Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 32
Текст из файла (страница 32)
28.7.Нуклеотидная последовательность lac-оператора. Симметричные участки закрашеныодинаковым цветом.—48 до +5 (рис. 28.8). При этой системенумерации первый транскрибируемый нуклеотид обозначается +1. Последовательность оснований ДНК, узнаваемая БАК,обладает симметрией второго порядка, с которой мы постоянно сталкиваемся при рассмотрении взаимодействий белков с ДНК.Каким образом БАК стимулирует инициацию синтеза лактозной мРНК в 50 раз? Последовательноерасположениенеперекрывающихсяучастков связыванияБАКи РНК-полимеразы дает основание думать,что связывание БАК с ДНК порождаетновые участки взаимодействия РНК-полимеразы с ДНК.
Лактозный репрессор, напротив, связывается с нуклеотидами от —3до +21, которые в значительной степениперекрываются с участком РНК-полимеразы (нуклеотиды от —48 до +5). Такимобразом, репрессор препятствует инициации, блокируя связывание РНК-полимеразы.По всей вероятности, комплекс циклическийAMP-БАК действует таким же образоми на другие индуцибельные опероны. Итак,индуцибелъныеопероныконтролируютсяс помощью комплементарных механизмов,которые используют в качестве сигнальныхмолекул циклический AMP и специфическиеиндукторы.с промотором (araI) и оператором (araО)образуют арабинозный оперон (рис.
28.9).Этот оперон регулируется геном (araС), расположенным рядом с операторным участ-ком. Подобно лактозному оперону, арабинозный оперон может быть активированкомплексом БАК с циклическим AMP. Ара-28.7. Различные формы одного и того же белка активируют и ингибируюттранскрипцию арабинозного оперонаБактерии могут использовать арабинозув качестве источника энергии, превращая ее в ксилулозо-5-фосфат - промежуточный продукт пентозофосфатного пути(разд. 15.4). Превращение арабинозы в ксилулозо-5-фосфат происходит в результатепоследовательного действия арабинозоизомеразы, рибулокиназы и рибулозо-5фосфат-эпимеразы - ферментов,кодируемых генами araА, araВ и araD соответственно.
Эти структурные гены вместеРис. 28.8.На схеме показаны БАКи РНК-полимераза, сидящиена ДНК-матрице. Положениеэтих белков было определенос помощью расщепления нуклеазой.28. Регуляция выражениягена в фенотипе117вместе с комплексом БАК-сАМР связывается с промоторным участком, что даетвозможность РНК-полимеразе начать транскрипцию. Таким образом, один и тот жерегуляторныйбелокслужитположительным и отрицательным регулятором.Рис. 28.9.Карта арабинозного оперонаи его регуляторного гена.28.8. Транскрипция триптофанового оперонарегулируется и аттенюатором, и операторомбинозный оперон был первым, в отношениикоторого было установлено наличие и положительной, и отрицательной регуляций.Продукт гена аrаС - белок, который существует в двух функционально различных состояниях Р1 и Р 2 . В отсутствие арабинозыэтот белок действует как репрессор (Р1).Форма P1 связывается с оператором, чтопрепятствует транскрипции оперона.
Арабиноза снимает Р1 с оператора и смещает конформационное равновесие в сторону Р2 (активирующей формы). Затем форма Р2Еще один регуляторный элемент был открыт Чарльзом Янофски (Charles Yanofsky)и его коллегами при изучении триптофанового оперона E. coli. Транскрибируемаяс этого оперона мРНК длиной 7kb кодируетпять ферментов, превращающих хоризматв триптофан (разд. 21.9). Эти пять белковсинтезируются при трансляции полицистронной trp-мРНК последовательно, координированно и в эквимолярных количествах. Трансляция начинается раньше, чемзаканчивается транскрипция.
trp-мРНК синтезируется примерно за 4 мин и затем быстро разрушается. Короткое время жизниРис. 28.10.Схема trp-оперона. Показаныконтрольные участки - промотор (р), оператор (о) и аттенюатор (а), а также гены, кодирующие лидерную последовательность (L), и ферменты путибиосинтеза триптофана (E, D,С, В и А).Рис. 28.11.Последовательность оснований trp-оператора.
Ось симметрии второго порядка обозначена зеленым. Пара оснований,отмеченная +1,- начало транскрибируемой части оперона.118Часть IV.Информацияtrp-мРНК, составляющее всего около 3 мин,позволяет бактериям быстро реагироватьна изменяющуюся потребность в триптофане.
Е. coli может менять скорость образования ферментов биосинтеза триптофана более чем в 700 раз.Как осуществляется эта регуляция?Первый уровень регуляции достигается путем взаимодействия специфического репрессора с trp-операторным участком ДНК. trpрепрессор - белок с массой 58 кДа, кодируемый геном trpR, удаленным от trp-оперона на довольно большое расстояние.
