Регуляция транскрипции у бактерий. Оперон

Механизм регуляции транскрипции наиболее подробно исследован у прокариот. Ферменты клетки условно делятся на конститутивные, присутствующие постоянно, и адаптивные, появляющиеся в результате изменения среды. К числу адаптивных относятся ферменты утилизации лактозы, к конститутивным - ферменты утилизации глюкозы - универсального источника углерода.

Если клетки Е. coli посеять на среду, содержащую глюкозу как источник углерода, бактерии сразу же начинают его усваивать и активно делиться. Если же поместить их на среду с ss-галактозидом - лактозой, то после некоторого периода адаптации к этому сахару бактерии начнут его усваивать и делиться. За этот период происходит индукция сразу трех ферментов: ss-галактозидазы, которая расщепляет лактозу на галактозу и глюкозу, галактозидпермеазы, транспортирующей галактозиды в клетку, и трансацетнлазы, не участвующей в метаболизме лактозы. Изучение генетического контроля усвоения лактозы позволило Ф. Жакобу и Ж. Моно в 1961 г. сформулировать теорию оперона - основной единицы генетического материала, регулируемой на уровне транскрипции у бактерий.

Лактозный оперон Е. coli (рис. 10.5). Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моно ss-галактозид контролирует синтез трех упомянутых ферментов, которые кодируют три тесно сцепленных гена: Z (ss-галактозидазу), Y (галак- тозидпермеазу) и А (трансацетилазу). Наиболее важными компонентами схемы оперонной регуляции являются: ген-регулятор (/), кодирующий белок- репрессор. и оператор (О), к которому имеет близкое родство репрессор.

Схема регуляции /ас-опсрона Е. coli (индуцибельная система негативной регуляции)

Рис. 10.5. Схема регуляции /ас-опсрона Е. coli (индуцибельная система негативной регуляции): л - репрессия: репрессор - продукт гена I связывается с оператором и «запрещает» транскрипцию оперона; б - индукция: молекула индуктора, соединяясь с репрессором, препятствует его связыванию с оператором. Происходит транскрипция оперона

Оператор и тесно сцепленные с ним структурные гены, находящиеся под его контролем (в данном случае 7,УА), образуют оперон. Ген I не входит в состав оперона, хотя и может быть с ним сцеплен.

Свободный репрессор соединяется с оператором и тем самым «запрещает» (репрессирует) транскрипцию оперона. Лактоза, которая в данной системе служит индуктором, взаимодействует с репрессором, в результате чего он уже не может соединиться с оператором. Свободный оператор обеспечивает начало транскрипции всего оперона. РНК-полимераза связывается с промотором и обеспечивает синтез иРНК.

Таким образом осуществляется индукция оперона. Эта схема разработана на основе изучения мутантов с плейотропным влиянием сразу на все три фермента, кодируемые /ас-опероном.

Гены /ас-оперона очень редко транскрибируются в отсутствие индуктора. Индукция приводит к 1000-кратному повышению активности всех трех белков. Такой же уровень дерепрессии /ас-оперона наблюдается у так называемых конститутивных мутантов, которые делятся на две группы: Г - мутанты по гену-регулятору, С/ - мутанты по оператору. Они различаются по проявлению в мерозиготах, которые можно сконструировать, используя Л'-Ляс-эписомы. Мутации по регулятору (Г) рецессивны (табл. 10.1). Мутации по оператору ((/) обусловливают конститутивное проявление нормального гена 7 (и других генов оперона), только будучи физически с ним сцепленными, т. е. в цис-положении. Такие мутации называют цис- доминантиыми.

Таблица 10.1

Фенотипы гетерозигот по мутациям (Г н 0е), приводящим к конститутивному выражению генов ?ас-оперона Е. coli (судя по активности ss-галактозидазы)

Генотип

Фенотип

Индуцибельный

»

»

Конститутивный

Примечание. Один нз аллелей гена 2 несет мутацию, инактивировавшую только р-гапактозидазу.

Существование этих двух типов мутаций конститутивное™ хорошо согласуется с предположением о существовании гена-регулятора, продуктом которого является репрессор, способный к диффузии в клетке, и операторного участка, контролирующего считывание (транскрипцию) оперона (см. рис. 10.5).

С этой схемой (рис. 10.5) согласуется еще один тип плейотропных мутаций - так называемые полярные мутации. Если такая мутация возникает в гене Z, ближе к границе с О, то нарушается функция не только гена Z, но Ей А. Если полярная мутация возникает в Y, то функция Z не затронута, а инак-тивированы гены Y и А. Такой полярный эффект указывает на то, что все три гена считываются как единое целое. Полярные мутации идентифицированы как результат возникновения кодона-терминатора. Их эффект объясняется тем, что рибосомы, транслирующие общую молекулу иРНК /ас-оперона, встречают кодон-терминатор, и это приводит к преждевременной диссоциации транслирующего комплекса.

При использовании ДНК бактериофагов X, трансдуцирующих /ае-оперон, было показано, что репрессия и индукция происходят именно на уровне транскрипции. Клетки Е. coli в состоянии репрессии не содержат ощутимых количеств иРНК, комплементарной /ас-ДНК. Такая иРНК появляется после индукции.

Репрессор /ас-оперона, представляющий собой белок-тетрамер, выделен. Субъединица репрессора состоит из 360 аминокислотных остатков; /ас-репрессор активно связывается с последовательностью в 24 п. н. (рис. 10.6), имеющей симметричное строение. Симметрия оператора позволяет репрессору «узнавать» его с обоих концов, диффундируя вдоль молекулы ДНК.

