Пташне - Переключение генов - 1988, страница 7

и происхолит инлукция. Взаимодейспвинз репрессора с оператором, состоящим лишь из одного участка, отвечает цветная кривая. Видно, что такая система горазло медленное реагировала бы на изменение концентрапии репрессора. генных клеток происходит редко.

Но если концентрация репрессора падает в 5 раз, происходит резкое изменение активности Р„, достигающей 50% от его полностью дерепрессированного состояния. В результате синтезируется достаточно белка Сго, чтобы произошло переключение генетической программы. Весьма показательно рассмотреть гипотетический переключатель генов, лишенный кооперативности. Например, если бы Ок содержал лишь один участок связывания, Оа2, то система могла бы работать, но регуляция была бы грубой.

Ведь если этот участок связывал бы димер репрессора настолько прочно, чтобы обеспечить 1000-кратную репрессию при лизогении, то индукция происходила бы с низкой эффективностью. Для запуска литического цикла пришлось бы инактивировагь более 99% молекул репрессора, а это очень трудно осуществить. Таким образом, свойства 1-репрессора дают отвез на вопрос, интересующий исследователей в области биологии развития: каким образом сравнительно небольшое изменение концентрации регуляторного белка способно надежно переключать экспрессию генов? Кооперативность во взаимодействии мономеров репрессора, т.е. связывание лимера с каждым участком„а также кооперативное взаимодействие между димерами на ДНК многократно усиливают действие уменьшения концентрации мономеров репрессора.

Кроме того, тот факт, что репрессор стимулирует транскрипцию своего собственного гена, осуществляя позитивную регуляцию, означает. что при падении концентрации репрессора эффективность синтеза его новых молекул также понизится. После того как концентрация репрессора упадет ло критического уровня, первые молекулы новообразованного белка Сго окончательно подавят синтез репрессора и начнется литический цикл.

Две кривые на рис. 1.25, одна из которых описывает реальную кооперативную систему с участием Х-репрессора, а другая — некооперативную систему с одним участком связывания, напоминают кривые, описывающие поведение молекул- переносчиков кислорода — гемоглобина и миоглобина. Гемоглобин переносит кислород от легких к тканям, а миоглобин способствует переносу кислорода в мьппечной ткани. Парциальное давление кислорода в тканях всего примерно в 5 раз ниже, чем в легких; тем не менее гемоглобин эффективно связывает кислород в легких и высвобождает его в тканях.

Кривая зависимости связывания кислорода с гемоглобином от давления кислорода напоминаег черную кривую на рис. 1.25, отвечающую высокой кооперативности. Четыре субъединицы гемоглобина, каждая из которых связывает одну молекулу кислорода, работают кооперативно, и поэтому связывание весьма чувствительно к конпецтрации кислорода. Связывание кислорода с миоглобином описывается некооперативной кривой, похожей на красную кривую на рис. !.25. Каждая молекула миоглобина связывает только одну молекулу кислорода, н такое связывание гораздо менее чувствительно к концентрации кислорода. Действие авторегуляцни Мы уже отмечали, что помимо активации транскрипции своего собственного гена при лизогенин (благодаря связыванию с Ок) и Ок2) репрессор использует Ок3, чтобы ограничивать свою собственную концентрацию.

Благодаря такому взаимодействию с Оя3 концентрация репрессора никогда не превышает уровня, при котором профаг может эффективно отвечать на инлуцирующее воздействие. Избыток репрессора привел бы к подавлению индукции двумя путями. ° Во-первых, Вес А расщепляет мономеры репрессора довольно медленно; если бы концентрация репрессора оказалась слишком высокой, белок Кес А не мог бы расщепить достаточное число молекул, чтобы вызвать индукцию.

° Во-вторых, даже если бы такое расщепление произошло, состояние репрессии сохранилось бы. Объясняется это тем, что, хотя расшепленные мономеры репрессора не могут образовывать днмеры, отщепленные амино-концевые домены сохраняют способность некооператнвно связываться с оператором. Прн достаточно высоких концентрациях эти амннокоппевые домены заполнят все три участка связывания независимо от того, входят они в состав димеров репрессора или нет. Негативные и позитивные саморегулируюшиеся системы, примерами которых являются два способа саморегуляции концентрации репрессора, совершенно по-разному отвечают на возмущения.

Негативная регуляция способствует стабильности, т.е. поддержанию гомеостаза, тогда как позитивная ведет к неустойчивости. Если бы действовала только негативная регуляция, то при повышении или понижении концентрации репрессора скорость его синтеза соответственно уменьшалась бы или увеличивалась н концентрация возвращалась бы к равновесному уровню. Позитивная регуляция, наоборот, усиливала бы любое изменение концентрации репрессора: при ее увеличении она повышала бы скорость синтеза репрессора, а при падении-снижала.

