En celles genetiske og metaboliske maskinerier er integrerede og indbyrdes afhængige. Den bakterielle celle udfører et enormt antal metaboliske reaktioner. De fælles træk ved alle metaboliske funktioner er, at de katalyseres af enzymer, som er proteiner syntetiseret ved transskription og translation. Feedback inhibering stopper en celle fra at udføre unødvendige kemiske reaktioner og stopper enzymer der allerede er syntetiseret. Vi skal nu se nærmere på de mekanismer der forhindrer syntese af enzymer, der ikke er nødvendige.
Fordi proteinsyntese kræver en enorm mængde energi, sparer celler energi, ved kun at fremstille de proteiner, der er nødvendige på et bestemt tidspunkt. Reguleringen af genekspressionen er på virket af interne og eksterne molekylære signaler. Vi skal se på hvordan kemiske reaktioner er reguleret ved styret genekspression.
Mange gener, måske 60 – 80%, er ikke reguleret, men er i stedet konstitutive, hvilket betyder, at deres produkter hele tiden produceres, med en fast hastighed. Normalt koder disse gener, der effektivt er ”tændte” hele tiden, for enzymer cellen har brug for i forholdsvise store mængder til de vigtige llivsprocesser. Glucose-enzymer et nogle eksempler. Produktionen af andre enzymer er reguleret sådan, at de kun er til stede når det er nødvendigt. Trypanosoma, protozoparasitten der forårsager afrikansk sovesyge, har hundredevis af gener der koder for overfladeglycoproteiner. Hver protozocelle tænder kun et glycoproteingen ad gangen. Som værtens immunsystem dræber parasitter med en type overflademolekyle, kan parasitter som udtrykker et andet overfladeglycoprotein, fortsætte med at vokse.
6.2.1 Pre-transkriptionel kontrol
To genetiske kontrolmekanismer, kendt som repression (undertrykkelse) og induktion, regulerer transskriptionen af mRNA og dermed syntesen af enzymer fra dem.
Repression
Den reguleringsmekanisme, som inhiberer genekspression og nedsætter syntesen af enzymer, kaldes repression. Repression er normalt et udtryk på en overflod af slutprodukter fra en metabolisk bane; det forårsager et fald i syntesen af enzymerne, der fører til dannelsen af produktet. Repressionen formidles af regulatoriske proteiner kaldet repressorer, der blokerer evnen for RNA polymerase til initiering af transskription fra undertrykte gener. Standardpositionen for et repressibelt gen er tændt.
Induktion
Den proces, der aktiverer transskriptionen af en gen eller gener, kaldes induktion. Et stof, der initierer transskriptionen af et gen, kaldes en inducer og enzymer, der syntetiseres i nærvær af induktorer er inducerbare enzymer. Generne der kræves for laktose metabolisme i E. coli er et velkendt eksempel på et inducerbart system. Et af disse gener koder for enzymet β-galactosidase, som opdeler laktose i to simple sukkerarter, glucose og galactose (β refererer til den type binding, der forbinder glucose og galactose). Hvis E. coli anbringes i et medium, hvor der ikke er noget laktose til stede, indeholder cellerne næsten intet β-galactosidase; men når laktose tilsættes til mediet, vil de bakterielle celler producere en stor mængde af enzymet. Laktose omdannes i cellen til den beslægtede forbindelse allolaktose, som er induceren for disse gener. Tilstedeværelsen af laktose inducerer således cellerne indirekte til at syntetisere mere enzym. Standardpositionen for et inducerbart gen er slukket.
Operonmodellen for genekspression
Detaljerne i kontrol af genekspression ved induktion og repression, er beskrevet ved operonmodellen udarbejdet i 1960’erne af François Jacob og Jacques Monod. Modellen viser induktion af enzymerne for laktose katabolismen i E. coli. Ud over β-galactosidase, indbefatter disse enzymer lac-permease, der er involveret i transporten af laktose ind i cellen og transacetylase, der metaboliserer andre disaccharider end laktose.
De tre gener der er involveret i laktoseoptag og –udnyttelse, sidder ved siden af hinanden på det bakterielle kromosom og reguleres sammen. Se figur 6.2.1.1. Disse gener som bestemmer strukturen af proteiner, kaldes for strukturelle gener for at skelne dem fra en tilstødende kontrolregion på DNA’et. Når laktose tilføres til dyrkningsmediet, bliver lac-strukturelle gener alle transskriberet og translateres hurtigt og samtidigt. Vi vil nu se på hvordan denne regulering foregår.
