บทที่ 13 การควบคุมการแสดงออกของยีน

1 บทท่ี 13 การควบคุมการแสดงออกของยนี บทนา โครโมโซมของแบคทีเรียจะมียีนท่ีแตกต่างกันอยู่เพยี งไม่ก่ีพันยีน การควบคุมการแสดงออก ของยีนเป็นปรากฎการซึง่ ระดับของการแสดงออกของยีนเปลี่ยนแปลงไปภายใต้สภาวะท่ีแตกต่างกัน เมื่อเปรียบเทียบกับยีนท่ีไม่มกี ารควบคุมการแสดงจะมีระดับการแสดงออกคงท่ีในทุกสภาวะ เรียกว่า constitutive gene ซ่ึงเป็นยีนท่ีมีการแปลรหัสเป็นโปรตีนที่จาเป็นต่อการอยู่รอดของแบคทีเรีย ในทางตรงกันข้ามยีนส่วนใหญ่จะถูกควบคุมการแสดงออกเพ่ือผลิตโปรตีนที่ต้องการในเวลาและ ปริมาณที่เหมาะสม ประโยชน์หลักของการควบคุมการแสดงออกของยีนคือการผลิตโปรตีนที่เฉพาะเม่ือจาเป็น เท่าน้ัน ดังน้ันเซลล์จะหลีกเล่ียงการสูญเสียพลังงานที่มีคุณค่าเพ่ือใช้ผลิตโปรตีนท่ีไม่ต้องการ จาก มุมมองของการคัดเลือกโดยธรรมชาติการควบคุมการแสดงออกของยีนจะทาให้แบคทีเรียสามารถ แข่งขันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าท่ีจะเป็นไปได้เมื่อทรัพยากรมีจากัด การควบคุมการ แสดงออกของยีนจึงมีความสาคัญเป็นพิเศษเน่ืองจากแบคทีเรียจะอยู่ในสภาพแวดล้อมท่ีมีการ เปล่ียนแปลงตลอดเวลา ต่อไปน้เี ป็นกระบวนการบางส่วนในการควบคุมการแสดงออกของยนี ในระดบั พันธุกรรม 1. การเผาผลาญอาหาร: โปรตีนบางชนิดมีบทบาทในการเผาผลาญโมเลกุลขนาดเล็ก ตัวอย่างเช่นเอนไซม์บางชนิดมีความจาเป็นสาหรับแบคทีเรียในการเผาผลาญน้าตาลโดยเฉพาะ เอนไซม์เหลา่ นจ้ี ะถกู ผลิตขนึ้ เฉพาะเมื่อแบคทเี รียสมั ผัสกับนา้ ตาลในส่งิ แวดล้อม 2. การตอบสนองต่อความเคลียดจากสภาพแวดล้อม: โปรตีนบางชนิดช่วยให้แบคทีเรีย สามารถอยู่รอดได้จากความเครียดท่ีเกิดจากสภาพแวดล้อมเช่น แรงดันออสโมทิค หรือ ความร้อน โปรตีนเหลา่ นีจ้ ะถกู ผลติ เมอ่ื แบคทเี รยี เผชญิ กบั ความเครียดดังกล่าว 3. การแบ่งเซลล์: โปรตีนบางชนิดจาเป็นสาหับการแบ่งเซลล์ ซึ่งโปรตีนเหล่าจะถูกผลิตขึ้น เม่ือเซลลแ์ บคทีเรยี กาลังเตรียมทีจ่ ะแบ่งเซลล์ การแสดงออกของยีนซ่ึงถูกแปลรหัสไปเป็นโปรตีนมีกระบวนการหลายขั้นตอนเช่น กระบวนการการถอดรหัสจากดเี อ็นเอไปเป็น mRNA จนถึงกระบวนการแปลรหัสจาก mRNA ไปเป็น

