การคัดลอกดีเอ็นเอเป็นสำคัญ และเป็นการเกิดขึ้นเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณต่างๆ ใน
สิ่งแวดล้อมในโปรแคริโอตยีนส่วนใหญ่จะอยู่เป็นกลุ่ม และยีนในกลุ่มนั้นๆ จะใช้ตำแหน่ง
โปรโมเตอร์เดียวกันในการที่จะเริ่มการคัดลอกดีเอ็นเอเพื่อสังเคราะห์เป็นอาร์เอ็นเอ
เรียกกลุ่มของยีนที่มีลักษณะดังกล่าวนี้ว่าโอเปอร์รอน (operon) ยีนที่อยู่ในโอเปอร์รอน
เดียวกันอาจอยู่ติดกันทั้งหมดเหมือนดังรูปที่ 4.3 หรืออยู่แยกห่างจากกันก็ได้ แต่ไม่ว่าจะมี
ความแตกต่างกันในเรื่องของตำแหน่งยีนในโอเปอร์รอน สิ่งหนึ่งที่เป็นลักษณะร่วมกันของ
โอเปอร์รอนคือ โอเปอร์รอน จะประกอบไปด้วยยีนต่างๆ ที่สำคัญ ได้แก่ยีนควบคุม (regulator
gene) ยีนส่งเสริม (promoter gene) ยีนดำเนินการ (operator gene) และยีนโครงสร้าง
(structural gene)
รูปที่ 4.3 โครงสร้างของโอเปอร์รอน (operon)
ยีนแต่ละประเภทในโอเปอร์รอน มีหน้าที่ต่างๆ ดังนี้
ยีนควบคุม
มีหน้าที่ควบคุมยีนดำเนินการโดยสร้างตัวกดดัน ซึ่งสามารถจับกับยีน
ดำเนินการทำให้เอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสไม่สามารถสังเคราะห์อาร์เอ็นเอได้
ดำเนินการทำให้เอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสไม่สามารถสังเคราะห์อาร์เอ็นเอได้
ยีนโครงสร้างเพื่อสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ
ของตัวกดดันในการควบคุมการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ
การแสดงออกของยีนโครงสร้างจะผ่านทางการควบคุมการทำงานของยีนต่างๆ
ที่กล่าวมาแล้วข้างต้น
หมายความว่าการควบคุมทางลบจะเป็นการกดไม่ให้ยีนเหล่านั้นแสดงออก และในทางกลับกัน
การควบคุมทางบวกจะเป็นการส่งเสริมให้มีผลผลิตของยีนโครงสร้างมากขึ้น ตัวอย่าง
การควบคุมการแสดงออกของโอเปอร์รอน ได้แก่
เบตากาแล็คโตไซเดส เปอร์มิเอส และทรานสอะเซทิเลส ทั้ง 3 เอ็นไซม์นี้เกี่ยวข้องกับ
เมแทบอลิซึมของน้ำตาลแล็คโตส จากการศึกษาพบว่าเอ็นไซม์ทั้ง 3 ชนิดนี้จะถูกสร้างขึ้น
ก็ต่อเมื่อเซลล์ถูกเลี้ยงในอาหารที่มีน้ำตาลแล็คโตสเป็นส่วนประกอบ ในขณะที่เมื่อไม่มีน้ำตาล
แล็คโตสแบคทีเรียจะไม่สร้างเอ็นไซม์ดังกล่าว เป็นสิ่งที่น่าประหลาดใจว่าเซลล์นั้น
มีความฉลาดมากที่จะไม่สูญเสียพลังงานตลอดจนเวลาอันมีค่าไปกับการสร้างเอ็นไซม์ขึ้นมา
แล้วไม่ถูกนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ แต่บนความน่าทึ่งนี้ก็มีคำถามเกิดขึ้นว่าสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้น
ได้อย่างไร
รูปที่ 4.4 โครงสร้างของแล็คโอเปอร์รอน (lac operon)
นั่นหมายความว่าเซลล์ก็ไม่จำเป็นต้องสร้างเอ็นไซม์ขึ้นมาย่อยน้ำตาลแล็คโตส หรือกล่าวอีก
นัยหนึ่งคือต้องไม่มีการแสดงออกของยีนโครงสร้างในโอเปอร์รอน การควบคุมเพื่อไม่ให้เกิด
การแสดงออกของยีนโครงสร้างเกิดจากการที่มีโปรตีนตัวกดซึ่งสร้างมาจากยีนควบคุม ไปจับ
บนตำแหน่งโอเปอร์เรเตอร์ และคาบเกี่ยวกับตำแหน่งโปรโมเตอร์ เป็นเหตุให้เอ็นไซม์อาร์เอ็นเอ
โพลีเมอเรสไม่สามารถจับกับตำแหน่งโปรโมเตอร์จึงไม่สามารถสังเคราะห์ mRNA ของยีน
โครงสร้างได้ และผลสุดท้ายคือไม่มีการผลิตเอ็นไซม์ออกมานั่นเอง