Комплекс этого репрессора и триптофана прочносвязывается с оператором, тогда как сам посебе репрессор с ним не связывается. Другими словами, триптофан является корепрессором. Мишень, на которую действует комплекс триптофана с репрессором,- участокДНК, обладающий симметрией второго порядка (рис. 28.11); и в этом случае симметрия играет важную роль во взаимодействии белка с ДНК. Этот операторныйучасток перекрывается с промоторнымучастком инициирования транскрипции.
Та-Рис. 28.12.Последовательность оснований аттенюаторного участкаtrp. Связанные симметриейвторого порядка пары оснований GC-богатой области показаны синим цветом; такие жепары AT-богатой области показаны желтым цветом.ким образом, связывание trp-penpeccopaс оператором препятствует связываниюРНК-полимеразы с trp-промотором, и геныtrp не транскрибируются.В течение некоторого времени считалось,что ингибирование конечным продуктом каталитической активности первого ферментативного комплекса в пути биосинтезатриптофана (разд. 21.11) и система ингибирования транскрипции с участием репрессора и оператора - основные регуляторные системы биосинтеза триптофана.
Эта точказрения была неожиданно опровергнута, когда было обнаружено, что у некоторых мутантов с делециями между оператором и геном первого фермента (trpE) в оперонепроисходитповышенноеобразованиеtrp-мРНК. К тому же анализ 5'-концевой последовательности trp-мРНК показал, чтотам имеется лидерная последовательностьдлиной 162 нуклеотида, расположеннаяперед инициирующим кодоном trpE. Затемоказалось, что делеции, повышающие содержание trp-мРНК, картируются в этой лидерной области, примерно в 30-60 нуклеотидах от начала гена trpE. Следующеепоразительное наблюдение состояло в том,что при высокой концентрации триптофанаобразовывался транскрипт, содержащийвсего 130 нуклеотидов лидерной последовательности ; при нехватке же триптофана синтезировалась trp-мРНК длиной 7000 нуклеотидов, включающая полную лидернуюпоследовательность.
Отсюда Янофски сделал вывод, что транскрипция trp-оперонадолжна регулироваться участком контролируемой терминации, называемым аттенюатором. Он локализован между операто-ром и геном первого фермента путибиосинтеза триптофана. Этот участоктерминации, регулируемый физиологическими условиями, подобен участкам терминации в конце других оперонов(разд. 25.15); он содержит GC-богатую последовательность и следом за ней АТ-богатый участок. Каждый из этих участков аттенюатора обладает симметрией второгопорядка (рис. 28.12). Кроме того, терминированный лидерный транскрипт заканчивается несколькими U подряд.Аттенюаторный участок дополняет оператор в регуляции транскрипции trp-генов.При изобилии триптофана инициация транскрипции блокируется в результате связывания комплекса триптофан-репрессор с оператором.
По мере снижения концентрациитриптофана в клетке репрессия снижаетсяи начинается транскрипция. Однако некоторые молекулы РНК-полимеразы покидают матрицу, дойдя до аттенюатора, тогдакак другие продолжают синтезировать полную trp-матрицу. По мере исчерпания триптофана увеличивается доля молекул РНКполимеразы, проходящих через аттенюаторный участок.28.9. Аттенюация опосредуется трансляциейлидерной мРНККаким образом аттенюаторный участок trpоперона улавливает концентрацию триптофана в клетке? В решении этого вопросаособенно важную роль сыграли данныео том, что часть лидерной мРНК транслируется.
Весьма существенно, что в 14-членном лидерном полипептиде (рис. 28.13)имеются остатки триптофана в положениях10 и 11. Когда триптофан находится в избытке, синтезируется полный лидерный пептид. Но если триптофана не хватает, рибосома задерживается на двух расположенных тандемом кодонах UGG, посколькув этом случае оказывается недостаточнымсодержание триптофанил-тРНК. Застряв28. Регуляция выражениягена в фенотипе119Рис. 28.13.Последовательность аминокислот в лидерном пептиде trpи последовательность оснований в соответствующей лидерной мРНК.шая рибосома каким-то образом меняетструктуру мРНК, так что РНК-полимеразатранскрибирует оперон за пределами аттенюаторного участка. Ключевой аспект этого регуляторного механизма состоит в том,что трансляция и транскрипция тесно сопряжены между собой.
Рибосомы, транслирующие лидерную trp-мРНК, следуют непосредственно за молекулой РНК-полимеразы,транскрибирующей ДНК-матрицу. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что застрявшая рибосома изменяетвторичную структуру мРНК: конформация,при которой основания спариваются, благоприятствуя тем самым терминированиютранскрипции, изменяется таким образом,что РНК-полимераза проскакивает аттенюатор (рис. 28.14).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