2 โปรตีน และอาจเก่ียวข้องกับกระบวนการหลังการแปลรหัสซึ่งส่งผลต่อโครงสร้างและหน้าท่ีของ โปรตนี การควบคุมการแสดงออกของยนี อาจเกิดข้นึ ที่ข้ันตอนใด ๆ ในกระบวนการแสดงออกของยีน ซึง่ การควบคมุ การแสดงออกของยีนท่พี บมากท่ีสุดคอื ท่ีการควบคุมการแสดงออกของยีนในระดับการ ลอกรหัส (transcription regulation) คือการลอกรหัสขของยีนจากดีเอ็นเอได้เป็น mRNA ซ่ึงใน หนว่ ยเรยี นนีเ้ ราจะศกึ ษาการควบคุมการแสดงออกของยนี ในระดับการลอกรหัสของแบคทเี รียซ่ึงเป็น พื้นฐานสาคญั สาหรบั ความเข้าใจการแสดงออกของยนี ในสง่ิ มชี วี ิตอ่นื ๆ 13.1 การควบคมุ การแสดงออกของยีนในระดบั การลอกรหสั ในแบคทีเรียการควบคุมการแสดงออกของยีนที่พบมากท่ีสุดคือท่ีระ ดับการลอกรหัสซ่ึง จะ ส่งผลต่ออัตราการสังเคราะห์อารเ์ อ็นเอจะทาให้การลอกรหัสเพิ่มขึ้นหรือลดลงน้ันหมายความว่าการ สงั เคราะห์อาร์เอน็ เอสามารถเพิม่ ข้ึนหรอื ลดลงได้ การควบคมุ การถอดรหัสจะเก่ยี วข้องกบั โปรตนี ควบคมุ (regulatory protein) ซึ่งเปน็ โปรตนี ท่ีสามารถเกาะกับดีเอ็นเอและส่งผลกระทบต่ออัตราการถอดรหัสของยีน โดยโปรตีนควบคุมมี 2 ประเภทคือ 1. ประเภทกระตุ้น หรือ แอคติเวเตอร์ (activator) เป็นโปรตีนเกาะกับดีเอ็นเอแล้วทาให้ อตั ราการถอดรหสั เพิม่ ข้นึ ซ่งึ เปน็ การควบคมุ เชิงบวก (positive control) 2. ประเภทยับยงั้ หรือ รีเพรสเซอร์ (repressor) เป็นโปรตีนที่เม่ือเกาะกับดีเอ็นเอแล้วทาให้ อตั ราการถอดรหสั ลดลง ซึง่ เป็นการควบคุมเชิงลบ (negative control) โปรตีนควบคมุ จะทางานรวมกบั โมเลกุลขนาดเล็กทเ่ี รียกว่า โมเลกลุ เอฟเฟคเตอร์ (effector) ซ่ึงเปน็ โมเลกุลท่มี ีบทบาทสาคญั ในการควบคุมการลอกรหัส โดยโปรตนี เอฟเฟคเตอรจ์ ะจับกบั โปรตีน ควบคุมแล้วทาให้โปรตีนควบคุมเปล่ียนรูปซ่ึงมีผลต่อความสามารถในการยึดเกาะดีเอ็นเอของโปรตีน ควบคุม โมเลกลุ เอฟเฟคเตอรส์ ามารถแบง่ ได้ 2 ชนิด คือ 1. โมเลกุลเอฟเฟคเตอร์ขนาดเล็กท่ีเมื่อเกาะกับโปรตีนควบคุมแล้วจะทาให้การมีการ ถอดรหสั เพ่มิ ขึ้น เรยี กวา่ อนิ ดวิ เซอร์ (inducer) โดยเกิดขึ้นได้ 2 วิธี 1.1 อินดิวเซอร์เกาะกับโปรตีนควบคุมชนิด รีเพรสเซอร์ (repressor) ป้องกันไม่ให้ โปรตีนควบคมุ รเี พรสเซอรเ์ กาะกับดีเอ็นเอ ทาใหอ้ ัตราการถอดรหัสเพม่ิ ขนึ้ (รปู ที่ 13.1) ในกรณีทไี่ ม่มี

