1625913344-8903f4a71ad640872a209e228a3a0bd4 (531148), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Becker,формосом — комплекса иРНК с1962; D. Suzuki et al., 1981)белками, — открытых А. С. СпиA — пуфы в 3-й хромосоме личинокразных возрастов (1-3). Справа — номера риным и др. (1966).Дифференциальное созредисков на цитологической карте. Б —трансплантация слюнной железы из более вание продуктов транскрипстарой в молодую личинку и сравнение ха ции и трансляции. Созреваниетранскриптов подразумевает морактера пуфирования «своих» и «чужих»хромосом при последующем развитиидификацию их отдельных оснований и сплайсинг про-иРНК(см. гл. 16).
Несколько вариантов сплайсинга одной и той же проиРНК впервые были показаны для обезьяньего вируса SV 40. В настоящее время известно, что дифференциальный сплайсинг служитраспространенным механизмом регуляции при тканеспецифическойэкспрессии одного и того же гена (рис. 17.3). Этим способом можнополучить несколько разных вариантов одного и того же белка, состоящего из разных доменов и осуществляющего различающиеся функции в разных тканях. Дифференциальный сплайсинг претерпеваютпро-мРНК около 35 % генов млекопитающих. У человека — 60%.472 ФЧасть 4. Структура и функция генат.п.н.Дм100,-----120140160180200220i----------- 1----------- 1----------- 1----------- 1-------- —|Экзоны 12345 67 89 10БКоровы йэкзонВ—с х(ТССкх>-IА„Г.А„со-СССС -—са:— сСс - с с —сА„И -----С\Рис.
17.3. Альтернативный сплайсинг как механизм регуляции экспрессии генаBR-C у D. melanogaster (по Жимулеву, 1994): А — размеры участков в тысячахпар нуклеотидов (т. п. н.); Б — чередование экзонов и интронов; В — различныетранскрипты как результат альтернативного сплайсингаАктивность многих белков определяется их посттрансляционной модификацией— фосфорилированием, ацетилированием, а вряде случаев расщеплением исходной полипептидной цепи на более мелкие фрагменты. Напомним здесь механизм регуляции SOSрепарации у бактерий (гл.
6).Глава 1 7. Регуляция действия гена#473Широко распространен механизм регуляции активности ферментов, основанный на присоединении к ним молекул-эффекторов.Чаще всего в роли эффекторов выступают конечные продукты путейбиосинтеза, которые связываются с первым или с одним из первыхферментов данного метаболического пути и подавляют его активность, тем самым выключая всю метаболическую цепь. Это ингибирование конечным продуктом, благодаря которому регулируютсясразу несколько этапов метаболизма.
Конечный продукт связываетсяс ферментом не в его активном центре, а в аллостеричееком центре,и такое взаимодействие индуцирует изменение (инактивацию) активного центра фермента.Таким образом, дифференциальная активность генетическогоматериала может обеспечивать регуляцию разных уровней его экспрессии: от репликации до ферментативной активности белков —генных продуктов. Лучше всего изучена регуляция экспрессии генетической информации на уровне транскрипции как у прокариот, таки у эукариот.
При рассмотрении регуляции транскрипции принятовыделять регуляторные элементы — нуклеотидные последовательности, взаимодействующие с регуляторными факторами, в роли которых чаще всего выступают белки.17.2. Регуляция транскрипции у бактерийКак известно, транскрипцию всех генов бактерий осуществляетодин фермент— ДНК-зависимая РНК-полимераза (см.
гл. 16). Минимальный фермент Е. coli присоединяет сменные факторы инициациисигма (а) для транскрипции разных групп генов. Известно, что основной фактор — а70, кодируемый геном rpoD, — обеспечивает экспрессию генов домашнего хозяйства. Он узнает нуклеотидные последовательности ДНК, расположенные до точки старта транскрипции: -10(5'-TAGAAT-3') и -35 (5-TTGACA-3'). Существуют т. н.
минорныесигмы: о32 (ген гроН) для транскрипции генов теплового шока, о54 (генrpoN) для транскрипции генов азотного метаболизма, о38(ген rpoS) дляперехода из экспоненциальной фазы роста клеток в стационар, о24 (генгроЕ) для «теплового удара» — 48°, а28 (ген rpoF) для клеточной подвижности и хемотаксиса. Итого 5 сменных факторов инициации транскрипции.
