Lac operon: descoberta e função - Ciência - 2023

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o operon lac é um grupo de genes estruturais cuja função é codificar proteínas envolvidas no metabolismo da lactose. São genes que se organizam consecutivamente no genoma de quase todas as bactérias e têm sido estudados com especial esforço no "modelo" de bactérias Escherichia coli.

O operon lac foi o modelo usado por Jacob e Monod em 1961 para propor arranjos genéticos na forma de um operon. Em seu trabalho, esses autores descreveram como a expressão de um ou mais genes poderia ser “ligada” ou “desligada” em decorrência da presença de uma molécula (lactose, por exemplo) no meio de crescimento.

As bactérias que crescem em meios de crescimento ricos em compostos carbonosos ou açúcares diferentes da lactose, como a glicose e a galactose, possuem quantidades muito baixas das proteínas necessárias para o metabolismo da lactose.

Então, na ausência de lactose, o operon é "desligado", impedindo a RNA polimerase de transcrever o segmento gênico correspondente ao operon lac. Quando a célula “sente” a presença de lactose, o operon é ativado e esses genes são transcritos normalmente, o que é conhecido como “ligar” o operon.

Todos os genes do operon são traduzidos em uma única molécula de RNA mensageiro e, portanto, qualquer fator que regule a transcrição desse RNA mensageiro do operon lac irá regular diretamente a transcrição de qualquer gene que pertença a ele.

Descoberta

A teoria de Jacob e Monod se desenvolveu em um contexto em que muito pouco se sabia sobre a estrutura do DNA. E isso aconteceu apenas oito anos antes de Watson e Crick terem feito sua proposta sobre a estrutura do DNA e do RNA, de modo que os RNAs mensageiros quase não eram conhecidos.

Jacob e Monod, na década de 1950, já haviam demonstrado que o metabolismo da lactose bacteriana era geneticamente regulado por duas condições muito específicas: a presença e a ausência de lactose.

Os dois cientistas observaram que uma proteína com características semelhantes a uma enzima alostérica era capaz de detectar a presença de lactose no meio e que, uma vez detectado o açúcar, estimulava-se a transcrição de duas enzimas: uma lactose permease e uma galactosidase.

Hoje se sabe que a permease desempenha um papel no transporte da lactose para a célula e que a galactosidase é necessária para "quebrar" ou "cortar" a molécula de lactose em glicose e galactose, de modo que a célula pode tirar vantagem deste dissacarídeo em suas partes constituintes.

Na década de 1960, já havia sido determinado que a lactose permease e a galactosidase eram codificadas por duas sequências genéticas adjacentes, a região Z e a região Y, respectivamente.

Finalmente, em 1961, Jacob e Monod apresentaram um modelo genético composto de cinco elementos genéticos:

- Um promotor

- Uma operadora e

- genes Z, Y e A.

Todos esses segmentos são traduzidos em um único RNA mensageiro e constituem as partes essenciais para definir praticamente qualquer operon bacteriano na natureza.

Análise genética e experimentos

Jacob, Monod e seus colaboradores conduziram muitos experimentos com células bacterianas que tinham mutações que tornavam as cepas incapazes de metabolizar a lactose. Essas cepas foram identificadas com o nome da cepa e a mutação correspondente que possuíam.

Dessa forma, os pesquisadores conseguiram identificar que mutações nos genes lacZ, que codifica a β-galactosidase, e lacY, que codifica a lactose permease, produziam bactérias do tipo lac.–, ou seja, bactérias incapazes de metabolizar a lactose.

A partir do “mapeamento genético” com enzimas de restrição, foi posteriormente determinada a localização dos genes nas diferentes cepas, fato que permitiu estabelecer que os três genes lacZ, lacY e lacA se encontram (nessa ordem) no cromossomo bacteriano de um grupo de genes adjacentes.

A existência de outra proteína, denominada proteína repressora, que não é necessariamente considerada como uma “parte” do operon, foi elucidada por meio de mutações em um gene denominado lacI-. Ele codifica uma proteína que se liga à região "operadora" do operon e evita a transcrição dos genes da β-galactosidase e da lactose permease.

Diz-se que essa proteína não faz parte dos genes que compõem o operon lac, pois na verdade estão localizados "a montante" deste e são transcritos em diferentes RNAs mensageiros.

As cepas bacterianas que possuem a mutação lacI- expressam "constitutivamente" os genes lacZ, lacY e lacA, o que ocorre independentemente da presença ou ausência de lactose no ambiente extracelular.

Muitas dessas observações foram corroboradas pela transferência dos genes lacI + e lacZ + para uma célula bacteriana que não produziu as proteínas codificadas por esses genes em um meio sem lactose.

Uma vez que as bactérias "transformadas" desta forma apenas produziram a enzima β-galactosidase na presença de lactose, a experiência confirmou que o gene lacI era importante para a regulação da expressão do operão lac.

Função

O operon lac regula a transcrição de genes que são necessários para que as bactérias assimilem a lactose como fonte de carbono e energia. No entanto, a transcrição desses genes só ocorre quando a principal fonte de energia corresponde aos carboidratos do tipo galactosídeo.

Em células bacterianas, existem mecanismos que regulam a expressão dos genes do operon lac quando estão na presença de glicose ou de qualquer outro açúcar que seja "mais fácil" de metabolizar.

A metabolização desses açúcares envolve seu transporte para a célula e sua decomposição ou processamento subsequente.

A lactose é usada como uma fonte alternativa de energia para bactérias, ajudando-as a sobreviver mesmo depois que outras fontes de energia no ambiente, como a glicose, se esgotam.

O modelo de operon lac foi o primeiro sistema genético desse tipo a ser elucidado e, portanto, serviu de base para a descrição de muitos outros operons no genoma de diferentes tipos de microrganismos.

Com o estudo desse sistema, muito progresso foi feito no entendimento do funcionamento das proteínas do tipo "repressor" que se ligam ao DNA. Também houve progresso no entendimento das enzimas alostéricas e como elas agem seletivamente no reconhecimento de um ou outro substrato.

Outro avanço importante que surgiu com o estudo do operon lac foi o estabelecimento do papel crucial que os RNAs mensageiros desempenham na tradução das instruções encontradas no DNA e também como uma etapa anterior à síntese protéica.

Referências

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