Transcriptional Control ใน Prokaryote

Transcriptional Control in Prokaryotic Cell 1. Binding ของ RNA Polymerase ต่อ Promoter RNA polymerase เป็น Holoenzyme จับกับ promoter ต้องแข็งแรงมาก ไม่เช่นนั้น enzyme จะหลุดออก 2. Operon Biochemical pathway ที่ต้องการใช้ enzymes เป็น group โดย group ของ genes จะ ถูกควบคุมด้วยกันทั้ง group อย่างต่อเนื่อง และประสานกัน เรียกว่า Operon

1. Binding RNA Polymerase ต่อ Promoter Promoter มี recognition sites ซึ่ง เป็น conserved และ consensus ประมาณ 12 base pairs แยกเป็น 2 sites คือ 1) Pribnow box มี 6 base pairs คือ TATAAT อยู่ upstream (-) ต่อ start point และอยู่ ติดกับ base -10 2) -35 sequence มี 6 bp คือ TTGACA อยู่ upstream และ อยู่ติดกับ base ที่ -35

Promoter sequence ของ RNA polymerase ใน E. coli

Set ของ genes ภายใต้ control ของอีก 1 gene Operon Set ของ genes ภายใต้ control ของอีก 1 gene

Operon Set หรือกลุ่มของ genes ที่มีหน่วยควบคุม (Regulation) และหน่วยแสดงออก (Expression) อยู่ติดกันอย่างต่อเนื่อง พบใน prokaryotic cells ประกอบด้วย ส่วน Regulation อยู่ก่อนหน้าและติดกับ structural gene และ ชุด Structural genes ซึ่งต่อเนื่องกันเป็น polycistronic gene

ส่วนประกอบพื้นฐานของ operon และ control Promoter Operator Structural genes Regulator Promoter & Operator ของ operon เอง Promoter ของ Regulator gene Effector (metabolite)

Control ของ Operon มี 2 แบบ Induction Control Repression Control

Induction Control Repression Control

Operon มี 2 ชนิด สร้างเอนไซม์สำหรับย่อย หรือ สลาย อาหาร Catabolic enzyme เพื่อย่อยสลายสารอาหาร Effectors induce ให้ operon ทำงาน --> Induction control เช่น lac operon (lactose), gal operon (galactose), ara operon (arabinose) Anabolic enzyme เพื่อสร้างสารอาหาร Effectors repress ไม่ให้ operon ทำงาน --> Repression control เช่น trp operon (tryptophan)

lac operon โดย Jacob & Monod, 1940’s

lac operon 3 genes code ให้ 3 enzymes สำหรับ lactose metabolism lacZ code ให้ b-galactosidase lacY code ให้ galactoside permease lacA code ให้ galactoside transacetylase

Permease pump lactose เข้า cell b-galactosidase ตัด lactose ให้เป็น glucose กับ galactose Transacetylase ช่วยในการตัด lacotse

ทั้ง 3 genes ของ lac operon ถูก transcribed ให้ mRNA จาก 1 promoter (บน DNA) และ ข้อมูลพันธุกรรมของทั้ง 3 genes อยู่บน mRNA เดียว นั่นคือ 1 mRNA มีหลาย genes / messages เรียกว่า Polycistronic message

Regulator ของ lac Operon Regulator gene คือ gene I ซึ่งมี promoter I เป็น regulatory site Regulatory site ใน operon เองอีก 2 sites ซึ่งอยู่ติดกันคือPromoter (P) และ Operator (O) อยู่ก่อน startpoint Effector คือ ปริมาณของ glucose และ lactose

Regulatory gene (I) encode ให้ lac repressor (protein) Promoter (P) สำหรับเป็นที่จับของ RNA Polymerase promoter แบ่งเป็น 2 ส่วน right promoter และ left promoter Operator (O) อยู่ถัดจาก promoter สำหรับเป็นที่จับของ lac repressor

Control Modes ของ lac Operon วิธีการควบคุม มี 2 วิธี คือ Negative control เมื่อ cells มี glucose เพียงพอ จึงไม่ต้องการ lactose (สลายให้ glucose + galactose) Positive control เมื่อ cells ขาด glucose จึงต้องการ lactose

1. Negative control ของ lac Operon : การปิด-เปิด Operator 1.1 Repression : turn off operon เมื่อไม่ต้องการ lactose เลี้ยง E. coli ในอาหารที่มีทั้ง glucose และ lactose เซลล์ จะเลือกใช้ glucose เป็นแหล่งพลังงานก่อน และ ปิด operon ไม่ให้ทำงานเพื่อประหยัดพลังงาน โดย lac I gene transcription mRNA Translation --> lac Repressor

lac Repressor จับที่ Operator --> ทำให้ RNA Polymerase ไม่จับ promoter --> ไม่มี Transcription --> ไม่มี mRNA ไม่มี Traanslation --> ไม่มี enzymes ทั้ง 3 ชนิด ไม่มีการใช้ lactose