3 อินดิวเซอร์โปรตีนควบคุมรีเพรสเซอร์จะไปขัดขวางการถอดรหัส เม่ือมีอินดิวเซอร์เกาะกับโปรตีน ควบคุมรีเพรสเซอร์จะเกิดการเปล่ียนแปลงโครงสร้างของโปรตีนควบคุมรีเพร สเซอร์ทาให้โปรตีน ควบคุมรเี พรสเซอรไ์ ม่สามารถเกาะกบั ดเี อน็ เอได้ ทาให้กระบวนการถอดรหัสเกิดขึน้ ได้ โปรโมเตอร์ DNA RNA polymerase รีเพรสเซอร์ ไมเ่ กิดการถอดรหัส RNA เกดิ การถอดรหสั อนิ ดวิ เซอร์ รีเพรสเซอร์ รูปที่ 13.1 การควบคุมการทางานเชิงลบ โดยการกระตุ้น (ท่มี า Brooker, 2012) 1.2 อนิ ดิวเซอรเ์ กาะกับโปรตนี ควบคุมชนิด แอคติเวเตอร์ (activator) ทาใหโ้ ปรตีน ควบคุมแอคติเวเตอร์ (activator) สามารถเกาะกับดีเอ็นเอได้ ทาให้อัตราการถอดรหัสเพ่ิมขึ้น (รูปท่ี 13.2) โปรตนี ควบคมุ แอคตเิ วเตอร์ไมส่ ามารถเกาะกบั ดีเอ็นเอได้ ยกเวน้ เมือ่ มีอินดิวเซอรอ์ ยู่ เมอ่ื อนิ ดิว เซอรเ์ กาะกบั โปรตนี ควบคมุ แอคตเิ วเตอรจ์ ะชว่ ยใหโ้ ปรตีนควบคุมแอคติเวเตอร์สามารถเกาะกับดีเอ็น เอไดแ้ ละทาให้เกดิ การถอดรหสั ไม่เกดิ การถอดรหสั อนิ ดิวเซอร์ แอคติเวเตอร์ RNA polymerase แอคตเิ วเตอร์ เกิดการถอดรหัส รปู ที่ 13.2 การควบคมุ การทางานเชงิ บวก แบบกระตนุ้ (ท่ีมา Brooker, 2012) ซง่ึ ยนี ทม่ี ีการทางานแบบรปู ที่ 13.1 และรปู ที่ 13.2 จะถูกเรียกว่า inducible gene 2. โมเลกุลเอฟเฟคเตอร์ขนาดเล็กที่เม่ือเกาะกับโปรตีนควบคุมแล้วจะทาให้การมีการ ถอดรหสั ลดลง ซง่ึ ไดแ้ ก่ corepressor และ inhibitor ซ่งึ สามารถเกดิ ได้ 2 วธิ ี คือ 2.1 Corepressor เกาะกับโปรตีนควบคุมชนิด รีเพรสเซอร์ (repressor) ทาให้ โปรตีนควบคุมรีเพรสเซอร์สามารถเกาะกับดีเอ็นเอได้ทาให้อัตราการถอดรหัสลดลง (รูปที่ 13.3) ใน

4 กรณีท่ีไม่มี corepressor โปรตีนควบคุมรีเพรสเซอร์จะไม่สามารถเกาะกับดีเอ็นเอได้ดังนั้นจะมีการ ถอดรหสั เกิดขน้ึ แต่เม่ือมี corepressor เกาะกบั โปรตนี ควบคุมรเี พรสเซอร์ทาให้เกดิ การเปลี่ยนแปลง โครงสร้างของโปรตีนควบคุมรีเพรสเซอร์ช่วยให้โปรตีนควบคุมรีเพรสเซอร์เกาะกับดีเอ็นเอได้และ ยับยั้งการถอดรหสั RNA polymerase เกดิ การถอดรหัส corepressor ไม่เกดิ การถอดรหัส รเี พรสเซอร์ รเี พรสเซอร์ รูปที่ 13.3 การควบคุมการทางานเชงิ ลบ แบบยับย้ัง (ที่มา Brooker, 2012) 2.2 inhibitor เกาะกับโปรตีนควบคุมชนิด แอคติเวเตอร์ (activator) ทาให้โปรตีน