Молекула - тетрамер белка репрессора - узнает оператор, приближаясь к нему с любого конца.

Структура ДНК /ас-оператор, с которой связывается репрессор

Рис. 10.6. Структура ДНК /ас-оператор, с которой связывается репрессор

Схема регуляции /ас-оперона, в которой низкомолекулярный эффектор лактоза служит индуктором, носит название индуцибельной схемы негативной регуляции. Негативной эта регуляция названа потому, что белок - продукт гена-регулятора, связываясь с оператором, запрещает транскрипцию т. е. действует негативно на экспрессию генов оперона.

Опероны биосинтеза аминокислот. У Е. coli и S. typhimurium весь путь биосинтеза гистидина контролируют девять тесно сцепленных генов (рис. 10.7), регулируемых по оперонной схеме. При индукции, которая происходит, когда в клетке истощается запас свободного гистидина, все девять генов Яй-оперона транскрибируются на одну молекулу иРНК размером около 10 000 нуклеотидов. Появление избытка гистидина приводит к репрессии Яй-оперона.

Это тоже негативная регуляция, однако в отличие от /ас-оперона Яй-оперон работает по репрессибельной схеме. В данном случае эффектор- гистидин является корепрессором. Репрессия биосинтеза гистидина происходит только в его присутствии.

Гены гистидинового оперона (обозначены буквами), контролирующие путь биосинтеза гистидина у S. typhimurium. Цифры - этапы биосинтеза гистидина, контролируемые данными генами

Рис. 10.7. Гены гистидинового оперона (обозначены буквами), контролирующие путь биосинтеза гистидина у S. typhimurium. Цифры - этапы биосинтеза гистидина, контролируемые данными генами

Аналогично регулируется триптофан овый оперон Е. coli, включающий пять структурных генов (рис. 10.8). При изучении этого оперона был найден еще один способ регуляции - аттенюация (или ослабление). Ч. Яновский, детально исследовавший тригпофановый оперон Е. coli, обнаружил мутанты - суперпродуценты ферментов, кодируемых этим опероном. Мутанты несли делеции в самом начале оперона - в так называемом лидерном участке, между оператором и инициирующим кодоном первого гена trpE. При этом терялась последовательность, содержащая сигнал прекращения транскрипции. Синтез иРНК обычно начинается с лидерной части, но только около 10 % молекул иРНК полностью копируют йр-оперон. Преждевременное прекращение транскрипции обеспечивает аттенюатор - тот участок, который был потерян у делеционных мутанггов-суперпродуцентов.

Структура лидерного участка иРНК йр-оперона Е. coli показана на рис. 10.8. Лидер содержит участок связывания рибосомы и кодирует пептид из 14 аминокислот, в котором повторяется (2 раза) остаток триптофана. Кроме того, лидерная иРНК содержит участок вторичной структуры, который, по-видимому, служит сигналом прерывания транскрипции.

Триптофановый оперон Е. соЧ

Рис. 10.8. Триптофановый оперон Е. соЧ

Сходные черты строения лидера найдены в фенилаланиновом опероне Е. соН и гистидиновом опероне Е. соИ и 5. ?урЫтипит. Лидер р/ге-оперона кодирует пептид из 15 аминокислот, среди которых 7 остатков фенилаланина. Лидер гистидинового оперона кодирует пептид из 16 аминокислот, из них 7 - гистидин. Оба лидера фенилаланинового и гистидинового оперонов образуют такую же характерную вторичную структуру, как и лидер трип- тофанового оперона.

По-видимому, избыток аминокислоты, синтез которой контролирует оперон, приводит к накоплению соответствующей аминоацил-тРНК, что обеспечивает трансляцию лидерной иРНК, и рибосома, двигаясь вдоль матрицы, разрушает вторичную структуру аттенюатора, делая доступным сигнал терминации транскрипции для 6-фактора РНК-полимеразы. Транскрипция прекращается. Если же аминокислоты не хватает, то трансляция лидера невозможна, и сигнал терминации транскрипции становится недоступным 6-фактору. Тогда транскрипция продолжается за аттенюатор, и образуется целая молекула иРНК оперона. Таким образом, наблюдается тесная связь транскрипции и трансляции в процессе регуляции оперонов биосинтеза аминокислот.

Наряду с негативной регуляцией, или репрессией, отмечается позитивная регуляция. В частности, этот механизм продемонстрирован для /аооперона Е. coli. Белок - позитивный регулятор - контролирует различные системы катаболизма, к которым относится и /ас-оперон. Активность этого белка косвенно регулирует глюкоза, которая блокирует транскрипцию 1ас-оперона даже в присутствии лактозы. Влияние глюкозы опосредовано циклическим аденозин-монофосфатом цАМФ (рис. 10.9), концентрация которого в присутствии глюкозы снижается.

Циклический аденозин-монофосфат, образующийся из АТФ и способный превращаться в 5'-АМФ

Рис. 10.9. Циклический аденозин-монофосфат, образующийся из АТФ и способный превращаться в 5'-АМФ

Циклический аденозин-монофосфат цАМФ связывается с белком - активатором катаболизма (САР - от анг. catabolite activator protein), также называемым белком-рецептором цАМФ. Комплекс иАМФ-САР связывается с промотором /ас-оперона, тем самым стимулируя его транскрипцию.

Такой механизм позитивной регуляции изучен для оперонов катаболизма, но неизвестен для оперонов биосинтеза.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >