1625913344-8903f4a71ad640872a209e228a3a0bd4 (531148), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Если такая мутация возникает в гене Z, ближе к границе с О, то нарушается функция нетолько гена Z, но и Y и А. Если полярная мутация возникает в Y, тофункция Z не затронута, а инактивированы будут гены Y и А. Такойполярный эффект указывает на то, что все три гена считываются какединое целое. Полярные мутации идентифицированы как результатГлава 17. Регуляция действия генаft 477Оператор3IРепрессорХромосомаE.coli5РепрессорРис. 17.5. Структура ДНК /яс-оператора, с которой связывается репрессор (F. Ayala,J.
Kiger, 1980).Молекула-тетрамер белка-репрессора узнает оператор, приближаясь к нему с любогоконцавозникновения кодона-терминатора. Их эффект объясняется тем,что рибосомы, транслирующие общую молекулу иРНК lac-оперона,встречают кодон-терминатор, и это приводит к преждевременнойдиссоциации транслирующего комплекса.При использовании ДНК бактериофагов X, трансдуцирующих/яооперон, было показано, что репрессия и индукция происходятименно на уровне транскрипции. Клетки Е. coli в состоянии репрессии не содержат ощутимых количеств иРНК, комплементарной lacДНК. Такая иРНК появляется после индукции.Репрессор lac-оперона представляет собой белок-тетрамер.
Субъединица репрессора состоит из 360 аминокислотных остатков. Lac-penpeccopактивно связывается с последовательностью в 24 п. н. (рис. 17.5), имеющей симметричное строение. Симметрия оператора позволяет репрессору «узнавать» его с обоих концов, диффундируя вдоль молекулы ДНК.Схема регуляции lac-оперона, в которой низкомолекулярныйэффектор — лактоза — служит индуктором, носит название индуцибелъной схемы негативной регуляции. Негативной эта регуляцияназвана потому, что белок — продукт гена-регулятора, связываясь соператором, запрещает транскрипцию, т.
е. действует негативно наэкспрессию генов оперона.Опероны биосинтеза аминокислот. У Е. coli и S. typhmurium весьпуть биосинтеза гистидина контролируют девять тесно сцепленныхгенов (рис. 17.6), регулируемых по оперонной схеме. При индукции,которая происходит, когда в клетке истощается запас свободного гистидина, все девять генов His-оперона транскрибируются на однумолекулу иРНК размером около 10 ООО нуклеотидов. Появление избытка гистидина приводит к репрессии Яй-оперона.Это тоже негативная регуляция, однако в отличие от lac-оперонаЯ/я-оперон работает по репрессибельной схеме.
В данном случае478 ftЧасть 4. Структура и функция генаЕ1I12F13А|6Н—4В15С17$D18G■10О'1Рис. 17.6. Гены гистидинового оперона (обозначены буквами), контролирующие путьбиосинтеза гистидина у S. typhmuriumЦифры — этапы биосинтеза гистидина, контролируемые данными генамиэффектор-гистидин является корепрессором. Репрессия биосинтезагистидина происходит только в его присутствии.Аналогично регулируется триптофановый оперон Е. coli, включающий пять структурных генов (рис.
17.7). При изучении этого оперона был найден еще один способ регуляции — аттенюация (илиослабление). Ч. Яновский, детально исследовавший триптофановыйоперон Е. coli, обнаружил мутанты-суперпродуценты ферментов,кодируемых этим опероном. Мутанты несли делеции в самом началеоперона — в так называемом лидерном участке, между оператороми инициирующим кодоном первого гена trp Е.
При этом теряласьпоследовательность, содержащая сигнал прекращения транскрипции. Синтез иРНК обычно начинается с лидерной части, но толькооколо 10% молекул иРНК полностью копируют trp-оперон. Преждевременное прекращение транскрипции обеспечивает аттенюатор — тот участок, который был потерян у делеционных мутантовсуперпродуцентов.Структура лидерного участка иРНК ^ф-оперона Е. coli показанана рисунке 17.9. Лидер содержит участок связывания рибосомы икодирует пептид из 14 аминокислот, в котором повторяется (2 раза)остаток триптофана. Кроме того, лидерная иРНК содержит участоквторичной структуры, который, по-видимому, служит сигналом прерывания транскрипции.Сходные черты строения лидера найдены в фенилаланиновомопероне Е. coli и гистидиновом опероне Е.
