Айала, Кайгер - Современная генетика - т.2 (947305), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Согласно этой модели, имеет место тесное сопряжение процессов транскрипции и трансляции, за счет чего поведение РНК-полимеразы определяется влиянием первой рибосомы, которая связывается с синтезируемым РНК-транскриптом. Взаимодействие осуществляется благодаря формированию особой вторичной структуры на участке транскрипта, расположенном между рибосомой и РНК-полимеразой. Как уже упоминалось, лидерный транскрипт может образовать три варианта вторичной структуры-1:2, 2: 3 и 3:4 (терминатор). В лидерном ггртранскрипте находятся два триптофановых кодона, расположенных таким образом, что если рибосома авилу недостатка в среде триптофанил-тРНК '"задерживается рядом с ними, то оказывается, что она тем самым препятствует образованию первой петли 1: 2 Экспрессия генетического материала 198 Егт Мег-ты-Аых-Ча! — С1п-Рье-1 ут-Н!5-Н!5 — Н!5 — Н15-Н!5-Н!5-НЫ-Рто-Аар -п — иь«его- -иьитеи- тЯп Мет-Еут-Агя-3К-5ет-ТНК вЂ” ТНК- ЕЕ-Т К вЂ” ТНК-ТНК-!1Š— ТНК-!1Š— ГНК вЂ” ТНЯ— С!у-Аап-Шу-Л!а-С!у !та, Мег-5ег-Н!а-ае-Ча1-Лгя-РЬе-ТЬг-С!у-1ЕО-1ЕУ-!ЕО-!ЕО-Атп-Л!а-Рье-!!е-Ча1-Ага-С!уАгя-Рго-Ча1-С!у-С!у-Пе-С!и-Ни ге Мет-ть -А1а-ЕЕΠ— ЕЕО-А Х вЂ” ЧАЕ-!ЕЕ-5ет-ЕЕУ-ЧАЕ-ЧА1-ПЕ-5ет-УА1 — УЛ1- ЧЛ1-ЦЕ-!1Е-11Е-Рто-Рто-Сут-С!у-Ма-А!а-!.ео-С!е-Атх-Ют-!.у — АО Рис.
!5.23, Амннокислотные последовательности паперных полипептилов, предсказанные на основании нуклеотнаных последовательностей пяти оперонов бносннтеза аминокислот Е. сой и 5. !ур)итие!и»а (рис. 15.22). В этом случае может образоваться структура 2:3, предотвращаюшая возникновение альтернативной структуры 3:4. То есть «торможение» рибосомы препятствует формированию терминаторной структуры и позволяет РНК-полимеразе продолжить транскрипцию за лидерный участок ДНК и тем самым достигнуть области структурных генов оперона.
С другой стороны, в присутствии значительных количеств триптофана и соответственно триптофанил-тРНКтгр рибосома не задерживается в области соответствующих кодонов и тем самым не дает возможности образоваться петле 2:3. Это в свою очередь делает возможным формирование терминаторной петли (3;4) после того, как произойдет транскрипция соответствующего участка лидерной последовательности ДНК (рис, 15.22). Образование терминаторной петли вызывает обрыв транскрипции на участке, содержащем подряд несколько уридиновых остатков (отмечен на рис. 15.2!).
Данная модель аттенуацни применима н к другим оперонам биосинтеза аминокислот. В каждом случае определенные кодоны располагаются в лидерном транскрипте таким образом, что задержка рибосомы, связанная с нехваткой соответствующих аминокислот, так влияет на вторичную структуру образующегося транскрипта, что формирование терминаторной петли становится невозможным. Эта модель подтверждается экспериментами по изучению !и у!!Го транскрипции фрагментов ДНК, содержащих лидерную часть !Гр-оперона.
Этн эксперименты показали, что РНК-полимераза на некоторое время задерживается около нуклеотида в положении 90 образующегося транскрипта (см. рис. 15.2!), прежде чем продолжить транскрипцию оставшейся части лидерной последовательности. Такая задержка может быть связана с образованием шпильки 1:2 за ферментом. Вероятно, благодаря возникшей паузе первая рибосома успевает начать трансляцию и «догнать» РНК-полимеразу. Тесное сопряжение процессов транскрипции и трансляции может объяснить полярные эффекты лошеше-мутаций. В норме рибосомы следуют непосредственно за РНК-полимеразой, направляя трансляцию образующихся участков мРНК !<по мере поступления». При введении полкепке-мутаций на участке, где в норме трансляция должна продолжаться, возникает стоп-кодон, рибосомы отделяются от новообразованной МРНК и более не следуют за РНК-полимеразой. Имеются некоторые указания на то, что криптические терминаторные последователь- 199 !5, Регуляция экспрессии гепое у прокариогп ности содержатся во многих структурных генах.
Считают, что, когда рибосомы перестают следовать за РНК-полимеразой, эти криптические последовательности мокнут формировать терминаторные шпильки в новообразованной мРНК, что вызывает остановку транскрипции до завершения считывания всего оперона. В норме продвижение рибосом по образующейся цепи мРНК предотвращает формирование этих термина- торных шпилек. Антитерминационный белок )ч' фага Х, вероятно, проявляет свою активность, оказывая влияние на взаимодействие рибосом с РНК-полимеразой. Вспомните, что белок !ч действует на участках пш (также формирующих шпильки в структуре образующихся мРНК), модифицируя РНК-полимеразу таким образом, что она после этого перестает «замечать» большинство терминаторных последовательностей. Отбор мутантов Е.сой, в которых белок Х оказывается нефункциональным, позволил выявить существование клеточного гена пил А (от англ.