ควบคุมชนิดแอคติเวเตอร์ไม่สามารถเกาะกับดีเอ็นเอได้ทาให้อัตราการถอดรหัสลดลง (รูปที่ 13.4) โปรตีนควบคุม แอคติเวเตอร์จะเกาะกับดีเอ็นเอโดยปราศจากโปรตีน inhibitor เม่ือมีโมเลกุลของ โปรตีน inhibitor โปรตีนดังกล่าวจะเขาจับโปรตีนควบคุมแอคติเวเตอร์ทาให้เกิดการเปลี่ยนแปลง โครงสรา้ งทาใหโ้ ปรตีนควบคมุ แอคตเิ วเตอรห์ ลุดออกจากดีเอ็นเอและการถอดรหสั จะถูกยบั ย้งั เกดิ การถอดรหัส ไม่เกดิ การถอดรหสั inhibitor แอคติเวเตอร์ แอคตเิ วเตอร์ รูปที่ 13.4 การควบคมุ การทางานเชิงบวก แบบยับย้งั (ทมี่ า Brooker, 2012) ซง่ึ ยนี ท่ีมีการทางานแบบรปู ท่ี 13.3 และรปู ที่ 13.4 จะถกู เรียกว่า repressible gene เราจะศึกษาตัวอย่างการควบคุมการแสดงของยีนในระดับการลอกรหัสซ่ึงควบคุมโดยการ ทางานของโปรตีนควบคุมซ่ึงมีผลต่อการอัตราการถอดรหัส ซ่ึงจะแสดงให้เห็นว่าการควบคุมการ

5 แสดงออกของยีนในระดับการลอกรหัสเป็นวิธีท่ีมีประสิทธิภาพในการควบคุมการสังเคราะห์โปรตีน ของแบคทเี รียไดอ้ ยา่ ง 13.2 ระบบ lac Operon ในแบคทีเรียจะมีการจัดเรียงยีนโครงสร้าง (structural gene) เป็นกลุ่มในโอเปอรอน (operon) ซึ่งกลุ่มของยีนเหล่าน้ันจะอยู่ภายใต้การควบคุมการถอดรหัสของโปรโมเตอร์ตัวเดียวกัน โดยโอเปอรอนจะถอดรหัสออกมาเป็น พอลิซิสทรอนนิค mRNA (polycistronic mRNA) ซ่ึงเป็น อาร์เอ็นเอที่จะมีลาดับเบสของกลุ่มยีนโครงสร้างในโอเปอรอน โดยโอเปอรอนจะอยู่ระหว่าง โปรโมเตอร์ (จดุ เรม่ิ ต้นในการถอดรหัส) และ เทอรม์ เิ นเตอร์ (จุดสนิ้ สุดในการถอดรหัส) รปู ที่ 13.5 คือ โครงสรา้ งของยนี ทเี่ กี่ยวขอ้ งกับการยอ่ ยน้าตาลแล็คโตสและยนี ควบคุมการถอดรหัส ซ่งึ ประกอบด้วย สองส่วนท่ีแตกต่างกัน ส่วนแรก lac operon ซ่ึงประกอบด้วยบริเวณ CAP, โปรโมเตอร์ (lacP), ดาเนินการ (operator) (lacO), และยีนโครงสร้าง 3 ยีน คือ lacZ, lacY และ lacA และบริเวณ เทอร์มิเนเตอร์ (terminater) โดยยีนโครงสร้าง lacZ จะสังเคราะห์เอนไซม์ β-galactosidase เพื่อ ย่อยน้าตาลแล็คโตสให้เป็นนา้ ตาลกาแล็คโตส และกลูโคส และเกิดปฏิกิรยิ าข้างเคียงคอื ทาให้น้าตาล กาแล็คโตสเปลี่ยนเป็น allolactose ได้เล็กน้อยซึ่ง allolactose จะทาหน้าที่เป็นเอฟเฟคเตอร์เพื่อ ควบคุมการถอดรหัสของ lac operon ส่วนยีนโครงสร้าง lacY จะสังเคราะห์เอนไซม์ lactose permease