I kontrolregionen af lac-operonen er der to relativt korte segmenter af DNA. Den ene, promotoren, er det segment hvor RNA polymerase initierer transskriptionen. Den anden er den operator, der fungerer som et lyskryds med et start- eller stopsignal for transskriptionen af de strukturelle gener. Sættet af et operator og et promotor sted og de strukturelle gener de kontrollerer, definerer en operon; derfor kaldes kombinationen af de tre lac-strukturelle gener og deres tilstødende kontrolregioner for lac-operonen.
Et regulatorisk gen, kaldet I genet, koder for et repressorprotein, der tænder eller slukker inducerbare operoner. Lac-operonen er en inducerbar operon. Se figur 6.2.1.1. I fraværet at laktose, binder repressoren sig til operatorstedet, hvilket forhindrer transskription. Hvis laktose er til stede, binder repressoren sig til en metabolit på laktose i stedet for til operatoren og laktose-spaltende enzymer produceres.
I represserbare operoner, transskriberes de strukturelle gener indtil de bliver slået fra. Se figur 6.2.1.2. Generne for de enzymer der er involveret i syntesen af tryptophan, reguleres på denne måde. De strukturelle gener transskriberes og translateres, hvilket fører til tryptophansyntese. Når der er overskydende tryptophan til stede, fungerer tryptophan som et co-repressorkompleks, der binder sig til repressorproteinet. Repressorproteinet kan nu binde sig til operatoren og standse yderligere tryptophansyntese.
Positiv regulering
Reguleringen af laktose-operonen, er også afhængig af glucose-niveauet i mediet, som igen styrer det intracellulære niveau af det lille molekyle cyklisk AMP (cAMP), der er et stof udvundet af ATP der fungerer som et intracellulært alarmsignal. Enzymer, der metaboliserer glucose er konstitutive og celler vokser med deres maksimale hastighed med glucose som deres kulstofkilde, fordi de kan anvende det mest effektivt. Se figur 6.2.1.3. Når glucose ikke længere er tilgængeligt, akkumuleres cAMP i cellen. cAMP bindes til et allosterisk sted af det kataboliske aktivatorprotein (CAP). CAP bindes derefter til lac-promotoren, der initierer transskription, ved at gøre det lettere for RNA polymerase at binde sig til promotoren. Transskription af lac-promotoren kræver således både tilstedeværelsen af laktose og fraværet af glucose. Se figur 6.2.1.4.
Cyklisk AMP er et eksempel på en alarmon, et kemisk alarmsignal, der fremmer en celles respons på miljømæssigt eller næringsmæssigt stress (i dette tilfælde, manglen på glucose). Den samme mekanisme, der involverer cAMP, tillader cellen at bruge andre sukkerarter. Inhiberingen af metabolisme af alternative kulstofkilder end glucose, kaldes katabolitrepression (eller glucoseeffekten). Når glucose er til rådighed, er niveauet af cAMP er lavt og CAP er derfor ikke bundet.
Epigenetisk kontrol
Eukaryote celler og bakterieceller kan slå gener fra ved methylering af visse nukleotider – det vil sige ved at tilføje en methylgruppe (-CH3). De methylerede (slukkede) gener, videreføres til datterceller. I modsætning til mutationer, er dette ikke permanent og generne kan tændes i en senere generation. Dette kaldes epigenetisk arv (epigenetisk = på gener). Epigenetik kan forklare, hvorfor bakterier opfører sig anderledes i en biofilm.
6.2.2 Post-transkriptionel kontrol
Nogle reguleringsmekanismer, stopper proteinsyntesen efter transskription har fundet sted. Enkelt-strengede RNA molekyler på cirka 22 nukleotider, kaldet microRNA (miRNA), inhiberer proteinsyntesen i eukaryote celler. Hos mennesker frembringes miRNA under udviklingen, der tillader forskellige celler at producere forskellige proteiner. Hjerte- og hudceller har de samme gener, men cellerne i hvert organ producerer forskellige proteiner, på grund af miRNA produceret i hver celletype under udviklingen. Lignende små RNA molekyler i bakterier, aktiverer cellen til at kunne modstå miljøbelastninger, som for eksempel lav temperatur eller oxidative skader. Et miRNA basepar sammen med en komplementær mRNA, danner et dobbelt-strenget RNA. Dette dobbelt-strengede RNA er enzymatisk ødelagt, således at det mRNA kodede protein ikke kan fremstilles. Se figur 6.2.2.1.
