Льюин (Левин) - Гены - 1987 (947308), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Функционирование каждою типа регуляции определяется малыми молекулами, которые являются либо субстратом для фермента, либо продуктом ферментатнвной деятельности соответственно. Малые молекулы, индуцируюгцие образование ферментов, способных метаболизировать их, названы индукторамн. Те же, которые предотвращают образование ферментов, способных синтезировать их, названы коренрессорамн. Способность соединений действовать в качестве индуктора или корепрессора высокоспецифична. Их функцию могут осуществлять только субстраты/продукты илн близкородственные молекулы.
В обоих случаях активность малых молекул не зависит от их взаимодействия с ферментом. Так, существуют молекулы, которые достаточно сходны с природными индукторами ))-галактозидазы, но не могут быть метаболизированы ферментом. Наиболее показательным примером может служить изопропилтиогалактозид (ИПТГ), один из нескольких тиогалактозидов с таким свойством. ИПТГ представляет собой очень эффективный нндуктор, хотя он и не узнается ))-галактозидазой. Молекулы, индуцнрующие синтез ферментов, но не являющиеся субстратами, получили название добровольных индукторов. Они оказались крайне полезными благодаря их способности сохраняться в клетке в исходном состоянии.
(Истинный индуктор был бы использован 177 14. Оперон на примере организации лактозных генов 1аср 1 1 1Г)! дни ) 1111 $~~(ав) ! ! ! 1! гает !ес У 'ЪЯЯЯЖЖЯ ЯбтШСУЯЯОЬЪЯЖббрьтЯут зава ! ! -еоо Гсс ! !ас А ! -Ебб ! Пае а 1 1т-пот Рис. !4.1. На 1ас-опсрон приходится около 6000 пар нуклсоти- дов ДНК. В левой части расположен ген 1ас1, имеющий свой собственный промо- тор и, по-видимому, терминатор. Копен копирующей области гена гасу непосредственно прилегает к 1аср-промотору, который разлеляется на в качестве субстрата фермента, а это препятствовало бы изучению системы.) Существование добровольных индукторов позволило установить важный факт. Помимо ферментативной активности система должна обладать еще какой-то функцией, способной узнавать соответствующий субстрат; эта способность узнавать родственные потенциальные субстраты отличается от таковой у фермента Кластеры генов регулируются координированно Процессы индукции и репрессии обычно связаны не с одним ферментом.
Мы уже указывали, что часто все ферменты одного пути биосинтеза регулируются совместно. Наряду с ферментами, действительно участвую- шими в определенном процессе биосннтеза, в координированно контролируемую единицу могут включаться другие родственные активности, например белок, ответственный за транспорт малых молекул в клетку. Примером такого типа регуляторной единицы служат Аактозные (1ас) гены. На рис. 14.1 изображена группа из трех генов. Один из них, )асн, кодирует фермент В-галактозидазу, который в активной форме представляет собой тетрамер с мол.
массой около 500000 дальтон. Второй, 1асУ, кодирует 1)- галактозндпермеазу, белок с мол. массой 30000 дальтон, связывающийся с мембраной и являющийся компонентом системы транспорта. Третий, (асА, кодирует р-галактозид-трансацетилазу, фермент, который переносит ацетильную группу от адетил-СоА к р-галактозидам. Мутации в генах 1аск, или 1асУ могут приводить к !ас -генотипу, при котором клетки не могут использовать лактозу. Мутации (иск ведут к утрате ферментативной активности, что препятствует сбраживанию лактозы. Мутанты 1асУ не способны использовать лактозу среды.
У клеток !асА не обнаружено идентифицируемого дефекта, и функция этого гена остается невыясненной. Значение реакции ацетилирования непонятно, однако вполне возможно, что она обеспечивает бактериям преимущество при росте в присутствии определенных неме- левую половину, связываюшуюся с БАК„и правую половину, связываюшуюся с РНК-полимеразой. Оператору соответствуют первые тб пар оснований гена 1асУ, который отличается чрезвычайно большой протяженностью. За юном 1асл следуют шны 1агг, ЫсА и, по-вилимому, терминатор. таболизируемых аналогов б-галактозидов, поскольку эта реакция ведет к их детоксикации и выделению. Кластер трех генов 1аслУА транскрибнруется в виде одной мРНК с промотора, прилегающего к гену 1асл,. Их нндукция контролируется на уровне транскрипции.
В отсутствие индуктора группа генов не транскрибируется.При добавлении индуктора транскрипция инициируется в промоторе 1асР и продолжается, проходя через гены, в направлении терминатора, расположенного где-то за пределами гена 1асА. Этим достигается координированная регуляция, при которой исе гены выражаются (или не выражаются) одновременно. Трансляция мРНК осуществляется последовательно с 5'-конца. Это делает понятным, почему при индукции сначала появляется 1)-галактозидаза, затем !)-галактозидпермеаза и, наконец, 11-галактозид-трансацетилаза.
