Пташне - Переключение генов - 1988, страница 3

Процесс начинается со связывания фермента вблизи начала гена с так называемым промотором. Промотор имеет длину порядка 60 пар оснований. На рис. 6 изображена молекула РНК-полимеразы непосредственно перед связыванием с промотором типичного бактериального гена. О форме этого фермента нам мало что известно, но мы знаем его примерные размеры. Связавшись с промотором, полимераза начинает перемещаться вдоль гена, синтезируя мРНК (рис. 7).

Обратите внимание, что по мере своего перемещения полимераза расплетает и затем вновь заплетает последовательные короткие участки ДНК. В результате этого временного расплетания яснев Рнс. 7. Транскрипция гена. По мере лвижения полимеразы вдоль ДНК один и тот жс се участок постоянно контактируег с расплетенным участком ДНК длиной около одного оборота спирали. То основание матрицы, которое копируется в настояШий момент, находится в пределах расплетенного участка ДНК на расстоянии примерно 20 пар оснований оз переднего края полимеразы. Когда полимераза достигает стоп-сигнала, она отходит от ДНК и мРНК высвобождается. пары оснований расходя~ся и последовательность одной из цепей служи~ матрицей для образования комплементарной мРНК.

Каждый промотор определяет, в каком направлении будет перемещаться полимераза вдоль спирали ДНК, и при движении в заданном направлении фермент считывает только одну из цепей с образованием мРНК. Полярность цепи мРНК противоположна полярности матричной цепи ДНК. Как показано на рис. 8, две молекулы полимеразы, движущиеся в противоположных направлениях, считывают разные цепи. Полимераза, движущаяся налево, счить вает «верхнюю» цепь (обозначения цепей приведены на верхней схеме рис. 2).

Когда мы будем подробнее обсуждать строение вируса ),. мы увидим, что его единственная молекула ДНК состоит из многих генов, причем одни из них считываются слева направо, а другие-справа налево. Работе РНК-полимеразы, транскрибирующей тот или иной ген, способствуют или препятствуют «регуляторные» белки: они связываются с участками ДНК, называемыми опера~орами.

Белок, осуществляющий негативную регуляцию, препятствует транскрипции, а позитивную — способствует ей (стимулируег ее). В первой главе мы расскажем о работе одного регуляторного белка. Х-репрессора, который является одновременно и позитивным, и негативным регулятором транскрипции.

Мы часто будем говорить, что тот или иной регуляторный белок связывается с определенным операторным участком (или участками) в молекуле ДНК. При этом имеется в виду, чго белок обычно находится на этом участке, но легко может покинуть его (так оно часто и бывает). Произойдет ли немедленное связывание другой точно такой же молекулы с этим участком, зависит от концентрации данного белка и его сродства к этому участку ДНК. Молекула ДНК может содержать более одного участка. способного связывать определенный белок.

Такие участки могут различаться по силе связывания этого белка. При низкой концентрации белка в каждый данный момент времени более сильный участок с большей вероятностью будет связан с белком„чем более слабый. Однако при высокой концент.- рации белка, как показано на рис. 9, разница в сродстве уже не будет иметь значения и оба участка связывания обычно будут заняты.

Это состояние динамического равновесия возникает потому, что связи, участвующие в ДНК-белковых взаимодействиях, гораздо слабее, чем, например, связи, которые удерживают вместе мономерные звенья белковой цепи. Чстыре главы нашей книги построены следующим образом. В первой главе описано, как регуляторные белки ).-репрессор и Ого связываются с ДНК и взаимолействуют с !7 оп Рис. 3. Двунаправленносзь процесса транскрипции.

Последовательность мРНК гена В комплементарна одной из цепей ДНК, а мРНК гена А другой. Рис. 9. Связывание регуляторного белка с сильным и слабым операторными участкамн. При низкой концентрации регуляторный белок занимает только сильный операторный участок, а при высокой оба участка. Другими словами, с увеличением концентрапди белок вначале связывается с сильным участком, а затем -со слабым. РНК-полимеразой, определяя, какие промоторы будут использоваться для транскрипции.

Эти компоненты образуют в совокупности генетический регуляторный механизм («переключатель генов»), который с поразительной эффективностью изменяет экспрессию генов после того, как бактерию, содержащую фаг т. в латентной форме, подвергают УФ-облучению. Чтобы понять действие регуляторного механизма на этом уровне, мы должны иметь общее представление о молекулярной структуре его компонентов.

