Регуляция с помощью ффГфф (строгий ответ)

Элонгация транскрипции может регулироваться с помощью прямого

воздействия низкомолекулярного эффектора на РНК-полимеразу. В качестве

одного из таких эффекторов рассмотрим необычный нуклеозидтетрафосфат –

ффГфф (рис.8).

Рис. 8 Формула гуанозинтетрафосфата – ффГфф

Если внутри клетки бактерии E.coli возникает недостаток аминокислот,

являющихся материалом для построения белковых молекул на рибосомах, то в

целях экономии следует прекратить синтез новых рибосом. Механизм, с помощью которого происходит “выключение” синтеза рРНК (и одновременной

стимуляции синтеза РНК c оперонов, контролирующих биосинтез аминокислот), представлен на рис. 9. Этот способ регуляции носит название

строгого ответа клеток на аминокислотное голодание. Он присущ практически

всем бактериям. Для осуществления строгого ответа нужны несколько

структурных генов, но наиболее изученным из них является ген relA,

кодирующий белок RelA.

Кроме замедления синтеза рРНК и усиления транскрипции оперонов

биосинтеза аминокислот, при строгом ответе также снижается скорость синтеза

тРНК и некоторых мРНК, необходимых для синтеза рибосомных белков,

факторов элонгации EF-Ts, EF-Tu и EF-G, α-субъединицы РНК-полимеразы.

Общий синтез РНК снижается в итоге до 5-10% от нормального. Возрастает

скорость деградации белка, уменьшается синтез нуклеотидов, липидов и

углеводов.

Отметим, что строгий ответ можно вызвать любыми условиями,

нарушающими образование аминоацил-тРНК. Например, недостаток АТФ

будет иметь тот же эффект, что и аминокислотное голодание, так как АТФ

необходим для присоединения аминокислоты к тРНК.

Некоторые из бактерий приспособили строгий ответ еще и для регуляции

других клеточных функций. Так, миксобактерии используют ффГфф как сигнал

к образованию плодовых тел – скоплений клеток, служащих для последующего

возникновения в них бактериальных спор.

Недостаток аминокислот

↓

Ненагруженные аминокислотами тРНКпоступают в А-сайт рибосомы

↓

Активация особого фермента (белок RelA, ассоциированный с рибосомами)

↓

ффГ (онже обозначается как ГДФ) + АТФ ----------------→ ффГфф + АМФ

↓

Присоединяется к РНК-полимеразе

↓

РНК-полимераза прекращает “прилипать” к промотору генов рРНК и начинает

активнее присоединяться к генам, кодирующим ферменты для синтеза аминокислот

↓

Замедляется синтез рРНК и усиливается синтез недостающих клетке аминокислот

.

Аттенюация транскрипции

Аттенюация – это регулируемая терминация, которая происходит лишь в

том случае, если строящаяся мРНК приобретает определенную вторичную

структуру. Механизм аттенюации удобно рассмотреть на примере уже

знакомого нам триптофанового оперона. Смысл этого способа регуляции –

остановить синтез ферментов А, В и С, закодированных в trp-опероне, если в

клетке достаточно триптофана (как и в случае репрессии этого оперона,

рассмотренной в разделе I.1). Схема процесса представлена на рис. 11.

На ДНК внутри лидерной последовательности оперона, после оператора,

но приблизительно за 180 пар нуклеотидов до структурных генов белков-

ферментов синтеза триптофана расположен аттенюатор (attenuate – ослаблять,

затухать; см. рис. 3). Зона аттенюатора транслируется в участок на мРНК, в

котором закодирован лидерный пептид из 14 аминокислот, в том числе –

нескольких триптофановых остатков подряд. После своего синтеза этот пептид

очень быстро разрушается.

Перед аттенюатором находятся несколько участков ДНК,

последовательности которых обладают центральной симметрией. Это приводит

к тому, что мРНК, построенная РНК-полимеразой комплементарно к таким

участкам, способна образовать две взаимоисключающие комбинации – либо

две шпильки (из участков, обозначенных на рисунке 1-2 и 3-4) либо только

одну шпильку (из участков 2-3). Если возникнет структура из двух шпилек, то

наличие в ней шпильки 3-4 приведет к терминации транскрипции на

аттенюаторе. В этом случае мРНК для синтеза ферментов А, В и С

синтезироваться не будет. Если сформируется единственная шпилька 2-3, то

РНК-полимераза беспрепятственно минует аттенюатор и проведет

транскрипцию генов, кодирующих ферменты синтеза триптофана (А, В, С) до

конца.

Так как у прокариот трансляция начинается еще до завершения

транскрипции, лидерный пептид строится рибосомой еще до того, как РНК-

пролимераза начнет строить мРНК на цистронах триптофанового оперона.

Двигаясь по участку мРНК, содержащему “пропись” лидерного пептида, Лидерная область РНК

А

Старт «Критическая» область стоп

шпилька 1-2

шпилька 3-4

Б

шпилька 2-3

В

терминация транскрипции

Г

транскрипция структурных генов оперона

Рис. 11 Механизм аттенюации на примере триптофанового оперона

А – функционально важные участки на мРНК, еще не образовавшей шпилек. Лидерная

область РНК кодирует лидерный пептид. В “критической” области закодированы остатки

триптофана;

Б – процесс выбора одной из двух альтернативных шпилечных структур;

В – структура из двух шпилек, в образовании которых участвуют последовательности 1 - 2 и

3 - 4. Наличие терминирующей шпильки 3 - 4 приводит к терминации трансткрипции;

Г – структура из одной шпильки 2 - 3, возникающей при остановке рибосомы на

“критическом” участке лидерной РНК. Отсутствие терминирующей шпильки обеспечивает

беспрепятственное построение мРНК со структурных генов.

рибосома поочередно присоединяет аминокислотные остатки, синтезируя

заданную пептидную цепочку, и доходит до места, где в цепи должны

находиться остатки триптофана. Если в клетке триптофан отсутствует,

рибосома не может вставить его в пептид и останавливается на

соответствующем месте мРНК. Остановившись, она закрывает собой

последовательность 1. Это делает невозможным формирование шпильки 1-2 и

сопутствующей ей второй (терминаторной) шпильки 3-4. В соответствии с этим

терминации транскрипции не происходит, РНК-полимераза переходит в

область структурных генов оперона и строит там мРНК для синтеза ферментов

А, В, С. В итоге отсутствие триптофана “включает” процесс его синтеза

ферментами А, В, С.

Если триптофана в клетке достаточно, то рибосома использует его,

включая в цепь лидерного пептида и движется дальше, не останавливаясь на

критическом участке мРНК. Поэтому препятствий для формирования ансамбля

шпилек 1-2 и 3-4 не возникает. Терминаторная шпилька 3-4 обеспечивает

терминацию транскрипции на аттенюаторе, не доходя до структурных генов. То

есть при достаточном количестве триптофана построения ферментов для его

синтеза не происходит.

Таким образом, в бактериальной клетке уровень транскрипции

регулируется содержанием триптофана. Если триптофан (Trp) в избытке, то

девять из десяти молекул РНК-полимеразы, начавших транскрипцию

триптофанового оперона, прекращают синтез РНК на аттенюаторе. Чем

триптофана меньше, тем больше молекул полимеразы сможет завершить

полный синтез мРНК, а, следовательно, возрастет количество ферментов,

нужных для синтеза этой аминокислоты.