รูปที่ 4.5 กลไกการควบคุมการแสดงออกของยีนใน lac operon
ขึ้นมาย่อยน้ำตาลดังกล่าว ซึ่งหมายความว่าจะต้องมีการแสดงออกของยีนโครงสร้างใน
โอเปอร์รอน การควบคุมเพื่อให้เกิดการแสดงออกของยีนโครงสร้างเกิดจาก การที่น้ำตาล
แล็คโตสจำนวนหนึ่งถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของน้ำตาลแอลโลแล็คโตส (allolactose)
แล้วน้ำตาลชนิดนี้ไปจับกับโปรตีนตัวกด ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโปรตีนดังกล่าว
การเปลี่ยนแปลงรูปร่างนี้ ทำให้โปรตีนตัวกดไม่สามารถจับกับสายดีเอ็นเอตรงตำแหน่ง
โอเปอร์เรเตอร์ที่คาบเกี่ยวกับตำแหน่งโปรโมเตอร์ได้ ดังนั้นเอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรส
จึงสามารถจับกับตำแหน่งโปรโมเตอร์ และเริ่มการสังเคราะห์ mRNA ของยีนโครงสร้างเพื่อ
ผลสุดท้ายจะได้เอ็นไซม์ออกมาใช้ในที่สุด (รูปที่ 4.6)
รูปที่ 4.6 การแสดงออกยีนโครงสร้างบน lac operon เมื่อมี lactose สูง
โปรตีนตัวกดแล้ว ยังขึ้นอยู่กับการทำงานของ cyclic AMP(cAMP) เอ็นไซม์ที่ใช้ในการสร้าง
cAMP คือ เอ็นไซม์อะดีนีลิลไซเคลส (adenylyl cyclase) ซึ่งในสภาวะที่มีกลูโคสมากเอ็นไซม์
ชนิดนี้จะถูกยับยั้งไม่ให้ทำงานคือไม่มีการสร้าง cAMP หน้าที่สำคัญของ cAMP ต่อการ
แสดงออกของยีนโครงสร้างในโอเปอร์รอนคือ เป็นตัวกระตุ้นโดยการไปจับกับโปรตีนที่
ทำหน้าที่ส่งเสริมหรือกระตุ้นการทำงานของเอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรส โปรตีนที่ถูกกระตุ้น
โดย cAMP คือ catabolite activator protein (CAP) เมื่อแบคทีเรียอยู่ในอาหารที่มีน้ำตาล
แล็คโตส แต่ไม่มีน้ำตาลกลูโคส cAMP ที่สะสมอยู่ภายในเซลล์จำนวนมากจะไปกระตุ้นให้
โปรตีน CAP ทำงานมากขึ้นโดยการไปจับกับโปรตีนที่ทำหน้าที่ส่งเสริมและกระตุ้นการทำงาน
ของเอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสทำให้เกิดการคัดลอกดีเอ็นเอบริเวณยีนโครงสร้างออกมา
เพื่อสร้างเป็นเอ็นไซม์ในขั้นตอนต่อไป
รูปที่ 4.7 การควบคุมการแสดงออกของยีนใน lac operon โดย cAMP
แบคทีเรียถูกเลี้ยงในอาหารที่มีส่วนผสมของน้ำตาลกลูโคสและแล็คโตส จากการศึกษาพบว่า
แบคทีเรียจะเลือกใช้น้ำตาลกลูโคสเป็นแหล่งพลังงานจนหมด แล้วจึงใช้น้ำตาลแล็คโตสเป็น
แหล่งพลังงานในลำดับต่อมาเสมอ จากสิ่งที่เกิดขึ้นแสดงให้เห็นว่าในระหว่างที่มีการใช้น้ำตาล
กลูโคส จะไม่มีการผลิตเอ็นไซม์ที่เกี่ยวกับเมแทบอลิซึมของน้ำตาลแล็คโตส เมื่อจำเป็นจะต้อง
ใช้แหล่งพลังงานสำรองก็จะมีการผลิตเอ็นไซม์เบตาการแล็คโตไซเดส เปอร์มิเอส และ
ทรานสอะเซทิเลส ออกมา จากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นทั้งหมดนี้ทำให้เกิดข้อสงสัย 2 ประการ
โดยประการแรกคือเหตุใดเซลล์จึงเลือกใช้น้ำตาลกลูโคสก่อนการใช้น้ำตาลแล็คโตส
และประการที่สองคือ ในขณะที่มีการใช้น้ำตาลกลูโคสอยู่นั้น แล็คโอเปอร์รอนเปิด
(เพราะโปรตีนตัวกดไม่ทำงาน) แต่เหตุใดจึงไม่มีการสร้างเอ็นไซม์จากยีนโครงสร้างภายใน
แล็คโอเปอร์รอน
กลูโคสเป็นน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวจึงสามารถนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานได้ง่าย โดยไม่ต้องสร้าง