При этом мы будем изображать ДНК в виде жесткой палочки, на которой имеются участки связывания РНК-полимеразы и регуляторных белков; эти белки показаны в виде шариков или гирек, они связываются с промоторами и операторами и включают и выключают гены. Чтобы действие регуляторного механизма было понятно, его компоненты и их взаимодействия изображены по отдельности на многих несложных рисунках. В гл.

2 структура регуляторных белков рассмотрена гораздо подробнее. В ней описаны общие, сравнительно простые механизмы, используемые этими белками с некоторыми вариациями, чтобы распознать нужные последовательности ос- нований среди миллионов других пар оснований. Показано, что структура регуляторного белка комплементарна определенной части структуры ДНК; если речь идет об узнавании нужной последовательности ДНК, две молекулы подходят друг другу, как ключ к замку.

На этом уровне рассмотрения мы сможем представить, каким образом регуляторный белок включает и выключае~ ген. В гл. 3 дана общая картина работы генов фага ), когда фаг вызывает лизис клетки или, наоборот, переходит в латентную форму. Первые несколько стадий регуляции генов при заражении фагом одинаковы в обоих случаях. На критическом этапе один из фаговых регуляторных белков «улавливает», в каком состоянии находится хозяйская клетка, и определяет, как будут развиваться дальнейшие события. Этот этап «принятия решения» †показательн пример того, как условия окружающей среды влияют на регуляцию работы генов в ходе развития.

Последовательность регуляторных событий каждого пути развития после принятия решения представляет собой каскадный механизм, когда ряд генов последовательно включается и выключается в соответствии с предопределенной программой. В гл. 4 описаны в общих чертах эксперименты, на которых основаны представления, рассмотренные в гл.

1 и 2. Некоторые экспериментальные доказательства я представил в упрощенном виде и не стремился к полноте изложения. Тем не менее для читателя, не очень хорошо знакомого с экспериментальными методами молекулярной биологии, эта глава будет труднее других. Ее необязательно читать с начала до конца, достаточно внимательно ознакомиться с наиболее интересными для читателя местами. В конце главы обсуждены некоторые нерешенные проблемы. Главная цель этой книги — дать общее представление о механизмах, регулирующих отдельные гены фага ), и о том, как эти механизмы взаимодействуют друг с другом, образуя регуляторные системы. Мы считаем, что важнейший процесс развития организма из оплодотворенного яйца сводится к функционированию избирательно регулируемых генов.

Поэтому в различных местах книги, в частности в конце гл.3 и в приложениях, проведены некоторые параллели между процессами развития и регуляцией генов у фага Х и в клетках высших организмов. Несколько слов о номенклатуре. Гены обозначаются курсивом, обычно, хотя и не всегда, строчными буквами (например, сго, гесА, !ехА, М, Д); соответствующие белки обозначаются прямым шрифтом, с прописной буквы (например, Сто, ВесА, ЕехА, Х, Я). Иногда по историческим причинам белок имеет особое обозначение (например, репрессор, кодируемый геном сУ). Глава 1 Основные компоненты регуляторного механизма Гены фага ).

составляют одну молекулу ДНК-хромосому, упакованную в белковую оболочку 1рис. 1.1). Оболочка представляет собой сложную структуру, включающую головку и хвостовой отросток и состоящую примерно из 15 разных белков, Все эти белки кодируются хромосомой фага >.. Фаговая частица инфекционна: она присоединяется с помощью хвостового отростка к поверхности клетки Е.сой, прокалывает сс стенку и вводит свою хромосому в бактерию. оставляя белковую оболочку снаружи.

Фаг Х облигатный паразит: чтобы размножиться, он должен ввести свою ДНК в бактерию. Дальнейшие события в бактериальной клетке, зараженной фигом Х, могу~ развиваться двояким образом (рис. 1.2). Для одних клеток наблюдается литический путь развития: различные группы фаговых генов включаются и выключаются в соответствии со строго предопределенной программой, хромосома ). интенсивно реплицируется. синтезируются новые белки головки и хвостового отростка.

в бактериальной клетке образуются новые фаговые частицы, и примерно через 45 мнп после заражения происходит лизис бактерии с высвобождением около 100 фаговых частиц. В других клетках инъецированная фаговая хромосома лизогенизирует хозяйскую клетку: все фаговые гены, кроме одного, выключаются, и фаговая хромосома, которая теперь называется профагом, становится частью хозяйской хромосомы. По мере того как лизогенная бактерия. несущая профаг, растет и делится, профаг пассивно реплицируется и переходит в латентной форме в дочерние бактериальные клетки, все время оставаясь в составе хозяйской хромосомы. Этот процесс может повторяться бесконечно. и в отсутствие внешних возмущений такие растущие и делящиеся лизогенные бактерии очень редко продупируют фаг.