Все они узнают несколько различающиеся консенсусы в промоторах Е. coli. У Bacillus subtilis 17 минорных сигма-факторов. Толькодля различных стадий споруляции их 5. Это довольно грубый, или стратегический, механизм регуляции транскрипции у бактерий. Более тонкая настройка дифференциальной экспрессии генов осуществляется уних на основании оперонного механизма.474 ftЧасть 4. Структура и функция гена17.3. ОперонФерменты клетки условно делятся на конститутивные, присутствующие постоянно, и адаптивные, появляющиеся в результате изменения среды. К числу адаптивных относятся ферменты утилизациилактозы. В качестве примера конститутивных можно назвать ферменты утилизации глюкозы — универсального источника углерода.Если клетки Е. coli посеять на среду, содержащую глюкозу какисточник углерода, бактерии сразу же начинают его усваивать и активно делиться. Если же поместить их на среду с /3-галактозидом —лактозой, то после некоторого периода адаптации к этому сахарубактерии начнут его усваивать и делиться.
За этот период происходит индукция сразу трех ферментов: fi-галактозидазы, котораярасщепляет лактозу на галактозу и глюкозу, галактозидпермеазы,транспортирующей галактозиды в клетку, и трансацетилазы, неучаствующей в метаболизме лактозы. Изучение генетического контроля усвоения лактозы позволило Ф. Жакобу и Ж. Моно (1961)сформулировать теорию оперона— основной единицы генетического материала, регулируемой на уровне транскрипции у бактерий.Лактозный оперон Е. coli (рис. 17.4).
Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моно Р-галактозид регулирует синтез трех упомянутых ферментов, которые кодируют три тесно сцепленных гена: Z(Р-галактозидазу), Y (галактозидпермеазу) и А (трансацетилазу).Наиболее важными компонентами схемы оперонной регуляции являются ген-регулятор (Г), кодирующий белок-репрессор, и оператор(О), к которому имеет сродство репрессор.Оператор и тесно сцепленные с ним структурные гены, находящиеся под его контролем (в данном случае Z, Y, А), образуют оперон.Ген / 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, котораяв 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 (см. гл. 16) и обеспечивает синтез иРНК.Таким образом осуществляется индукция оперона. Эта схема разработана на основе изучения мутантов с плейотропным влияниемсразу на все три фермента, кодируемые /яоопероном.Обычно гены /яс-оперона очень редко транскрибируются в отсутствие индуктора.
Индукция приводит к 1000-кратному повышениюГлава 1 7. Регуляция действия генаПромотор РОператор 0+Структурный генрепрессора/*fгft 475Гены оперона•-I ■ДНКIНе транскрибируетсяоИнактивированныйМолекулырепрессориндуктора(З-ГалктозидазаПермеазаРис. 17.4. Схема регуляции /ас-оперона Е. coli (индуцибельная система негативнойрегуляции) (F. Ayala, J. Kiger, 1980)А — репрессия: репрессор — продукт гена / — связывается с оператором и «запрещает»транскрипцию оперона; Б — индукция: молекула индуктора, соединяясь с репрессором,препятствует его связыванию с оператором. Происходит транскрипция оперона476 ftЧасть 4. Структура и функция генаТаблица 17.1Фенотипы гетерозигот по мутациям ( г и 0 е), приводящим к конститутивному выражениюгенов lac-oперона Е coli (судя по активности р-галактозидазы)ГенотипГ О л Z~r o+z +ФенотипИндуцибельныйi 0 +Z +Индуцибельныйr o +z~r OcZr o +z +r ocz +I +o+zИндуцибельныйКонститутивныйПримечание.
Одна из аллелей гена Z несет мутацию, инактивировавшую толькоР-галактозидазу.активности всех трех белков в клетке бактерии. Такой же уровеньдерепрессии 1ас-оперона наблюдают у так называемых конститутивных мутантов, которые делятся на две группы: мутанты г по генурегулятору и (У — по оператору. Они различаются по проявлениюв мерозиготах, которые можно сконструировать, используя F ’-lacэписомы (см. гл. 10).
В таблице 17.1 показано, что мутации по регулятору ( г) рецессивны. Мутации по оператору (0 е') обусловливают конститутивное проявление нормального гена Z (и других генов оперона),только будучи физически с ним сцепленными, т. е. в цис-положениипо отношению к ним. Такие мутации называют цис-доминантными.Существование этих двух типов мутаций конститутивности хорошо согласуется с представлением о существовании гена-регулятора,продуктом которого является репрессор, способный к диффузиив клетке, и операторного участка, контролирующего считывание(транскрипцию) оперона (рис. 17.5).С этой схемой согласуется еще один тип плейотропных мутаций — так называемые полярные мутации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