Turn off lac operon โดย Repression No transcription

1.2 Derepression : turn on operon เมื่อต้องการ lactose เพราะใช้ glucose หมด เซลล์จึงใช้ allolactose ที่มีอยู่แล้วในเซลล์เป็น Inducer Allolactose + repressor --> Inducer-repressor complex Inducer-repressor complex จับ operator ไม่ได้ RNA Polymerase สามารถจับ promoter ได้ และ Transcription lacZ, lacY และ lacA ให้ mRNA --> Translation --> enzymes 3 ชนิด นำ lactose เข้าเซลล์ และย่อยสลายให้พลังงานได้

Turn on lac operon โดย Derepression

2. Positive Control ของ lac Operon เปิด Operator เมื่อขาด glucose ปกติ Repressor จับ operator ไม่แข็งแรง เมื่อขาด glucose ทำให้ระดับของ cAMP [cyclic 3’, 5’-adenosine monophosphate] เพิ่มขึ้น เซลล์ต้องใช้ positive control เพื่อนำ lactose เข้าไปใช้ โดย Cyclic AMP (cAMP) และ Catabolite activator protein (CAP) เป็น receptor receptor สำหรับจับ cAMP

cAMP + CAP ---------------> CAP-cAMP complex CAP-cAMP complex จับที่ Lt Promotor RNA polymerase จับที่ Rt Promotor lacZ, lacY และ lacA genes Transcription ได้ mRNA Translation ได้ 3 enzymes

Positive (CAP-cAMP) control ของ lac operon

trp Operon (Trip operon)

trp Operon Set ของ genes ที่ code enzymes ใช้ในการผลิต Tryptophan ประกอบด้วย 4 regulatory sequences คือ trpP, trpO, Leader (trpL) และ Attenuator (a) {trpO ซ้อนใน trpP และ a ซ้อนใน trpL} 5 structural genes คือ trpE, trpD, trpC, trpB, และ trpA

ส่วนประกอบของ trp( tryptophan) operon ใน E. coli

Products ของ trp operon

Regulation ของ trp Operon trpR gene อยู่ไกลจาก operon Regulatory sequences ของ operon เอง อยู่ติด trpE Promoter (trpP) Operator (trpO) ซ้อนใน trpP trpL (leader) Attenuator (a) ซ้อนใน trpL

Modes of Control ของ trp operon Modes ของ control 2 วิธี 1. Negative control 1.1 No Repression (Low tryptophan) 1.2 Repression (High tryptophan) 2. Attenuation control 2.1 Low tryptophan 2.2 High tryptophan

1. Negative control : การปิด - เปิด Operator 1.1 No Repression : เปิด operator เมื่อ tryptophan ปริมาณต่ำ เซลล์ต้องสังเคราะห์เพิ่ม trpR transcribed ให้ --> mRNA mRNA translated ให้ Aporepressor monomer (inactive) RNA Pol จับที่ trpP --> transcription --> mRNAs --> translation ให้ Enzymes สร้าง tryptophan

Tryptophan ต่ำ, No repression, Operator ว่าง

1.2 Repression: ปิด operator เมื่อมี tryptophan มาก (ไม่ต้องการสร้างใหม่) trpR transcribe และ translate ให้ Aporepressor monomer Aporepressor monomer ไม่เป็น repressor Tryptophan ทำหน้าที่เป็น corepressor Tryptophan + Aporepressor อย่างละ 2 หน่วย --> ได้เป็นAporepressor-tryptophan dimer ทำหน้าที่เป็น Repressor Repressor + Operator --> RNA Pol ทำงานไม่ได้ --> no transcription ---> no enzymes

Tryptophan สูง, Repressor, Operator ไม่ว่าง

2. Attenuation control: Premature transcription เนื่องจาก repression อ่อนมาก ขณะมีมาก tryptophan จึงต้องมีการควบคุมอีกวิธีที่แข็งแรงมากกว่า คือ Attenuation ช่วยยับยั้งการสังเคราะห์ tryptophan โดย Premature transcription ของ structural genes Attenuation มี 2 genes คือ Leader (trpL) และ Attenuator trpL และ attenuator อยู่ระหว่าง P/O กับ trpE

trpL transcribe ให้ Leader ของ mRNA --> Leader peptide Attenuator มี transcription stop signal ซึ่งเป็น 4 inverted repeats ของ A-T ที่ทำ 2 hairpins ขัดขวางการทำงานของ RNA polymerase --> premature termination ของ transcription

Transcription 2.1 Low tryptophan: Mature transcription Attenuator ทำ 1 hairpin Ribosome ไม่ชะงัก RNA Pol ผ่าน attenuator ไป ตลอด operon --> transcription Transcription

2.2 High tryptophan: Premature transcription Attenuator ทำ 2 hairpins Ribosome หยุดที่ stop codon และหลุดออก ทฑ์ฤ RNA Pol หยุด ไปไม่ถึง trp E

Transcriptional Control in Eukaryotes