เกี่ยวข้องกับการนาน้าตาลแล็คโตสเข้าสู่เซลล์ และยีนโครงสร้าง lacA จะสังเคราะห์ เอนไซม์ galactoside transacetylase ทาหน้าที่เติมหมู่อะซิทลิ ใหก้ ับ galactoside ทีไ่ มถ่ ูกยอ่ ยและ นาสง่ ออกนอกเซลล์ (รูปท่ี 13.6) Regulatory gene lac operon i promotor CAP lacP lacO β - galactosidase Lactose Galactoside lac permease transacetylase terminater รปู ท่ี 13.5 คอื โครงสร้างของยีนที่เก่ียวข้องกบั การย่อยนา้ ตาลแล็คโตสและการควบคมุ การถอดรหัส (ทีม่ า Brooker, 2012)

6 รปู ท่ี 13.6 หนา้ ทีข่ อง lactose permease และ β-galactosidase (ที่มา Brooker, 2012) บริเวณ CAP และ โอเปเรเตอร์ เป็นบริเวณท่ีอยู่บนดีเอ็นเอซึ่งทาหน้าที่ในการควบคุมการ ลอกรหัสของกลุ่มยีนใน lac operon โดยบริเวณ CAP เป็นบริเวณของดีเอ็นเอที่จะถูกจดจาโดย โปรตีนควบคุมซึ่งเรียกว่า catabolite activator protein (CAP) และบริเวณ operator บนดีเอ็นเอ จะเปน็ ตาแหน่งท่โี ปรตีนควบคมุ รีเพรสเซอร์จะมาเกาะเพ่ือควบคุมการถอดรหัสของ lac operon ส่วนท่ีสองเป็นส่วนท่ีเกิดข้องกับการควบคุมการถอดรหัสของ lac operon คือยีนควบคุม (lacI) (รูปที่ 13.5) โดย lacI ไม่ได้อยใู่ นยนี โครงสรา้ งของ lac operon ยีน lacI จะสงั เคราะห์โปรตีน ควบคมุ คอื lac repressor ซึง่ เป็นโปรตีนที่สาคัญในการควบคุมการแสดงออกของ lac operon โดย ยนี lacI จะถูกสงั เคราะห์ขนึ้ ตลอดเวลาในปริมาณเลก็ น้อยซง่ึ การแสดงของยีน lacI จะถกู ควบคมุ ดว้ ย โปรโมเตอร์ของยนี lacI เอง คือ i promoter โดยโมเลกุลโปรตนี lac repressor จะถกู สงั เคราะห์ข้ึน ประมาณ 10 โมเลกุลตอ่ เซลล์ในแบคทเี รีย ซง่ึ เพยี งพอที่จะยบั ยงั้ การถอดรหสั ของ lac operon

7 การควบคุมการแสดงออกของยนี lac operon ในระดับการถอดรหสั มไี ด้ 2 วิธี คือ 1. การควบคุมการการแสดงออกของยีน lac operon โดยโปรตีนควบคุมรีเพรสเซอร์ ซึ่งเป็นการควบคุมการทางานเชิงลบ (negative control) โดยการกระตุ้น แสดงดังรูปท่ี 13.7 ในสภาวะที่ไม่มีน้าตาลแล็คโตส โปรตีนควบคุม lac repressor จะเกาะกับดีเอ็นเอบริเวณ lac operator โดยโปรตีนควบคุม lac repressor จะขัดขวางไม่ให้ RNA polymerase ลอกรหัสของยีน โครงสร้าง ถ้าไม่มี allolactose จะทาให้โปรตีน lac repressor