور وصل مي‌شود. در واقع در حضور تريپتوفان سدكننده به گونه‌اي تغيير ساختمان مي‌دهد كه مي‌تواند به اپراتور متصل شود و باعث مهار شروع رونويسي گردد.

تنظيم اپرون تريپتوفان از طريق مكانيسم تضعيف (Control by attenuation)

اپرون تريپتوفان مانند ساير اپرون‌هاي آنابوليسمي اسيدهاي آمينه، روش تنظيمي ديگري نيز دارد كه به آن روش تضعيف گفته مي‌شود. در اين روش تنظيمي، بر حسب ميزان تريپتوفان،‌ فعاليت اپرون تنظيم مي‌شود. اين روش تنظيم، فقط در پروكاريوت ‌ها انجام مي‌شود، زيرا براي انجام اين نوع تنظيم، رونويسي و ترجمه بايد همزمان صورت گيرند كه در پروكاريوت ‌ها كه هسته ندارند، اين عمل امكان‌پذير است.

وقتي غلظت تريپتوفان بسيار ناچيز است، mRNA تريپتوفان، به طور كامل سنتز مي‌شود. ولي زماني كه غلظت تريپتوفان افزايش مي‌يابد، رونويسي زود خاتمه مي‌يابد و mRNA كوتاهي ساخته مي‌شود. اين اختلاف طول mRNA در ارتباط با موقعيت اتصال ريبوزوم به mRNA است. در واقع در ابتداي اين mRNA توالي خاصي به نام توالي تضعيف‌كننده وجود دارد كه حاوي دو كدون تريپتوفان مي‌باشد (شكل 5). در شرايطي كه مقدار تريپتوفان در محيط به اندازه كافي باشد، tRNA هاي مربوط به تريپتوفان شارژ يعني حاوي تريپتوفان هستند، بنابراين ريبوزوم قادر به ترجمه توالي فوق است. در اين شرايط mRNA در حال ساخت،‌ ساختمان خاصي (حلقه- ساقه بين قطعات 2 و3 ) به خود مي‌گيرد و اين ساختمان باعث توقف ادامه ساخت mRNA مي‌شود. اگر ميزان تريپتوفان بسيار كم باشد،‌ چون مقدار كمي tRNA – Trp وجود دارد، در نتيجه ترجمه توالي نوكلئوتيدهاي قطعه رهبر متوقف مي‌شود. اين بار ساختار دوم mRNA فوق به گونه‌اي ديگر تشكيل مي‌شود(حلقه- ساقه بين قطعات 3و 4 ) و در نتيجه امكان ادامه رونويسي ايجاد مي‌شود، يعني mRNA كامل  جهت ساخت آنزيم‌‌هاي مورد نياز براي سنتز تريپتوفان ،تشكيل مي‌شود.