Operón

En genética , un operón es una unidad funcional de ADN que contiene un grupo de genes bajo el control de un único promotor . ^{[ 1 ]} Los genes se transcriben juntos en una cadena de ARNm y se traducen juntos en el citoplasma, o bien se someten a empalme para crear ARNm monocistrónicos que se traducen por separado, es decir, varias cadenas de ARNm que codifican cada una un único producto génico. Como resultado, los genes contenidos en el operón se expresan juntos o no se expresan en absoluto. Varios genes deben cotranscribirse para definir un operón. ^{[ 2 ]}

Originalmente, se pensaba que los operones existían únicamente en procariotas (que incluyen orgánulos como los plastidios derivados de bacterias ), pero su descubrimiento en eucariotas se demostró a principios de la década de 1990 y se consideran raros. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} En general, la expresión de operones procariotas conduce a la generación de ARNm policistrónicos , mientras que los operones eucariotas conducen a ARNm monocistrónicos.

Los operones también se encuentran en virus como los bacteriófagos . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Por ejemplo, los fagos T7 tienen dos operones. El primer operón codifica varios productos, incluyendo una ARN polimerasa T7 especial que puede unirse al segundo operón y transcribirlo. El segundo operón incluye un gen de lisis cuya función es provocar la ruptura de la célula huésped. ^{[ 9 ]}

El término "operón" se propuso por primera vez en un breve artículo publicado en las Actas de la Academia Francesa de Ciencias en 1960. ^{[ 10 ]} A partir de este artículo, se desarrolló la denominada teoría general del operón. Esta teoría sugería que, en todos los casos, los genes dentro de un operón están controlados negativamente por un represor que actúa en un único operador situado antes del primer gen. Posteriormente, se descubrió que los genes podían estar regulados positivamente y también en etapas posteriores al inicio de la transcripción. Por lo tanto, no es posible hablar de un mecanismo regulador general, ya que los diferentes operones tienen mecanismos distintos. Hoy en día, el operón se define simplemente como un grupo de genes transcritos en una única molécula de ARNm. No obstante, el desarrollo del concepto se considera un hito en la historia de la biología molecular. El primer operón descrito fue el operón lac en E. coli . ^{[ 10 ]} El Premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1965 fue otorgado a François Jacob , André Michel Lwoff y Jacques Monod por sus descubrimientos sobre el operón y la síntesis de virus.

Los operones se encuentran principalmente en procariotas , pero también, aunque raramente, en algunos eucariotas , incluidos nematodos como C. elegans y la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster . ^{[ 3 ]} Los genes de ARNr suelen estar presentes en operones que se han encontrado en diversos eucariotas, incluidos los cordados . Un operón está compuesto por varios genes estructurales organizados bajo un promotor común y regulados por un operador común. Se define como un conjunto de genes estructurales adyacentes, más las señales reguladoras adyacentes que afectan la transcripción de los genes estructurales. ^{[ 5 ] [ 12 ]} Los reguladores de un operón dado, incluidos represores , correpresores y activadores , no necesariamente están codificados por ese operón. La ubicación y el estado de los reguladores, el promotor, el operador y las secuencias de ADN estructurales pueden determinar los efectos de las mutaciones comunes.

Los operones están relacionados con los regulones , los estimulones y los modulones ; mientras que los operones contienen un conjunto de genes regulados por el mismo operador, los regulones contienen un conjunto de genes regulados por una sola proteína reguladora, y los estimulones contienen un conjunto de genes regulados por un solo estímulo celular. Según sus autores, el término "operón" deriva del verbo "operar". ^{[ 13 ]}

Un operón contiene uno o más genes estructurales que generalmente se transcriben en un ARNm policistrónico (una sola molécula de ARNm que codifica para más de una proteína ). Sin embargo, la definición de un operón no requiere que el ARNm sea policistrónico, aunque en la práctica, suele serlo. ^{[ 6 ]} Aguas arriba de los genes estructurales se encuentra una secuencia promotora que proporciona un sitio para que la ARN polimerasa se una e inicie la transcripción. Cerca del promotor se encuentra una sección de ADN llamada operador .