coli и S. typhimurium.Лидер /?/ге-оперона кодирует пептид из 15 аминокислот, среди которых 7 остатков фенилаланина. Лидер гистидинового оперона кодирует пептид из 16 аминокислот, из них 7 — гистидин. Оба лидера фенилаланинового и гистидинового оперонов образуют такуюже характерную вторичную структуру, как и лидер триптофановогооперона.По-видимому, избыток аминокислоты, синтез которой контролирует оперон, приводит к накоплению соответствующей аминоацилтРНК, что обеспечивает трансляцию лидерной иРНК, и рибосома,Хоризмовая кислотаАнтраниловая кислотаФосфорибоэилантранилатИндоглицерофосфатТриптофан_ J _____АнтранилатсинтетазаТриптофансинтетазаААИндолглицерофосфатсинтетазаtлидерtrp Еtrp Оtrp Сtrp Вtrp А-оссо>оос-> 10>>>>оAUоос>- 20соо>о70UAUGU8 0 -GAСGGG304050604 A U G AIA A G C A A U U U UIC G U A C U G A A A IG G U U G G U G G C IG C A C U U C C U GIA , ACM etLys A laliePhe VaI■A G♦U• A — 110•CС140•СI•A * • ’ U U U U U U U U —O HG *C■C' *G•C * • G•C - ■‘ G — 1 30•G * • CC- • GLeu Lys G ly Trp T rp Arg T h r Ser StopH O -U U U U Ao—ooG A C A C C C U A A Uo—О——<OoJ0“~0с—<Gиси5'ТерминатортранскрипцииA AE.
coliРис. 17.7. Триптофановый оперон E. coliВверху — этапы биосинтеза триптофана, контролируемые генами триптофанового оперона (trpА — trp Е). Внизу слева — вторичнаяструктура лидерного участка иРНК: ее конец складывается подобно терминатору транскрипции, который показан справа внизуГлава 17.
Регуляция действия генаI>>О480 ftЧасть 4. Структура и функция генадвигаясь вдоль матрицы, разрушает вторичную структуру аттенюатора, делая доступным сигнал терминации транскрипциидля р-фактора РНК-полимеразы(см. гл. 16). Транскрипция прекращается. Если же аминокислоты не хватает, то трансляциялидера невозможна, и сигналтерминации транскрипции становится недоступным р-фактору.Тогда транскрипция продолжается за аттенюатор и образуетсяцелая молекула иРНК оперона.Таким образом, показана теснаясвязь транскрипции и трансляции в регуляции оперонов биосинтеза аминокислот у бактерий.Позитивнаярегуляциятранскрипции оперонов бактерий существует наряду с негативной регуляцией, или репрессией.В частности, этот механизм продемонстрирован для lac- оперонаРис. 17.8.
ЦиклическийЕ. coli. Белок — позитивныйаденозинмонофосфат, образующийся изрегулятор — контролирует разАТФ и способный превращаться в 5’-АМФличные системы катаболизма, ккоторым относится и /аооперон.Активность этого белка косвенно регулирует глюкоза, которая блокирует транскрипцию la c- оперона даже в присутствии лактозы. Этовлияние глюкозы опосредовано циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ) (рис. 17.8), концентрация которого в присутствии глюкозы снижается.цАМФ связывается с белком — активатором катаболизма(СА Р— от англ. catabolite activator protein), его называют такжебелком-рецептором цАМФ. Комплекс цАМФ-САР связывается спромотором la c- оперона и таким образом стимулирует его транскрипцию.Такой механизм позитивной регуляции показан для оперонов катаболизма, но он неизвестен для оперонов биосинтеза.Глава 17.
Регуляция действия генаft 481Таблица 17.2Рибосомные опероны £ coli, аутогеннорегулируемые на уровне трансляции(и з Д . Д р ей п е р а , 1 9 8 9 )ОперонЧисло кодируемыхбелков рибосомыБелоктрансляционныйрепрессорL4S416S39-4000str2S716S926-1391spc10S816S588-651S201S2016S39-403LU2L123S2120-2178S1011L423S320-325rif2L1023S1030-1124Участок рРНК,связывающий белокрепрессорАутогенная регуляция оперонов рибосомных белков у бактерий может происходить на уровне транскрипции и на уровне трансляции. Синтез рибосомных белков кодируют опероны, которые состояттолько из структурных генов этих белков или включают также геныфакторов трансляции, гены для субъединиц РНК-полимеразы, а такжегены, контролирующие метаболизм РНК.