На самом деле концентрация репрессора в лизогенных клетках достаточна, чтобы стимулировать Р„„почти до максимального уровня. В обычных условиях Ок3 занят репрессором не более 10% времени. Таким образом, негативная саморегуляция включается лишь время от времени, чтобы компенсировать кратковременное увеличение концентрации репрессора. Другие фаги Известен ряд других фагов, способных не только к литической инфекции, но и к индуцибельной лизогении Похожи ли при этом их механизмы переключения на механизм в случае фага 3." Обратимся к двум фагам 434, который растет на Еус)геггг)ггп со1г, и Р22, который растет на Ба1пгопейа Гур1ггтиг)ипг Лизогены 434 и Р22, подобно лизогенам )., эффективно индуцируются ультрафиолетовым светом Оба фага кодируют репрессор и белок Сго, которые взаимодействуют с областью ДНК, аналогичной О» фага ).

Несмотря на некоторые различия в деталях, следующие положения справедливы для всех трех фагов Правый оператор содержит три участка связывания репрессора, два из которых, 0 1 и 0»2, заняты репрессором в состоянии лизогении В этом сосгоянии играют важную роль кооперативные взаимодействия между соседними димерами репрессора Мономеры репрессоров состоят из двух структурных доменов и находятся в равновесии с димерами, которые связываются с ДНК Димеры репрессора, занимающие участки 0„1 и 0„2, выключают транскрипцию с Р„и включают транскрипцию с Р„„При индукции УФ-облучением репрессор расщепляется и тем самым инактивируется, после этого первым синтезируется белок Сто с промотора Р„Сто прежде всего связывается с 0»3, чтобы выключить синтез репрессора, а затем — с 0 1 и 0„2, чтобы снизить уровень транскрипции ранних генов литического цикла Тот факт, что все эти явления широко распространены, свидетельствует об их исключительной роли в механизме переключения Литература: обзоры 1 Оголи и Зоьпхоп А Риьо С уииег Я Кергегвог апг) Сго рго)ет х)гас!иге, Гопспоп, апа го)е т 1уаокепта)гоп !и 1.агпЪг1а П, К М Непаг|х, 1 % Ко Ьеггь Е % Б!аы, апг) К %еиЬсгк, сАа, )Чет уог)г, Сои Брппк НагЬог, рр 93-123, 1983 2 йо(гпгои А П Рогегие А Я 1.аиег Сг Заиег Я Т Ас)гсгг С К апг) Ргаг)тг М Х гергетог апг) гто согоропепв оГ ап сйаеп! гпо1есп)аг стась, Наготе, 294, 217 223 (1981) 3 1.»о1РА 1.у»окопу, Васгепо) Кег 17, 269 (1953) 4 Ргихьпе М Кергегвогь тгепг(а го Вгос!хеопса! зсгспсеа 9, 142 145 (1984) 5 Ргагапе М Бас»тип К Нити)ип М г' Зейгеэ А Маигег Я Меуег В Баиег Я Т Апгогеко)а!гоп апг) Гопспоп оГ а гсргсааог гп Ьас)спорьаас ).

зс|епсс, 194, 156 — 161 (1976) 6 Ргольпе М бг(ьегг И' Стпепс гергссаогх зт Атсг, 222, 36 44 (1970) 7 Ргиг(гпе М /ейгеу А Зоб»хоп А П Чиигег Я Меугег В й Раьо С О Яо ьегн'ГМ Заиег ЯТ Нот гье г гсргесоог апг) Сго тог», Сс)1, 19 1 11 (!980) 8 Яоьегт 3 Птгггег Я ) ухояс»1с тг)испоп !и 'сатьаа Н, К % Непг)ггх, 1 % КоЬегв, Р % Бгаы апг) К ЪетЬегк еда )Чет Уог)с, Сом зрппк НагЬог, рр 123 145 1983 41 Глава 2 ДН К-белковые взаимодействия и регуляция активности генов Регуляторные белки, например репрессор ).

и Сто, прочно связываются со специфическими последовательностями ДНК длиной 15 — 20 пар оснований. Кажлый из этих белков лолжен выбрать свой операторный участок из примерно 5 млн. пар оснований, которые составляют бактериальную ДНК. В ланной главе рассмотрены особенности структуры белков, которые ответственны за эту их способность. Принцип действия прост: структура белка комплементарна структуре ДНК; если белок находит нужную молекулу ДНК, молекулы белка и ДНК подходят друг другу, как ключ к замку.