Todos los genes estructurales de un operón se activan o desactivan simultáneamente debido a un único promotor y operador situados río arriba, pero a veces se requiere un mayor control sobre la expresión génica. Para lograr esto, algunos genes bacterianos se encuentran cerca unos de otros, pero cada uno tiene un promotor específico; esto se denomina agrupamiento génico . Generalmente, estos genes codifican proteínas que trabajan juntas en la misma vía metabólica. El agrupamiento génico ayuda a la célula procariota a producir enzimas metabólicas en el orden correcto. ^{[ 14 ]} En un estudio, se ha planteado que en las arqueas (Asgard) , los genes que codifican proteínas ribosómicas se presentan en grupos cuya organización está menos conservada que en otras arqueas ; cuanto más se asemeja una arquea (Asgard) a los eucariotas , más dispersa es la disposición de los genes que codifican proteínas ribosómicas. ^{[ 15 ]}

Un operón está compuesto por 3 componentes básicos de ADN:

• Promotor : una secuencia de nucleótidos que permite la transcripción de un gen. La ARN polimerasa reconoce el promotor , que inicia la transcripción. En la síntesis de ARN, los promotores indican qué genes deben utilizarse para la creación de ARN mensajero y, por extensión, controlan qué proteínas produce la célula.
• Operador : un segmento de ADN al que se une un represor . En el operón lac, se define clásicamente como un segmento entre el promotor y los genes del operón. ^{[ 16 ]} El operador principal (O1) en el operón lac se encuentra ligeramente corriente abajo del promotor; dos operadores adicionales, O2 y O3, se ubican en -82 y +412, respectivamente. En el caso de un represor, la proteína represora obstruye físicamente la transcripción de los genes por la ARN polimerasa.
• Genes estructurales : aquellos genes que están corregulados por el operón.

Aunque no siempre se incluye dentro del operón, un gen regulador es importante para su función . Este gen, que se expresa constantemente, codifica proteínas represoras . El gen regulador no necesita estar dentro, adyacente o incluso cerca del operón para controlarlo. ^{[ 17 ]}

Un inductor (molécula pequeña) puede desplazar a un represor (proteína) del sitio operador (ADN), lo que da como resultado un operón sin inhibir.

Alternativamente, un correpresor puede unirse al represor para permitir su unión al sitio operador. Un buen ejemplo de este tipo de regulación se observa en el operón trp .

El control de un operón es un tipo de regulación genética que permite a los organismos regular la expresión de diversos genes en función de las condiciones ambientales. La regulación del operón puede ser negativa o positiva, mediante inducción o represión. ^{[ 16 ]}

El control negativo implica la unión de un represor al operador para impedir la transcripción.

• En los operones inducibles negativos , una proteína represora reguladora se une normalmente al operador, impidiendo la transcripción de los genes del operón. Si hay una molécula inductora presente, esta se une al represor y modifica su conformación, impidiendo que se una al operador. Esto permite la expresión del operón. El operón lac es un operón inducible de control negativo, donde la molécula inductora es la alolactosa .
• En los operones reprimibles negativos , la transcripción del operón se produce normalmente. Las proteínas represoras son producidas por un gen regulador , pero no pueden unirse al operador en su conformación habitual. Sin embargo, ciertas moléculas llamadas correpresores se unen a la proteína represora, provocando un cambio conformacional en el sitio activo. La proteína represora activada se une al operador e impide la transcripción. El operón trp , implicado en la síntesis de triptófano (que actúa como correpresor), es un operón reprimible de control negativo.

Los operones también pueden estar sujetos a control positivo. En este caso, una proteína activadora estimula la transcripción al unirse al ADN (generalmente en un sitio distinto al del operador).

• En los operones inducibles positivos , las proteínas activadoras normalmente no pueden unirse al ADN correspondiente. Cuando un inductor se une a la proteína activadora, experimenta un cambio conformacional que le permite unirse al ADN y activar la transcripción. Un ejemplo de operones inducibles positivos es la familia MerR de activadores transcripcionales.
• En los operones represibles positivos , las proteínas activadoras normalmente se unen al segmento de ADN correspondiente. Sin embargo, cuando un inhibidor se une al activador, se impide que este se una al ADN. Esto detiene la activación y la transcripción del sistema.