เกาะกับบริเวณ lac operator ตลอดเวลา (รูปท่ี 13.7ก) ในสภาวะท่มี ีน้าตาลแล็คโตสในเซลล์เอนไซม์ β-galactosidase จะเปลยี่ นนา้ ตาลแล็คโตส เป็น allolactose เม่ือในเซลล์แบคทีเรียมีน้าตาล allolactose ซ่ึงเป็นโมเลกุลเอฟเฟคเตอร์ชนิด อินดิวเซอร์ซ่ึงสามารถเกาะกับโปรตีนควบคุม lac repressor ทาให้โมเลกุลของโปรตีนควบคุม lac repressor มีการเปล่ียนแปลรูปร่างจนไม่สามารถเกาะกับบริเวณ lec operator ได้ ในสภาวะ ดงั กล่าวทาให้ RNA polymerase สามารถถอดรหัสของยนี โครงได้ (รูปที่ 13.7ข) 2. การควบคุมการการแสดงออกของยนี lac operon โดยโปรตนี ควบคุมแอคตเิ วเตอร์ ซึ่งเป็นการควบคุมการควบคุมการทางานเชิงบวก (positive control) แบบกระตุ้น รปู แบบของการควบคุมการถอดรหัสของยนี lac operon ขึน้ อยู่กบั น้าตาลกลโู คสในสภาพแวดล้อมท่ี แบคทีเรียอยู่ ซึ่งการมอี ยู่ของกลูโคสภายในเซลล์จะยังยับกระบวนการถอดรหสั ของยีน lac operon เม่อื แบคทีเรยี สมั ผัสกบั น้าตาลกลูโคสและแล็คโตสพร้อมกัน เซลล์ของแบคทีเรียจะใช้นา้ ตาลกลูโคสให้ หมดก่อนจากน้ันจึงจะใชน้ ้าตาแล็คโตส ซึ่งเม่ือระดับของนา้ ตาลกลูโคสลดต่าลง มีผลทาให้ระดับของ cAMP สูงข้ึน ซ่ึง cAMP จะไปรวมกับโปรตีน CAP กลายเป็นสารประกอบเชิงซ้อน cAMP–CAP ที่ สามารถเกาะกับบริเวณ CAP บนดีเอ็นเอแล้วกระตุ้นให้ RNA polymerase เข้าเกาะกับ lac promotor ซึ่งสามารถลอกรหัสของยีนโครงสร้างของยีน lac operon ได้ แต่ในกรณีท่ีมีน้าตาล กลูโคสภายในเซลล์สูง มีผลทาให้ระดับ cAMP ลดต่าลงไม่เพียงพอที่จะไปรวมกับโปรตีน CAP จึงไม่ เกิดสารประกอบเชิงซอ้ น cAMP–CAP ข้ึนภายในเซลล์ ดงั น้นั โปรตีน CAP เพยี งอยา่ งเดยี วไม่สามารถ เกาะกับบริเวณ CAP บนดีเอ็นเอได้ทาให้เอนไซม์ RNA polymerase ไม่สามารถเข้าจับกับบริเวณ lac promotor ไดจ้ งึ ไม่เกดิ กระบวนการถอดรหสั ของยีน lac operon

8 ซ่ึงสามารถสรุปกลไกท่ีเก่ียวข้องการควบคุมการควบคุมการทางานเชิงบวก (positive control) แบบกระตนุ้ ของ lac operon ในสภาวะทีม่ ีน้าตาลต่าง ๆ ไดด้ ังน้ี เมอื่ มนี า้ ตาลแล็คโตสเพยี งอยา่ งเดยี ว ปรมิ าณ cAMP จะมีสูง (รูปท่ี 13.8ก) cAMP จะรวมตวั กับโปรตีน CAP ได้เป็นสารประกอบเชิงซ้อน cAMP–CAP ซ่ึงสามารถเกาะบริเวณ CAP บนดีเอ็นเอ กระตุ้นให้ RNA polymerase