Εντοπίστε δύο διαφορές στον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης ανάμεσα στους προκαρυωτικούς και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Συγκρίνουμε την οργάνωση σε οπερόνια (προκαρυωτικά) με τη μεμονωμένη ρύθμιση κάθε γονιδίου (ευκαρυωτικά), και τα επίπεδα ρύθμισης.
Απάντηση: (1) Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς τα γονίδια μιας κοινής μεταβολικής οδού οργανώνονται σε οπερόνια με κοινό υποκινητή και ρυθμίζονται μαζί, ενώ στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς κάθε γονίδιο έχει το δικό του υποκινητή και ρυθμίζεται ξεχωριστά. (2) Στους προκαρυωτικούς η ρύθμιση γίνεται κυρίως στο επίπεδο της μεταγραφής, ενώ στους ευκαρυωτικούς η ρύθμιση γίνεται σε τέσσερα επίπεδα (μεταγραφή, μετά τη μεταγραφή, μετάφραση, μετά τη μετάφραση), λόγω της μεγαλύτερης πολυπλοκότητάς τους.
Τι είναι το οπερόνιο; Σε ποιους οργανισμούς συναντάται;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε τον ορισμό του οπερονίου ως λειτουργικής μονάδας ρύθμισης με δομικά γονίδια και ρυθμιστικές αλληλουχίες.
Απάντηση: Το οπερόνιο είναι μια λειτουργική μονάδα γονιδιακής ρύθμισης, που περιλαμβάνει δομικά γονίδια (τα οποία κωδικοποιούν ένζυμα μιας κοινής μεταβολικής οδού και βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο στο γονιδίωμα) μαζί με ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA (ρυθμιστικό γονίδιο, υποκινητή, χειριστή) που ελέγχουν από κοινού τη μεταγραφή τους. Συναντάται στους προκαρυωτικούς οργανισμούς (π.χ. το οπερόνιο της λακτόζης στο βακτήριο E. coli).
Στο οπερόνιο της λακτόζης ο καταστολέας προσδένεται: α. στον υποκινητή β. στην αρχή του πρώτου γονιδίου γ. στο χειριστή δ. στο mRNA ε. στο ρυθμιστικό γονίδιο.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε ότι ο καταστολέας προσδένεται στον χειριστή, εμποδίζοντας την RNA πολυμεράση να αρχίσει τη μεταγραφή.
Απάντηση: Σωστή είναι η (γ): ο καταστολέας προσδένεται στον χειριστή.
Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς η περιοχή του γονιδίου που μεταφράζεται είναι: α. το οπερόνιο β. ο υποκινητής γ. ο χειριστής δ. τα εσώνια ε. τα εξώνια στ. ο καταστολέας.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε ότι στο ώριμο mRNA (που μεταφράζεται) περιλαμβάνονται μόνο τα εξώνια — τα εσώνια έχουν αφαιρεθεί κατά την ωρίμανση.
Απάντηση: Σωστή είναι η (ε): τα εξώνια.
Τι είναι ο υποκινητής; α. περιοχή στην οποία προσδένεται ο καταστολέας β. περιοχή που προσδένεται η RNA πολυμεράση γ. γονίδιο που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη καταστολέα δ. ένα δομικό γονίδιο ε. ένα οπερόνιο.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε ότι ο υποκινητής είναι η περιοχή όπου προσδένεται η RNA πολυμεράση (με τη βοήθεια μεταγραφικών παραγόντων) για να αρχίσει τη μεταγραφή.
Απάντηση: Σωστή είναι η (β): περιοχή στην οποία προσδένεται η RNA πολυμεράση.
Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης είναι πιο πολύπλοκη στους πολυκύτταρους οργανισμούς επειδή: α. τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι πολύ μικρότερα. β. σε ένα πολύκυτταρο οργανισμό τα διάφορα κύτταρα εξειδικεύονται σε διαφορετικές λειτουργίες. γ. το περιβάλλον γύρω από έναν πολύκυτταρο οργανισμό αλλάζει συνεχώς. δ. οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί έχουν λιγότερα γονίδια, γι' αυτό κάθε γονίδιο πρέπει να έχει περισσότερες από μία λειτουργίες. ε. τα γονίδια των ευκαρυωτικών οργανισμών κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Ποια από τις παραπάνω προτάσεις είναι η σωστή; Αιτιολογήστε την απάντησή σας.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε ότι η αυξημένη πολυπλοκότητα της ρύθμισης στους πολυκύτταρους οργανισμούς οφείλεται στην ανάγκη κυτταρικής διαφοροποίησης — διαφορετικοί κυτταρικοί τύποι πρέπει να εκφράζουν διαφορετικά γονίδια, παρότι έχουν το ίδιο DNA.
Απάντηση: Σωστή είναι η (β): σε ένα πολύκυτταρο οργανισμό τα διάφορα κύτταρα εξειδικεύονται σε διαφορετικές λειτουργίες (κυτταρική διαφοροποίηση). Αφού όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού έχουν το ίδιο DNA, η μόνη οδός για να αποκτήσουν διαφορετική δομή και λειτουργία (π.χ. νευρικό, μυϊκό, ηπατικό κύτταρο) είναι η επιλεκτική έκφραση διαφορετικών συνδυασμών γονιδίων σε κάθε κυτταρικό τύπο — κάτι που απαιτεί πολύ πιο σύνθετους μηχανισμούς ρύθμισης σε σχέση με έναν μονοκύτταρο οργανισμό.
Τα κύτταρα του ήπατος, του δέρματος και τα μυϊκά κύτταρα είναι διαφορετικά επειδή: α. υπάρχουν διαφορετικά είδη γονιδίων στα κύτταρα. β. βρίσκονται σε διαφορετικά όργανα. γ. διαφορετικά γονίδια λειτουργούν σε κάθε είδος κυττάρου. δ. περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς γονιδίων. ε. διαφορετικές μεταλλάξεις έχουν συμβεί σε κάθε είδος κυττάρου. Ποια από τις παραπάνω προτάσεις είναι σωστή;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού έχουν το ίδιο γενετικό υλικό (ίδια γονίδια)· η διαφοροποίηση προκύπτει από το ποια γονίδια εκφράζονται (λειτουργούν) σε κάθε κυτταρικό τύπο, όχι από διαφορετικό DNA.
Απάντηση: Σωστή είναι η (γ): διαφορετικά γονίδια λειτουργούν (εκφράζονται) σε κάθε είδος κυττάρου, ενώ όλα τα κύτταρα διαθέτουν τα ίδια γονίδια.
Σε στέλεχος του βακτηρίου E. coli δε λειτουργεί το γονίδιο που παράγει τον καταστολέα του οπερονίου της λακτόζης. Ποιο είναι το αποτέλεσμα σε σχέση με την παραγωγή των ενζύμων που μεταβολίζουν τη λακτόζη αν στο βακτήριο απουσιάζει: α. παρουσία λακτόζης; β. απουσία λακτόζης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Χωρίς λειτουργικό καταστολέα, ο χειριστής δεν μπλοκάρεται ποτέ — άρα η RNA πολυμεράση είναι πάντα ελεύθερη να μεταγράψει τα δομικά γονίδια, ανεξάρτητα από την παρουσία λακτόζης.
Λύση:
Απάντηση: Χωρίς λειτουργικό καταστολέα, το οπερόνιο της λακτόζης δεν μπορεί ποτέ να τεθεί υπό καταστολή. α. Παρουσία λακτόζης: τα ένζυμα παράγονται κανονικά (όπως θα συνέβαινε ούτως ή άλλως). β. Απουσία λακτόζης: τα ένζυμα παράγονται συνεχώς, παρά την απουσία λακτόζης — το κύτταρο σπαταλά πόρους συνθέτοντας ένζυμα που δεν χρειάζεται, αφού δεν υπάρχει πλέον μηχανισμός καταστολής τους.