Различия механизмов инициации у про- и эукариот.

РНК-полимераза прокариот обеспечивает транскрипцию генов, несущих информацию о последовательностях молекул РНК всех трех классов: рибосомной РНК (рРНК), транспорт-ной РНК (тРНК) и информационной (или матричной) РНК (мРНК).

В эукариотических клетках имеются три различные РНК-по-лимеразы, каждая из которых специфически узнает промото-ры, контролирующие транскрипцию трех различных классов молекул РНК. РНК-полимераза I локализуется в ядрышке и синтезирует основные рибосомные РНК. РНК-полимераза III осуществляет транскрипцию транспортных РНК и одного ком-понента рибосом - 5SPHK. Транскрипция молекул мРНК, не-сущих информацию о структуре белков, осуществляется РНК-полимеразой II. Ферменты II и III типа локализуются в нуклеоплазме. Процессы образования мРНК в прокариотических и эукариотических клетках характеризуются существенными различиями. В эукариотических клетках после инициации транскрипции происходит модификация 5'-трифосфата в образующейся цепи за счет присоединения так называемого кэпа – метилированного остатка гуанозина. Кроме того, у большинства транскриптов происходит также модификация 3'-концов - по окончании транскрипции к ним присоединяется цепочка из остатков аденина, образующая характерный ро1уА-«хвост» (исключением из этого правила являются мРНК гистонных белков). У всех эукариот при транскрипции ДНК образуются молекулы РНК трех вышеназванных классов. Все они участвуют в процессе трансляции - третьей разновидности матричных процессов передачи информации - от РНК к белку.
16. Опероны бактерий. Понятие об индуцибельных и репрессибельных оперонах.

Оперон представляет собой группу из двух или более структурных генов (иногда говорят и о моноцистронных, т.е. содержащих один ген, оперонах), кодирующих тесно связанные между собой функционально белки, совместно транскрибируемых и находящихся под общим контролем. Такой контроль осуществляется продуктом регуляторного гена, действие которого осуществляется через оператор находящийся в непосредственной близости к промотору. Как промотор, так и оператор являются короткими (пару десятков нуклеотидов) последовательностями ДНК, предшествующими контролируемым структурным генам.

Оперон состоит из:

1. Промотор - участок ДНК, с которым происходит связывание РНК-полимеразы и который определяет точку начала транскрипции.

2. Operator - участок связывания регуляторного белка. Размер - около 20 bp. Располагается в непосредственной близости к промотору или же перекрывается с ним. Связывание регуляторного белка с оператором меняет частоту инициации транскрипции.

3. Структурные гены. Кодируют белки, непосредственно производящие фенотипический эффект. Именно для контроля их экспрессии, собственно, и существуют оперонные структуры вместе со своими регуляторами.

4. Терминатор транскрипции. Здесь заканчивается синтез мРНК.

В зависимости от влияния на работу структурных генов низкомолекулярных молекул-эффекторов различают индуцибельные и репрессибельные (-руемые) опероны. Опероны, управляющие катаболизмом лактозы, галактозы и арабинозы, являются индуцибельными, т. е. максимальная частота их транскрипции достигается только тогда, когда в питательной среде присутствует внешний эффектор-лактоза, галактоза или арабиноза. Внешние эффекторы называют также внешними индукторами. Синтез ферментов индуцибельных оперонов включается посредством индукции. Наоборот, опероны, управляющие синтезом аргинина, гистидина или триптофана, являются репрессибельными, т.е. максимальная частота транскрипции достигается только при отсутствии в клетке соответствующих низкомолекулярных эффекторов - аргинина, гистидина и триптофана (или в том случае, если их концентрация ниже критического порогового уровня).

17. Негативная и позитивная регуляция оперонов бактерий на примере лактозного, арабинозного и триптофанового оперона

В зависимости от эффекта связывания регуляторного белка с оператором опероны могут иметь негативный или позитивный контроль. При негативной, или отрицательной, регуляции связывание регуляторного белка с оператором репрессирует работу оперона, а при позитивной -наоборот, активирует его. В свою очередь негативной и позитивной могут быть как индукция, так и репрессия. В случае негативной индукции индуктор делает регуляторный белок неспособным связываться с оператором, и при этом структурные гены транскрибируются как, например, в лактозном опероне. При негативной же репрессии регуляторный белок приобретает свойства репрессора после взаимодействия с корепрессором. Таким корепрессором в триптофановом опероне служит накопленный в клетке триптофан, взаимодействие его с регуляторный белком приводит к подавлению транскрипции. При позитивной, или положительной, индукции под влиянием индуктора регуляторный белок (апоиндуктор) связывается с оператором и помогает РНК-полимеразе начать транскрипцию. В случае же позитивной репрессии корепрессор инактивирует апоиндуктор и тем самым способствует прекращению транскрипции.