ให้เกิดการถอดรหัส โดยน้าตาลแล็คโตสจะทาให้ lac repressor ไม่ เกาะกบั lac operator ทาให้ RNA polymerase เกดิ การถอดรหัสของยีน lac operon ได้ เม่อื มีไม่มีทงั้ นา้ ตาลแล็คโตสและกลูโคส ระดับของ cAMP จะมีปรมิ าณสูง (รูปท่ี 13.8ข) ) cAMP จะรวมตัวกับโปรตีน CAP ได้เป็นสารประกอบเชิงซ้อน cAMP–CAP ซ่ึงสามารถเกาะบริเวณ CAP แต่ในขณะเดียวกันโปรตีนควบคุม lac repressor จะเกาะกับ lac operator ซ่ึงทาให้ RNA polymerase ไมส่ ามารถถอดรหัสของยีน lac operon ได้ เมือ่ มนี ้าตาลแลค็ โตส และนา้ ตาลกลโู คส ซง่ึ การมีนา้ ตาลแลค็ โตสจะทาใหโ้ ปรตนี ควบคุม lac repressor ไม่สามารเกาะกับบริเวณ lac operator ได้ แม้ว่าระดับของ cAMP จะลดต่าลงเน่ืองจาก ไมม่ นี า้ ตาลกลูโคส ทาใหโ้ ปรตนี CAP ไมส่ ามารถจับกบั บรเิ วณ CAP บนดเี อ็นเอได้ ทาใหก้ ารถอดรหัส ของยีน lac operon เกดิ ได้ต่าเม่ือมีนา้ ตาลท้งั สองชนิด (รูปที่ 13.8ค) รูปที่ 13.8ง แสดงให้เห็นสภาวะเมื่อมีน้าตาลกลูโคสเพียงอย่างเดียวในเซลล์แบคทีเรียการ ลอดรหัสของยีน lac operon จะต่าเนื่องจากโปรตีนควบคุม lac repressor จะเกาะกับดีเอ็นเอ บรเิ วณ lac operator ทาใหเ้ อนไซม์ RNA polymerase ไม่สามารถถอดรหสั ยนี lac operon ได้

9 ก. กรณีไม่มนี ้าตาลแล็คโตสในสภาพแวดลอ้ ม lac operon ยีนควบคุม โปรโมเตอร์ ดาเนินการ mRNA lac repressor เกาะกับ lac repressor lac operator และ ยับย้งั การถอดรหัส ข. กรณมี ีนา้ ตาลแล็คโตสในสภาพแวดลอ้ ม Polycistronic กระบวนการถอดรหัส mRNA mRNA β - galactosidase Lactose Galactoside permease transacetylase Allolactose (ทาหนา้ ที่เปน็ inducer) lac repressor ที่เปลีย่ นรูปร่าง รปู ที่ 13.7 ควบคุมการทางานเชงิ ลบ (negative control) โดยการกระตุ้นของ lac operon (ที่มา Brooker, 2012)

10 ก. มีน้าตาลแลค็ โตส, ไม่มีน้าตาลกลโู คส (cAMP สงู ) Allolactose cAMP อัตราการการถอดรหัสสูงขนึ้ Repressor mRNA การเกาะของ RNA polymerase กบั โปรโมเตอร์ ถกู กระตุ้นโดยการเกาะของ cAMP–CAP กบั บริเวณ CAP ข. ไมม่ นี า้ ตาแลค็ โตส และ กลูโคส (cAMP สูง) Repressor cAMP CAP การถอดรหสั ถูกยบั ยั้งโดยโปรตีนควบคุมรเี พรสเซอร์ เขา้ เกาะบริเวณ lac operator ค. มีน้าตาลแล็คโตส และ น้าตาลกลโู คส (cAMP ต่า) Allolactose อัตราการการถอดรหัสตา่ CAP การถอดรหสั ถกู ยบั ย้งั โดยไม่มกี ารเกาะของ cAMP–CAP กบั บริเวณ CAP ง. ไม่มีนา้ ตาลแลค็ โตส และ มีนา้ ตาลกลูโคส (cAMP ต่า) CAP การถอดรหัสถกู ยบั ยัง้ โดยไม่มีการเกาะของ cAMP–CAP กบั บรเิ วณ CAP และ โปรตนี ควบคุม repressor รูปที่ 13.8 การควบคมุ การควบคุมการทางานเชงิ บวก (positive control) แบบกระตุ้นของ lac operon (ท่ีมา Brooker, 2012)

11 13.3 ระบบ trp operon ซึ่งเป็นระบบท่ีควบคุมเชิงลบ (negative control) โดยการยับยั้ง โดกลุ่มยีนโครงสร้างใน ระบบยนี trp operon จะผลิตเอนไซมเ์ พอื่ ใช้ในการสงั เคราะห์กรดอะมิโนทริปโทแฟน โดยโครงสร้าง ในยีน trp operon ประกอบด้วย trpE, trpD, trpB และ trpA โดยมียีน trpR และ trpL เป็นยีนที่ ควบคุมการลอกรหัสของยีน trp operon ซึ่งยีน trpR ที่อยู่ไกลออกไปจะทาหน้าท่ีสังเคราะห์โปรตีน ควบคุมรีเพรสเซอร์ (trp repressor) เม่ือระดับกรดอะมิโนทริปโทแฟนในเซลล์แบคทีเรียลดลง trp repressor จะไม่สามารถเกาะกับบริเวณ trp operator ได้ ในสภาวะดังกล่าวทาให้ RNA polymerase สามารถเกาะกับโปรโมเตอร์ของยีน lac operon และถอดรหัสยีนโครงสร้างได้ (รูปที่ 15.9ก) เมื่อเซลล์มีการสังเคราะห์อะมิโนทริปโทแฟนสูงจนถึงระดับท่ีเซลล์ต้องการ อะมิโนทริปโท แฟนจะทาหน้าท่ีเปน็ corepressor ซึ่งสามารถเกาะกับโปรตีนควบคุม trp repressor ซึ่งเป็นสาเหตุ ให้รูปร่างของโปรตีนควบคุม trp repressor มีการเปลี่ยนแปลงจนไม่สามารถเกาะกบั ดเี อ็นเอบริเวณ trp operator ได้ (รูปที่ 15.9ข) ซึ่งทาให้ RNA polymerase ไม่สามารถลอกรหัสยีนโครงสร้างของ trp operon ได้

12 ก. ในสภาวะที่ระดับอะมโิ นทรปิ โทแฟนตา่ มกี ารลอกรหสั ของ trp operon trp operon การลอกรหัส RNA polymerase trp repressor (Inactive) ข. เม่อื ระดบั อะมโิ นทริปโทแฟนสงู จะยับยง้ั กระบวนการถอดรหัสของ trp operon อะมิโนทริปโทแฟน สารประกอบเชิงซ้อนCorepressor – repressor เกาะทาให้ เกาะกบั trp operator และยับยัง้ การถอดรหสั โครงสร้างเปลย่ี นรูป ของ RNA polymerase สารประกอบเชงิ ซ้องของCorepressor – repressor (active) รูปท่ี 15.9 ระบบท่คี วบคมุ เชิงลบ (negative control) โดยการยบั ย้งั (ทีม่ า Brooker, 2012)