1625914757-8aba282c54d2a3a371a92e361d6fe93d (843812), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Во-первых,можно провести разделение на основании того, переходит ли оперон подвлиянием внешнего сигнала из неактивного состояния в активное (индукция) или наоборот (репрессия). С другой стороны, можно выделить операторы, регулируемые транс-действующими репрессорами (отрицательныйконтроль) или транс-действующими активаторами (положительный контроль). Например, в E. coli индукция с отрицательным контролем действует в случае SOS-оперона или лактозного оперона, а индукция с положительным контролем – для катаболитной репрессии.
Важным регулятороминдукции и репрессии практически всегда служат малые молекулы, связывающиеся с регуляторными белками; в случае индукции эти малые молекулы называются индукторами, а в случае репрессии – корепрессорами.Лактозный оперон состоит из 4-х генов – lacI, lacZ, lacY и lacA. Три последних гена транскрибируются с одного промотора в составе единоймРНК, с которой транслируются три полипептидных цепи. Эти гены являются структурными, их продукты принимают участие в метаболизмелактозы: -галактозидпермеаза LacY отвечает за транспорт -галактозидов(в том числе лактозы) в клетки, -галактозидтрансацетилаза LacA катализирует перенос ацетильной группы с ацетил-CoA на -галактозиды, а галактозидаза LacZ расщепляет дисахарид лактозу до моносахаридов глюкозы и галактозы. Все эти белки необходимы для эффективного использования лактозы в качестве источника энергии, если в среде для роста бактерий отсутствует глюкоза.
Если лактозы в среде нет, затраты клетки на синтез белков лактозного оперона не окупаются. В этом случае лактозныйоперон репрессирован и его гены не экспрессируются; в таком состоянии вклетке находится около 5 молекул LacZ. Через 2–3 мин после добавления в126среду лактозы их число достигает 5 000. Переключение между репрессированным и активированным состояниями оперона зависит от продуктарегуляторного гена lacI – белка Lac-репрессора (рис. 146).
Lac-репрессорпредставляет собой тетрамер из идентичных субъединиц LacI, которыйсвязывается с опраторной последовательностью (O1) в области (–5)–(+21)гена lacZ и препятствует инициации транскрипции. Кроме этого, в областях (–83) и (+410) расположены еще две таких последовательности, O2 иO3, которые также ингибируют транскрипцию. С каждой операторной последовательностью симметрично связываются две субъединицы Lacрепрессора; сами операторы представляют собой палиндромные последовательности (диада). Если в среде присутствует лактоза, она связывается сLac-репрессором, что изменяет его конформацию и приводит к потереспособности связываться с оператором и к диссоциации уже связанных сДНК молекул репрессора из комплекса с оператором.
При этом происходит индукция транскрипции генов lacZYA. Связывание лактозы с Lacрепрессором происходит по механизму аллостерического контроля с положительной кооперативностью, т. е. связывание молекулы лактозы однойиз субъединиц облегчает связывание последующих молекул лактозы другими субъединицами; это приводит к тому, что изменение конформациирепрессора в ответ на повышение концентрации лактозы происходит оченьрезко.
При снижении уровня лактозы репрессия возобновляется, и поскольку мРНК генов lacZYA очень нестабильна (среднее время деградации2 мин), продукция белков лактозного оперона быстро прекращается.Мутации в элементах лактозного оперона служат примером того, как вживых системах могут возникать явления аллельной доминантности и рецессивности.
Например, существуют мутации операторной последовательности (Oc), при которых оператор более не способен связываться сLac-репрессором, и экспрессия генов lacZYA постоянно активирована. Такие мутации будут являться доминантными (цис-доминантными, так какони затрагивают цис-элемент оперона) по отношению к оператору дикоготипа, поскольку, если в одной клетке одновременно присутствуют геныlacZYA с оператором дикого типа и эти же гены с Oc-мутантным оператором, экспрессия генов lacZYA будет все равно идти с промотора с мутантным оператором. Существует также мутация гена lacI (lacI–d), при которойпроизводятся молекулы LacI, образующие с нормальными мономерамиLacI тетрамер, не способный связываться с оператором.
Аллель lacI–d тожебудет доминантным (транс-доминантным) по отношению к нормальномуаллелю lacI, поскольку, если в одной клетке одновременно присутствуютгены lacI–d и lacI, нормального репрессора образовываться не будет, и фенотипически ген lacI не будет проявляться. С другой стороны, существуютмутации гена lacI (lacI–), при которой производятся молекулы LacI, не образующие тетрамеров вообще. Аллель lacI– будет рецессивным (транс127рецессивным) по отношению к нормальному аллелю lacI, поскольку, еслив одной клетке одновременно присутствуют гены lacI– и lacI, с копии генадикого типа образуется нормальный тетрамерный репрессор.Рис.