Специфической чертой этихоперонов является их аутогенная регуляция. Обычно один из рибосомных белков, кодируемых опероном, играет роль трансляционногорепрессора (см. табл. 17.2), связывающегося с иРНК вблизи участкаинициации транскрипции. Эти белки входят в число тех, что связываются непосредственно с рРНК в начале синтеза рибосом. В ряде случаев наблюдается явное сходство пространственной укладки участковсвязывания этих белков в рРНК и в иРНК оперонов (см. рис. 17.9).М.
Номура и др., изменяя мутационным путем почти каждый нуклеотид в этих гомологичных структурах, показали, что они важныкак для регуляции соответствующего оперона, так и для сборки субчастицы 50S рибосомы.Наряду с ауторегуляцией на уровне трансляции рибосомные белкимогут осуществлять также и репрессию собственного синтеза на уровне транскрипции.
Примером является белок L4, кодируемый третьимгеном оперона S10, включающего 11 генов рибосомных белков. L4 участвует в атгенюации оперона — терминации транскрипции, происходящей приблизительно через 140 оснований после старта транскрипциии более чем за 30 оснований до первого гена, как показали Дж. Зенгели JI. Линдаль. По белку L4 получены мутанты с конститутивной кактранскрипцией, так и трансляцией. Каждая из функций может быть из-482 фЧасть 4. Структура и функция генаиaggи2120-GСАллS' I и Сe gгo ЛС ^ с у с и5 UUUUUAUA,.еУ>диАи'?VriP°А3иА(иУ Мс'с GGUru*AuuyCc42180UUG AиРНКL1. /-U G f A l ^ U fJt3«GCC ^ c c c i i ^ c G и д е и G \ ^*GUGU1540 V i aрР Н К630959ДГ\ cOu?®05 'А ^ с A 9 9 |9 ^ C ljJo С a u с А1040GАиaG a Ic1030 иРН К S 8 pPHK61015605999Yfrj S99^ffll9VVV9°c3.G G C A b ^ G C G U d d -U |C A A A G A A1580 C/A)104010605'**99frj '*999^|9l51?V9i,V999VoACA/T GGCU GG uld~uh A С U A С CG Ac GA1115 A A U A G C U C A /A Ю80ufe/ иРН К^^р РН К иссС А А А С д Ь /Сравнение участков связывания на иРНК (слева) и рРНК (справа) для белковрибосомы Е.
coli. Цифры - номера нуклеотидов от 5’-конца РНК (П о D. A. D raper, 1 9 8 9 )Рис. 1 7 .9 .менена независимо от другой: трансляционная дерепрессия не сопровождается транскрипционной дерепрессией и наоборот.Рибопереключатели. В последнее время расшифрованы механизмы «небелковой» регуляции оперонов, когда низкомолекулярный эффектор взаимодействует с лидерным, или сенсорным,участком иРНК, регулируя оперон по механизму аттенюацииили запрещая трансляцию иРНК.
Это т. н. рибопереключат ели (Riboswitches). Такое взаимодействие может сопровождатьсяразрезанием иРНК при помощи рибозима — ферментативно активной молекулы РНК. Пример в общей форме представлен нарисунке 17.10.В опероне синтеза S-аденозилметионина Е. c o li регуляция происходит на уровне транскрипции — подавление экспрессии оперонаосуществляется по принципу антитерминации, которая определяетсявзаимодействием S-аденозилметионина непосредственно с иРНК.17.4.
Регуляция транскрипции у эукариотУ человека около 30000 генов. Из них лишь небольшая частьконтролирует различные транскрипционные (регуляторные) факторы. У арабидопсис — 2 %, у дрозофилы — 5 %. В среднем — 40-50структурных генов на 1 ген, регулирующий транскрипцию.Напомним, что у эукариот есть три РНК-полимеразы (гл. 16).Структурные гены транскрибирует РНК-полимераза II, в минимальный, или основной, фермент которой входит около 20 белков. Передначалом транскрипции она представлена т. н.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