El operón lac de la bacteria modelo Escherichia coli fue el primero en descubrirse y constituye un ejemplo típico de su función. Consta de tres genes estructurales adyacentes , un promotor , un terminador y un operador . El operón lac está regulado por diversos factores, como la disponibilidad de glucosa y lactosa . Puede activarse mediante alolactosa . La lactosa se une a la proteína represora e impide que esta reprima la transcripción génica. Este es un ejemplo del modelo desreprimible (o inducible negativo). Por lo tanto, se trata de un operón inducible negativo, activado por la presencia de lactosa o alolactosa.

Descubierto en 1953 por Jacques Monod y sus colegas, el operón trp en E. coli fue el primer operón reprimible en ser descubierto. Mientras que el operón lac puede ser activado por una sustancia química ( alolactosa ), el operón triptófano (Trp) es inhibido por una sustancia química (triptófano). Este operón contiene cinco genes estructurales: trp E, trp D, trp C, trp B y trp A, que codifica la triptófano sintetasa . También contiene un promotor que se une a la ARN polimerasa y un operador que bloquea la transcripción cuando se une a la proteína sintetizada por el gen represor (trp R) que se une al operador. En el operón lac, la lactosa se une a la proteína represora e impide que reprima la transcripción génica, mientras que en el operón trp, el triptófano se une a la proteína represora y le permite reprimir la transcripción génica. A diferencia del operón lac, el operón trp contiene un péptido líder y una secuencia atenuadora que permite una regulación gradual. ^{[ 18 ]} Este es un ejemplo del modelo de correpresión .

El número y la organización de los operones se han estudiado con mayor profundidad en E. coli . Como resultado, se pueden realizar predicciones basadas en la secuencia genómica de un organismo.

Un método de predicción utiliza la distancia intergénica entre marcos de lectura como predictor principal del número de operones en el genoma. La separación simplemente cambia el marco y garantiza que la lectura sea eficiente. Existen segmentos más largos donde comienzan y terminan los operones, a menudo de hasta 40-50 bases. ^{[ 19 ]}

Un método alternativo para predecir operones se basa en encontrar grupos de genes donde el orden y la orientación de los genes se conservan en dos o más genomas. ^{[ 20 ]}

La predicción de operones es aún más precisa si se considera la clase funcional de las moléculas. Las bacterias han agrupado sus marcos de lectura en unidades, aisladas por su participación conjunta en complejos proteicos, vías metabólicas comunes o sustratos y transportadores compartidos. Por lo tanto, una predicción precisa requeriría todos estos datos, una tarea realmente difícil.

El laboratorio de Pascale Cossart fue el primero en identificar experimentalmente todos los operones de un microorganismo, Listeria monocytogenes . Los 517 operones policistrónicos se enumeran en un estudio de 2009 que describe los cambios globales en la transcripción que ocurren en L. monocytogenes bajo diferentes condiciones. ^{[ 21 ]}

Los promotores primarios son los principales controladores de los operones. Sin embargo, muchos operones tienen promotores internos. Por ejemplo, la mitad de todos los operones de E. coli tienen promotores internos . ¿Qué sucede cuando tanto los promotores primarios como los internos se ven perturbados simultáneamente? Un estudio reciente analizó cómo cada gen en cada operón respondía a tales estrés en todo el genoma. ^{[ 22 ]} Encontraron que muchos eventos de transcripción de los operones terminan prematuramente en esas condiciones. También encontraron que los promotores internos compensan significativamente esas terminaciones, creando un patrón de respuesta ondulatorio a lo largo de los operones. Luego, se demostró que lo mismo ocurre en bacterias evolutivamente distantes, como Bacillus subtilis, Corynebacterium glutamicum y Helicobacter pylori.

• biología del desarrollo evolutivo
• Código genético
• Red reguladora de genes
• operón de L-arabinosa
• Biosíntesis de proteínas
• Caja TATA
• Cromotest de Umu

• Navegador de correlación de operones H37Rv de Mycobacterium tuberculosis
• OBD - Base de datos de Operon (aunque un poco difícil de usar)