เอ็นไซม์ขึ้นมาย่อย เซลล์จึงเลือกใช้น้ำตาลชนิดนี้ก่อนน้ำตาลแล็คโตสซึ่งเป็นน้ำตาลโมเลกุลคู่ และในขณะที่มีการใช้น้ำตาลกลูโคสอยู่นั้นแม้แล็คโอเปอร์รอนจะเปิด แต่ก็ไม่มีการสร้าง
เอ็นไซม์จากยีนโครงสร้างภายในโอเปอร์รอน ทั้งนี้เพราะเมื่อมีระดับน้ำตาลกลูโคสสูงปริมาณ
ATP ภายในเซลล์มีมาก ปริมาณ cAMP มีน้อย จึงไม่มีการกระตุ้นการทำงานของ CAP
ประสิทธิภาพการทำงานของเอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสไม่ดี การคัดลอกดีเอ็นเอของยีน
โครงสร้างภายในโอเปอร์รอนเกิดขึ้นช้ามาก และไม่มีการสร้างเอ็นไซม์จากยีนโครงสร้างแม้ว่า
โอเปอร์รอนจะเปิดก็ตาม (รูปที่ 4.8)
รูปที่ 4.8 กลไกการทำงานของ lac operon ขณะที่กลูโคสมีปริมาณสูง
เมื่อปริมาณน้ำตาลกลูโคสลดลง เอ็นไซม์อะดีนีลิลไซเคลสเริ่มทำงาน ทำให้ปริมาณ cAMP ในเซลล์มีมากขึ้น เกิดการกระตุ้นการทำงานของ CAPซึ่งจะส่งผลให้ CAP ไปกระตุ้นให้
เอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น จึงเกิดการคัดลอก
ดีเอ็นเอของยีนโครงสร้างภายในโอเปอร์รอน ทำให้มีการผลิตเอ็นไซม์ออกมาใช้นั่นเอง
(รูปที่ 4.9)
รูปที่ 4.9 การทำงานของ lac operon ขณะที่กลูโคสมีปริมาณต่ำ
รูปที่ 4.10 เปรียบเทียบการทำงานของ lac operon ในสภาวะที่ี่กลูโคสมีปริมาณสูงและต่ำ
เช่น ทริปโอเปอร์รอน โดยในกลุ่มยีนนี้จะมียีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างเอ็นไซม์ที่จำเป็นสำหรับ
การสร้างกรดอะมิโนทริปโทเฟน โดยเมื่อร่างกายอยู่ในสภาวะที่มีกรดอะมิโนทริปโทเฟนอยู่
อย่างเพียงพอ นั่นหมายความว่าเซลล์ไม่จำเป็นต้องสร้างกรดอะมิโนชนิดดังกล่าวขึ้นมาอีก
คือไม่จำเป็นที่จะต้องสร้างเอ็นไซม์สำหรับการสร้างกรดอะมิโนทริปโทเฟน หรือไม่มี
การคัดลอกยีนโครงสร้างโดยเอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรส ซึ่งเซลล์ควบคุมให้เกิดเหตุการณ์
เช่นนี้โดยกรดอะมิโนทริปโทเฟนจะไปจับกับโปรตีนตัวกด เป็นการกระตุ้นให้โปรตีนดังกล่าว
ไปจับบนตำแหน่งโอเปอร์เรเตอร์ และคาบเกี่ยวกับตำแหน่งโปรโมเตอร์ เป็นเหตุให้
เอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสไม่สามารถจับกับตำแหน่งโปรโมเตอร์จึงไม่สามารถสังเคราะห์
mRNA ของยีนโครงสร้าง และผลสุดท้ายคือไม่มีการผลิตเอ็นไซม์ออกมานั่นเอง (รูปที่4.11)
รูปที่ 4.11 ยีนโครงสร้างบน trp operonไม่แสดงออกเมื่อมีปริมาณทริปโทเฟนสูง
กรดอะมิโนชนิดดังกล่าวขึ้น คือต้องสร้างเอ็นไซม์สำหรับการสร้างกรดอะมิโนทริปโทเฟน ซึ่ง
เอ็นไซม์นี้จะถูกสร้างก็ต่อเมื่อมีการคัดลอกยีนโครงสร้างโดยเอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรส
เซลล์ควบคุมให้เกิดเหตุการณ์เช่นนี้โดยเมื่อไม่มีกรดอะมิโนทริปโทเฟนไปจับกับโปรตีนตัวกด
โปรตีนดังกล่าวจะไม่สามารถไปจับบนตำแหน่งโอเปอร์เรเตอร์ และคาบเกี่ยวกับตำแหน่ง
โปรโมเตอร์เป็นเหตุให้เอ็นไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสสามารถจับกับตำแหน่งโปรโมเตอร์
จึงสามารถสังเคราะห์ mRNA ของยีนโครงสร้าง และผลสุดท้ายคือมีการผลิตเอ็นไซม์ออกมา
ใช้นั่นเอง (รูปที่ 4.12)
รูปที่ 4.12 การแสดงออกของยีนโครงสร้างบน trp operonเมื่อไม่มีทริปโทเฟน