Лактозный оперон. Наиболее хорошо изученный способ регуляции транскрипции у бактерий - негативная регуляция с использованием белков-репрессоров, которая обычно рассматривается на примере lac-оперона. Протяженность лактозного оперона вместе с регуляторным геном составляет 6000 п.н. Между регуляторным геном lac 1 и первым структурным геном lac Z расположены контгролирующие элементы, каждый из которых состоит из нескольких десятков пар нуклеотидов. Промотор состоит из 85 п.н., оператор - из 26 п.н. Левая часть промотора связывается с белком-активатором, а правая часть с РНК-полимеразой. Все три гена Z, У, А транскрибируются на одну полицистронную мРН К, с которой последовательно транслируются соответствующие белки (галактозидаза, галактозид-пермеаза и трансацетилаза).

Арабинозный оперон. Индукция арабинозного оперона (положительный контроль). Арабинозный оперон Е. coli подвержен положительной регуляции, так же как рамнозный и мальтозный опероны. Он содержит структурные геныara В, ara А и ara D для ферментов, участвующих в превращении L-арабинозы в D-ксилулозо-З-фосфат. Экспрессия оперона индуцируется арабинозой. Как и многие другие системы катаболизма, оперон подвергается регуляции в области промотора, с которым связан САР, активированный циклическим AMP. Кроме того, в этом опероне есть еще два регулируемых участка - оператор и инициатор. С оператором связан регуляторный белок, кодируемый геном ara С. Этот белок действует как репрессор-присоединяясь к оператору, он препятствует транскрипции. Однако в присутствии арабинозы он становится активатором-присоединяется к промотору и делает возможной транскрипцию. Таким образом, арабинозный оперон находится под влиянием как отрицательного, так и положительного контроля со стороны специфического белка-регулятора.

Триптофановый оперон Он содержит 5 структурных генов (цистронов): trpE, trpD, trpC, а также trpB и trpA, кодирующие субъединицы триптофансинтазы[en]. На значительном расстоянии от оперона находится ген trpR, кодирующий белок, подавляющий экспрессию триптофанового оперона. Продукт этого гена в присутствии триптофана связывается с оператором и блокирует транскрипцию оперона. В отличие от lac-оперона, в состав trp-оперона входит особая последовательность — аттенюатор[en], необходимая для тонкой регуляции транскрипции оперона. Регуляция триптофаного оперона регулируется двумя способами: с помощью белка-репрессора (репрессия), а также с помощью особой последовательности — аттенюатора. При этом в каждом из этих случаев регуляция осуществляется по принципу отрицательной обратной связи.

 

 

Понятие о регулоне.

Некоторые группы структурных генов объединены в регулоны – совокупности координированно экспрессирующихся генов, контролирующих одну определенную функцию (этапы расщепления или синтеза какого-либо вещества). Гены в регулоне пространственно отдалены друг от друга. Каждый ген имеет собственные промотор, оператор и терминатор транскрипции. В некоторых регулонах часть генов объединена в опероны (например аргининовый регулон состоит из шести отдельных генов и двух оперонов).

Некоторые опероны (и регулоны), контролирующие синтез аминокислот, содержат ещё один тип регуляторных элементов – аттенюаторы. Аттенюатор – это нуклеотидная последовательность с инвертированными повторами, расположенная между промотором и первым геном оперона. Вторичная структура аттенюатора изменяется в зависимости от наличия или отсутствия в клетке аминокислоты, синтез которой контролируется данным опероном (или регулоном). В аттенюаторе закодирован пептид, содержащий несколько, расположенных друг за другом, аминокислотных остатков данной аминокислоты. Когда концентрация аминокислоты в клетке в результате её синтеза (или поступления извне) достаточно высокая, происходит синтез аттенюаторного пептида. В результате изменяется вторичная структура ДНК в аттенюаторе таким образом, что транскрипция оперона прекращается. (Аттенюатор, таким образом, приобретает характер терминатора). При низкой концентрации аминокислоты в клетке пептид не синтезируется и структура аттенюатора не мешает транскрипции.