Выражение трех генов с помощью единой мРНК объясняет также, почему относительные количества трех ферментов остаются одинаковыми при варьирующих условиях индукции. Индукция, по существу, служит сигналом, вызывающим выражение генов. Индукторы могут различаться по своей эффективности. Кроме того, другие факторы могут влиять на абсолютный уровень транскрипции и трансляции, однако соотношение между продуктами трех генов предопределено организацией генов. мРНК отличается крайней нестабильностью: период ее полураспада составляет около 3 мин. Именно это свойство мРНК позволяет очень быстро выключать этот процесс. Транскрипция прекращается, как только удаляется индуктор. В очень короткий промежуток времени вся лактозная мРНК распадается, и клетка прекращает образование ферментов.
Регуляторный ген контролирует структурные гены Гены, кодируюшие необходимые для клетки белки с ферментатнвными или структурными функциями, называются структурными генами. Подавляющее большинство Часть?Ч. Контроль генной 178 экспрессии у прокариот бактериальных генов попадает в эту категорию и обеспечивает огромное разнообразие структуры и функций белков.
В группу структурных генов входят также гены, кодирующие рРНК и тРНК. Все типы структурных генов имеют тенденцию быть организованными в группы, которые могут координированно контролироваться таким же способом, как в случае трех структурных генов !асУ УА. Что служит мишенью для малых молекул индуктора? Нам известно, что такая мишень отличается от продуктов структурных генов.
Это другой белок, единственная функция которого — контроль за выражением структурных генов. Ген, кодирующий этот белок, назван регуляторным геном. Регуляторные гены ответственны за контроль выражения кластеров структурных генов, осуществляя его обычно путем синтеза белков, контролирующих транскрипцию. Регуляторные белки выполняют эту функцию, связываясь с определенными сайтами в ДНК. Мы можем отличить структурные гены от регуляторных по эффекту мутаций. Мутация в структурном гене ведет к отсутствию в клетке определенного белка, кодируемого этим геном.
Мутация же в регуляторном гене влияет на выражение всех структурных генов, которые он контролирует. Природа такого влияния зависит от типа регуляции. Выражение 1ас-генов контролируется по типу негативной регуляции. Из этого следует, что гены транскрибируются при условии, что они не выключены регуляторным белком. Следовательно, при мутации, инактивирующей репрессор, гены остаются в активном состоянии. Поскольку функция регулятора сводится к лредотвраи1ению выражения структурных генов, он был назван белком-реиресеором. Регуляторные белки обладают и другими свойствами.
Мы уже видели„что существуют позитивные регуляторы, которые названы так потому, что в их присутствии выражение структурных генов включается. В отсутствие регулятора гены не могут выражаться. Примером регуляции такого типа является инициирование транскрипции путем образования новых сигма-факторов (гл. !2) или специфическая антитерминация транскрипции (гл.
13). Контролирующая система оперона Концепцию, согласно которой два разных класса генов различаются по своим функциям, сформулировали Жакоб и Моно в 19б! г. при создании классической модели опероиа. Они определили оперон как полную единицу выражения генов, включающую структурные гены, регуляторный ген (или гены) и контролирующие элементы (сайты действия регуляторных белков). Каждый отдельный оперон может быть охарактеризован системой взаимоотношений между регуляторными белками и их сайтами-мишенями. Это можно рассматривать как регуляторную систему. Первая модель была создана для 1асоперона, который до настоящего времени остается наиболее полно охарактеризованным опероном, однако подобные принципы были использованы для создания аналогичных систем в случае других оперонов.
На рис. !4.2 приведена основная система контроля лактозного оперона. Группа из трех структурных генов 1асУг'А, условно представленная в ориентации слева на- право, образует единицу транскрипции. Транскрипция инициируется в промоторе !асР, расположенном сразу же слева (против хода транскрипции) от первого гена !ась. Регуляторный ген, 1ас?, лежит немного дальше влево и образует независимую единицу транскрипции. Он транскрибируется со своего собственного промотора в моноцистронную РНК, которая кодирует белок-репрессор. Основные свойства контролирующей системы определяются двойственной природой этого репрессора: с одной стороны, он способен предотвращать транскрипцию, с другой — узнавать небольшие молекулы индуктора. Каким образом репрессор предотвращает транскрипцию? Он связывается с последовательностью ДНК, названной оператором и обозначаемой как 1асО. Оператор расположен между промотором 1асР и группой структурных генов 1асУУА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
