Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 134
Текст из файла (страница 134)
7.3$. Некоторые регуляторные белки бактерий могут выступать в роли нвк активаторов, твк и репрессоров транскрипции в зависимости от точного расположения их участков связывания с ДНК. В качестве примера рассмотрим репрессор бактериофага лямбдз. Для некоторых генов белок действует как активатор транскрипции, обеспечивая благоприятный контакт для РНК-полимерззы (вверху). У других генов (внизу) оператор расположен на одну пару оснований ближе к промотору, и,вместо тою чтобы помогать полимервзе, этот же белок — репрессор в данном случае — конкурирует с ней за связывание с ДНК.
Репрессор фага лямбдз распознает свой оператор с помощью мотива спираль-поворот- спираль, кзк показано нз рис. 7.11. 1 оператор промотор транскрипция активируется репрессором фага пямбдв й оператор промотор транскрипция подавляется репрессором фага лямбдв лярный кофактор. Фактически некоторые бактериальные белки, включая САР и рг прессор бактериофага лямбда, могут действовать и как активаторы, и как репрессоры в зависимости от конкретною местоположения распознаваемой ими последовательности ЛН К относительно промотора: если участок связывания белка перекрывает промотор, то полимераза не может связаться, и белок действует как репрессор (рис.
7.38). гг.З.З. Лннтозный опнРсгн нгзнтРопиРунтсн витинвтсг)звали и Рнп)зюссОРввли т)зннсн)эипции Более сложные тины генетических переключателей сочетают позитивный и негативный виды контроля. Например, лактозный оперон (Еас оперонг Еас ореюгг) Е. со1г, в отличие от Тгр оперона, находится под обоими: отрицательным и положительным, механизмами регуляции транскрипции, которые реализуются соответственно белком репрессором ! ас-оггерогга и САР. В !.ас опероне закодиро ваны белки, необходимые для транспорта дисахарида лактозы внутрь клетки и его расщепления. Как мы уже знаем, САР гюзволяет бактериям при отсутствин глюкозы использовать альтернативные источники углерода, как например, лакгозу.
Однако было бы нерационально для САР индуцировать экспрессию !.ас оперона, если лак тозы нет в наличии, — и 1 ас-репрессор гарантирует, что при отсутствии лактозы Е.ас оперон выключен. 11одобный механизм дает возможность регуляторной области ! ас оперона объединять и реагировать на два разных сигнала, так что эффективная экспрессия оперона происходит только при выполнении двух условий: наличие лактозы н отсутствие глюкозы.
1!ри любых других из трех возможных сигнальных комбинаций кластер генов остается в выключенном состоянии (рис. 7.39). 11ростой принцип действия этого генетического переключателя впервые при влек внимание биологов 50 лет назад. Как объяснялось выше, молекулярная основа механизма действия переключателя была выяснена при помощи комбинации мото дов генетики н биохимии, что дало первые представления о том, как регулируется экспрессия генов. участок участок связывания сайт инициации синтеза РНК ння РНК- р ы САР (промотор) оператор -40 1 40 60 п.н.
ОПЕРОН ВЫКЛЮЧЕН, так как САР не связан +ГЛЮКОЗА +ЛАКТОЗА Ж— ОПЕРОН ВЫКЛЮЧЕН, так хак (.ас-рвпрвссор связан, а САР нв связан +ГЛЮКОЗА -ЛАКТОЗА — ГЛЮКОЗА — ЛАКТОЗА ОПЕРОН ВЫКЛЮЧЕН, так как связан Сас-рапрессор гмиВВ»," ' ".'~':::. ~ о~~ю ', '.
ш' РНК Контроль 1ас оперона, показанный на рис. 7.39, кажется простым и эконо мичным, но продолжающееся изучение этого и других примеров генной регуляции у бактерий выявило новую особенность регуляции генов, известную как петлео Рис. 7.3гь Двойной контроль лактозного опврона. Концентрации глюкозы и лактозы контролируют инициацию транскрипции Гас-оперона, воздействуя соответственно на САР и (ас-репрессор Первый ген Гас-оперона, (асг, кодирует фермент б-галактозидазу, которая расщепляет лактозу нэ галактозу и глюкозу.
При добавлении лактозы происходит увеличение концентрации аллолактозы, изомера пактов ы, которая связывается с гас-реп рессорам и вызывает его отсоединение отДН К, Добавление глюкозы приводит к уменьшению концентрации цикла-АМР (сАМР), и, поскольку сАМР больше не связан с САР этот белок активатор отделяется от Дни, выключая оперон На рисунке обобщены основные черты Гас вперена, но в действительности ситуация намного сложнее. Существует несколько участков связывания (ас-репрессора, расположенных в различных местах ДНК. Приведенный участок связывания оказывает наибольшее воздействие, но для полного подавления экспрессии необходимы и другие сайты (см, рис 7.40).
Кроме того, экспрессия Гас-оперона никогда полностью не выключается. Требуется очень небольшое количество фермента ()-галактозидазы длв превращения лактозы в аллолактоэу, что позволяет тем самым инактивировать (ас-репрессор при добавлении лактозы в питательную среду. бразование ДНК ИХЛ (оортд). Первоначально считалось, что ).ас-оперон со держит только один оператор, но в последующих работах был обнаружен допол нительный, второй оператор, расположенный вблизи. Одна тетрамерная молекула ).ас-репрессора может связывать одновременно сразу два оператора, при этом ДНК между ними образует петлю. Способность одновременно связывать два оператора усиливает общее взаимодействие репрессора с ДНК и, таким образом, приводит к возрастанию уровня репрессии в клетке (рис.
7АО). 1! Рис. 7.40. Петлеобразование ДНК может стабилизировать взаимодействия белок-ДНК. Репрессор гас-оперона представляет собой тетрамер, который может одновременно связываться с двумя операторами. Лактозный оперон имеет в общей сложности три оператора, но для простоты здесь показаны только два: основной оператор (О„) и дополнительный оператор (О ). На рисунке изображены все возможные сосюяния (ас-репрессора, связанного с этими двумя операторами.
При заданных концентрациях репрессора в клетке и при отсутствии лактозы самым стабильным будет состояние, изображенное снизу справа; и чтобы полностью отсоединиться от ДНК, (ас-репрессор должен сначала пройти через переходное состояние, где он связан только с одним оператором. В этих состояниях локальная кон центрация (ас-репрессора очень высока по отношению к свободному оператору, и реакция смещается в сторону образования двусвязной формы белка, а не его диссоциации. Таким образом, даже участки с низким сродством (О,) могут увеличивать заполняемость высокоаффинных участков (О ) и усиливать репрессию генов в клетке.
(Адаптировано из !. М. 6 Чираг апг) 5 ье) Ыег 1 Мо!. Вю!. 331: 981 — 989, 2003. С разрешения Асаг)епкс Ргезв) Пстлеобразование ДНК нозволясгг также быстро установить контакт между двумя разными белками, связавшимися вдоль двойной спирали ДНК. ДНК можно представить в виде «привязи», помогающей одному связавшемуся с ДНК белку взаимодействовать с другим, несмотря на тысячи нуклеотидных пар, которые могут разделять участки их связывания (рис. 7 А1). Далее будет видно, что петлеобразо ванне ДНК особенно важно при регуляции генов эукариот, хотя и играет ключе вую роль во многих других случаях регуляции бактериальных генов — не только в Еас опероне.
Например, петлеобразование ДНК позволяет белку активатору МТС без труда напрямую контактировать с РНК полимеразой, несмотря на то что два этих белка связываются с ДНК на расстоянии в несколько сотен пар нуклеотидов друг от друга (рис. 7А2). двойная спираль ДНК 100 п, н. а) 600 и. н. н 1 600 1 000 1 600 2 000 в) расстояние между сайтвми, и.
н. Рис. 7.41. Присоединение двух белков к отделенным участкам двойной спирали ДНК может в значительной мере повысить вероятность их взаимодействия. а) Разделение двух белков петлей дНК размером 600 нуклеотидных пар повышает частоту столкновений зтих белков. Интенсивность голубого окрашивания в каждой из точек пространства отражает вероятность того, что красный белок будет распола иться на данном расстоянии от белого белка. 6) Гибкость ДНК такова, что типичная посл едо ветел ьность может образовать плавный изгиб под углом 90 (изогнутый виток) на участке длиной примерно 200 нуклеотидных пар. Следовательно, если два белка разделены всего лишь 100 нуклеотидн ыми парами, вероятность образования контакта между ними невелика. В таких случаях взаимодействие белков облегчается, если их участки связывания находятся друг отгвзуга на расстоянии, кратном 10 нуклеотидным парам, — тогда оба белка располагаются на одной и той же стороне спирали ДНК (содержащей около 10 нуклеотидов на виток) и, таким образом, внутри петли ДНК, где они могут лучше всего достать друг до друга.
в) Теоретическая зффективная концентрация красного белка на участке связывания белова белка как функция разделяющего их расстояния, Согласно опытам, на малых расстояниях реальная эффективная концентрация превышает вычисленную здесь (е — с любезного разрешения бгейогу Вейогпу, с изменениями из М. С. Мозг(пй аль М. Т. Кесогг), 5сгелсе 233: 889-892, 1986. С разрешения ААА6.) бактериальная РНК-полимераэа промотор . —,. --,.
энха промежуточный продукт процесса активации в форме петли а) 20 нм Рис. 7 42. Активация генов на расстоянии. о) Белок МтгС является бакте р пал ьным регуляторным белком, который активирует транскрипцию, напрямую контактируя с РНК-полимераэой и вызывая ее переход из исходной связанной с ДНК формы в форму, способную к проведению транскрипции )описано в главе б). Как здесь показано, для стимулируемого Мтгс перехода необходима энергия гидролиза АТР хотя зто нетипично для инициации транскрипции у бактерий. б) Взаимодействие Мтгс и РНК-полимеразы, а также петлю ДНК, выступающую между ними, можно рассмотреть в электронный микроскоп. )б— с любезного разрешения Наггеоп Есной апб Бубпеу Копты) Мьг уже отмечали значимость регуляторных белков, связывающихся с ДНК и подающих сигналы РНК полимеразе о том, начинать ли синтез цепи РНК или нет.
Это один из главных способов, с помощью которого эукариоты н прокариоты контролируют инициацию транскрипции; однако некоторые бактерии и их виру сы применяют еще одну стратегию, основанную на использовании взаимозаме няемых субъединиц РНК-полимеразы. Как описано в главе 6, сигма-субъединица (о субъединица) необходима бактериальной РНК-полимеразе для распознавания промотора. Большинство бактерий синтезируют целый ряд сигма-субъединиц, каждая из которьгх может взаимодействовать с основной частью РН К-полимеразы (кор-ферментом) и направлять ее к различным группам промоторов (таблица 7.2). Эта схема позволяет выключать один большой набор генов и включать новый на бор генов путем простой замены одной сигма-субъединицы на другую. Эта страте гия эффективна, поскольку исключает необходимость заниматься каждым геном поочередно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