146. Организация lac-оперона и его регуляторных последовательностейРис. 147. Катаболитная репрессияКатаболитная репрессия – процесс регуляции генов, ответственных заутилизацию многих сахаров (лактоза, галактоза, арабиноза и др.) как источника энергии. Несмотря на свое название, катаболитная репрессия на128самом деле представляет собой индукцию с положительным контролем(рис. 147).
При высоком содержании глюкозы в среде в клетке по довольносложному механизму поддерживается низкий уровень 5’3’циклоаденозинмонофосфата (cAMP), важной малой регуляторной молекулы. При снижении содержания глюкозы уровень cAMP повышается. cAMPсвязывается с белком CAP (catabolite activator protein), который в своюочередь связывается со специфическими элементами ДНК в промоторныхучастках генов катаболитного оперона. Это связывание облегчает инициацию транскрипции РНК-полимеразой. Следует заметить, что сайты связывания белка CAP находятся и в промоторном участке генов lacZYA; такимобразом, один и тот же ген может входить в состав нескольких оперонов.Рассмотрим, наконец, как различные процессы регуляции транскрипции могут интегрироваться в единую сеть, обеспечивающую переключение сложных биохимических процессов, на примере выбора между литическим и лизогенным путем развития бактериофага .
Геном фага в фаговой частице состоит из линейной двуцепочечной ДНК (которая замыкается в кольцо вскоре после попадания в клетку E. coli) и содержит несколько десятков генов. По времени экспрессии после заражения клеткихозяина эти гены делятся на предранние, ранние и поздние (рис. 148). После заражения бактериофаг может развиваться по литическому пути (активная репликация внутри клетки, сборка фаговых частиц и их выход слизисом клетки) и по лизогенному пути (интеграция фаговой ДНК в ДНКклетки-хозяина и ее существование там неограниченное время в виде профага с возможностью позднейшего вырезания из геномной ДНК и перехода в литический цикл).
Продукты предранних и ранних генов фага и ихвзаимодействие с клеткой-хозяином определяют, по какому пути пойдетразвитие.В центральной части линейной ДНК фага содержатся два промотора,PR и PL, ориентированные в разные стороны. Эти промоторы узнаютсябактериальной РНК-полимеразой, и непосредственно после заражения сних экспрессируются два предранних гена – N (с промотора PL) и cro (спромотора PR). Транскрипция с промотора PL терминируется на терминаторе t L1, а с промотора PR – на терминаторе tR1.
Продукт гена N являетсяантитерминатором, предотвращающим терминацию на tL1 и tR1, что даетвозможность транскрипции ранних генов, расположенных за этими терминаторами. Ранние гены O и P отвечают за репликацию вируса, а продуктраннего гена Q также является антитерминатором, который позволяетподдерживать синтез РНК с промотора PR1, расположенного между генамиQ и S. С промотора PR1 экспрессируются гены, отвечающие за сборку фаговой частицы и лизис клетки. Таким образом поддерживается литическийпуть развития.129Рис.
148. Общая структура и порядок экспрессии генома фага Если геном бактериофага уже существует в форме профага, лизогенноесостояние может поддерживаться неограниченное время. Это обеспечивается продуктом гена cI, расположенного между промоторами PR и PL(рис. 149). Белок cI представляет собой димерный репрессор, похожий наLac-репрессор или LexA-репрессор. Он связывается с операторными последовательностями (OR и OL) в районе промоторов PR и PL и препятствуетинициации транскрипции предранних генов, не позволяя таким образомначать реализацию литической программы развития. Транскрипция самогогена cI при поддержке лизогенного состояния происходит с промотораPRM, который частично перекрывается с промотором PR, но направлен впротивоположную сторону. Для промотора PRM связывание димера cI служит не ингибирующим, а активирующим сигналом, облегчая инициациютранскрипции.
Однако мРНК cI, синтезируемая с промотора PRM, неэффективно транслируется, поскольку ее 5’-нетранслируемая область очень коротка и не содержит последовательности Шайн – Дальгарно, необходимойдля связывания рибосом (см. разд. «Синтез белка по матрице РНК»). Поэтому уровень синтеза белка cI низок, хотя и достаточен для поддержанияуже наступившего лизогенного состояния.Рис. 149. Структура регуляторного участка генома фага Каким же образом осуществляется выбор между литическим и лизогенным путями развития? Он зависит от продукта гена cII, первого из ран130них генов, лежащих за терминатором tR1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
