Инициация транскрипции - основное место действия регуляторов на синтез белков у прокариот

Первые данные о механизмах регуляции экспрессии генов получены при исследовании процессов адаптации микроорганизмов к меняющимся условиям окружающей среды. Полвека назад было введено понятие о перон для участка ДНК, кодирующего строение, как правило, функционально связанных белков и содержащего регуляторную зону, контролирующую синтез этих белков. С труктурные гены, индуцируемые совместно располагаются на молекуле ДНК рядом с последовательностями нуклеотидов, называемых промотором и оператором. Для регуляции транскрипции необходим еще один участок ДНК - регуляторный ген, не всегда располагающийся вблизи вышеописанной группы. Во время транскрипции РНК-полимераза связывается с промотором и продвигается вдоль ДНК, образуя транскрипт генов оперона. Белки-репрессоры - продукты трансляции регуляторных генов, связы

 

Рис..Схема влияния триптофана на работу оперона.

ваются с соответствующими операторными участками и блокируют продвижение РНК-полимеразы, и, следовательно, препятствуют транскрипции. В самом простом варианте этот механизм можно рассмотреть на примере триптофанового оперона кишечной палочки. Оператор триптофанового оперона представляет собой последовательность нуклеотидов, узнаваемую репрессором этого оперона, относящегося к белкам со структурой спираль-петля-спираль. Присоединение репрессора структурно блокирует доступ к промотору РНК-полимеразы, предотвращая экспрессию триптофанового оперона. Присоединение репрессора к оператору становится возможным лишь в том случае, если к репрессору присоединятся 2 молекулы триптофана.

Молекулы триптофана изменяют конформацию репрессора, обеспечивая возможность его a -спиральным участкам соединиться с группами нуклеотидов большой бороздки ДНК в области оператора. Такое влияние продукта гена регулятора получило название негативного контроля, гены, кодирующие такие регуляторы, названы генами репрессоров, а молекулы, способствующие такой реакции репрессора, получили название корепрессоры. Роль корепрессоров в клетке часто выполняют конечные продукты метаболических путей.

Несколько иной принцип регуляции складывается при работе lac-оперона у той же Рис..Схема работы lac-оперона.

кишечной палочки. lac оперон состоит из одного гена-регулятора (i ген) и трех структурных генов (z, y, и a). Ген i кодирует репрессор lac оперона. Z ген кодирует b-галактозидазу, ответственную за гидролиз дисахарида лактозы на ее мономерные единицы, галактозу и глюкозу. Y ген кодирует пермеазу, которая увеличивает проницаемость клетки к b-галактозидам, а ген a - трансацетилазу. При выращивании кишечной палочки на среде, содержащей глицерол в качестве единственного источника углерода, lac репрессор связан с оператором и РНК-полимераза не может присоединиться к оператору. Оперон выключен. Лактоза, добавленная в среду, связывается с репрессором и резко снижает его способность связываться с оператором. Это обеспечивает присоединение РНК-полимеразы к промотору, но синтез РНК становится возможным лишь только в том случае, когда к участку ДНК, расположенному выше (к 5’концу) промотора присоединится еще один белок, названый САР (катаболитами активируемый белок). Этот белок является рецептором цАМФ, уровень которой в клетке определяется уровнем глюкозы (снижение количества глюкозы в питательной среде приводит к повышению уровня цАМФ в клетке). САР, связанный с цАМФ, присоединяется к ДНК и стимулирует РНК-полимеразу, при этом ее активность увеличивается в 20 –50 раз.

Все возможные варианты ответа оперона на изменения компонентов питательной среды показаны на рис.10-21. В отличие от триптофанового оперона, где роль включателя оперона выполнял один сигнал (триптофан), в случае lac оперона требуются 2 сигнала, причем лактоза оказывала положительный эффект, а глюкоза – пример негативного контроля. Небольшие молекулы, которые подобно лактозе могут связываться с белками-репрессорами и ингибировать их способность связываться с операторными участками ДНК получили название индукторы. Индукторами транскрипции служат субстраты метаболических путей. Они стимулируют синтез белков, обеспечивающих их превращения.

Значительно более сложными являются механизмы регуляции инициации транскрипции у эукариот. Можно выделить 2 важнейшие стороны такого различия. Во-первых, РНК-полимераза эукариот не может сама катализировать синтез РНК без участия специальных белков –факторов транскрипции, которые должны присоединиться к промотору и самой полимеразе, при этом существует довольно широкие возможности по управлению скоростью транскрипции путем сочетания этих факторов. Вторая отличительная особенность регуляции инициации транскрипции у эукариот это то, что факторы регуляции могут оказывать влияние на промотор, присоединяясь к ДНК на расстояниях в тысячи пар оснований от промотора, что позволяет оказывать влияние на один промотор множеству регуляторных белков. далеких расстояниях от промотора,