А! ипаеглиррйеа). Белок, продукт этого гена, входит в состав активного транскрипционного комплекса, образуемого РНК-полимеразой (см. гл. 1!). Считают, что мутация пиэА изменяет этот белок таким образом, что он становится нечувствительным к действию белка г(. Это свидетельствует о том, что белок Х на участке пи! модифицирует РНК-полимеразу за счет непосредственного взаимодействия с белком ппзА.
Очевидно, что процесс терминации транскрипции весьма сложен. Анализ влияния различных мутаций на протекание таких сложных процессов даст возможность определить круг ферментов, участвующих в них, сформулировать модели соответствующих механизмов. Этот и другие рассмотренные нами примеры иллюстрируют широкие возможности генетического анализа. Регуляция экспрессии генов с помощью сайт-специфической рекомбинации Рассмотренные примеры механизмов генетической регуляции основаны на использовании перечисленных в начале этой главы типов регуляторных элементов — белков-регуляторов, низкомолекулярных эффекторов и регуляторных центров.
Однако следует отметить, что этим списком не исчерпываются регуляторные возможности прокариот. Так, бактерии рода аа!гпопейа обладают жгутиками, используемыми для передвижения. Эти жгутики содержат один основной структурный белок — флагеллин; однако бактерии обладают двумя структурными генами, которые кодируют два иммунологически различных типа флагеллинов. Два соответствующих белка обозначают Н! и Н2. Структурные гены этих белков ие являются тесно сцепленными.
В клетках всегда экспрессируется только какой-либо один нз них. Ген Н2 тесно сцеплен и зкспрессируется синхронно с геном гН1, продукт которого служит репрессором гена Н1. Таким образом, при экспрессии пары Н2, гН! синтезируется только флагеллин Н2, поскольку репрессор гН1 предотвращает экспрессию гена Н!. Напротив, при подавлении экспрессии Н2 и гН1 происходит синтез флагеллина Н1. Явление альтернативной экспрессии 201 15. Регуляция экспрессии генов у прокариот Включен — + нг .н! Фпнп Фппп ч Викпючеп нг Рис.
!5.25. Модель фазовой вариации, основанная на представлении об инверсии нуклеотндной последовательности, содержащей промоториую область опероиа Н2-гН1. (По Х!ея 3. ег а!., !977. 8с)епсе, 196, !70.) генов Н1 и Н2 получило название вариации фаэ. В культуре, выращенной из клетки, находившейся в какой-либо одной из двух фаз, всегда обнаруживаются клетки в обеих фазах. Частота перехода клеток из одной фазы в другую для различных штаммов Яа1топейа варьирует в пределах от ! на 10' до 1 на 10' клеток за генерацию. Вариация фаз для бактерий Яа1топейа, вероятно, является одним из способов избежать иммунологического отторжении в ходе инфекции. Контроль вариации фаз зависит от состояния промотора, направляющего транскрипцию генов Н2 и гН1. Это было показано с помощью клонирования соответствующей регуляторной области на плазмидном векторе с использованием методов, описанных в гл.
9. При выращивании клеток Е.сой, содержагцих плазмиду со встроенной регуляторной областью, можно получить огромную популяцию идентичных молекул. Плазмидную ДНК очищают и линеаризуют с помощью рестриктазы Есой1 (рис. 15.24). Денатурация и отжиг цепей ДНК приводит к образованию гетеродуплексов, содержащих цепи из различных исходных плазмидных молекул. Некоторые из этих гетеродуплексных молекул содержат негибридизующийся участок протяженностью около 800 п.н.
(рис. 15.24). Появление этого участка, как оказалось, вызвано тем, что в некоторых плазмндах произошла переориентация участка протяженностью 800 п.н. Это наблюдение позволило предложить модель механизма вариации фаз, согласно которой промотор генов Н2 и гН1 может находиться в одной из двух ориентаций («флип» или «флоп»). В одной из них транскрипция с этого промотора приводит к образованию белков Н2 и гН1. При другой ориентации транскрипции этих генов не происходит (рис. 15.25).
Было показано, что инверсия промоторной области у Яа!пюпейа направляется системой сайт-специфической рекомбинации. По обе стороны от инвертируемого участка находятся идентичные противоположно ориентированные сегменты последовательности ДНК по !4 п.н. Наряду с промотором генов Н2 и гН! этот участок содержит также ген (йт), продукт которого направляет сайт-специфическую рекомбинацию между 14-членными повторами. В результате рекомбинации происходит инверсия всего этого участка ДНК, ейаги Р! и Мп также кодируют белки сайт-специфической рекомбинации, которые могут направлять инверсию сегментов ДНК в их собственных геномах. Оказалось, что эти белки могут заменить дефектный белок Нщ в мутантах Еа!топеИа й!п 202 Это позволяет предположить, что подобные системы инверсии последовательностей, участвующих в регуляции экспрессии генов в различных геномах, произошли от общего предшественника.
Регуляция экспрессии генов посредством сайт-специфической инверсии, вероятно, не является широко распространенным способом генетической регуляции у прокариотических организмов. Судя по всему, эволюция большинства регуляторных механизмов прокариот была направлена на создание систем быстрого изменения уровня экспрессии тех или иных генов в ответ на быстрые изменения в окружающей среде. В то же время система вариации фаз организована таким образом, что соответствующие изменения происходят с очень низкой вероятностью и не могут служить целям быстрого реагирования на изменения окружения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
