Биология с основами экологии Пехов (стр. 83 из 152)
Регуляторные механизмы в случае индуцибельных и репрессибельных систем имеют негативный характер, т. к. подавляют синтез специфических белков. Регуляторный механизм оперирует на генетическом уровне, контролируя частоту синтеза мРНК. Опероны классифицируют на катаболизирующие (индуцибельные) и синтезирующие (репрессибельные).
Примером катаболизирующих оперонов является лактозный оперон (рис. 145), в состав которого входят структурные гены z, у и a, кодирующие b-галактозидазу, b-пермеазу и b-трансацетилазу, соответственно, ген-регулятор lac 1, кодирующий синтез репрессоpa (белок мм. 37 200, состоящий из четырех идентичных единиц, содержащих по 377 аминокислотных остатков), промоторы P2 и Р1, к которым присоединяется РНК-полимераза, и ген-оператор (О), управляющий функционированием структурных генов.
Механизм регуляции лактозного оперона заключается в том, что в отсутствие индуктора (лактозы) репрессор активен, т. е. продукт гена lac 1 связан с оператором O1 в соединении с двумя другими операторами (О2 и О3) и это блокирует транскрипцию полигенной мРНК, т. е. предупреждает движение РНК-полимеразы с промотора. Операторы О2 и О3, которых часто называют псевдооператорами, повышают связывание репрессора с оператором О1. Промотор P1 частично перекрывается вторым промотором P2, который в нормальных условиях не имеет существенного значения. РНК-полимераза может подходить к обоим промоторам, но основным все же является промотор Р1, поскольку движение РНК-полимеразы к промотору P2 ингибируется белком CRP, который при этом стимулирует транскрипцию с промотора P1. При наличии в среде индуктора репрессор теряет активность, т. е. связывается с индуктором, вследствие чего оператор становится свободным (деблокируется), и в результате движения РНК-полимеразы происходит транскрипция мРНК. При наличии в среде лактозы синтез ферментов увеличивается в 1000 раз. Инициация транскрипций требует наличия циклического АМФ и белка сгр. Следовательно, лактозный оперон контролируется негативно путем контроля частоты синтеза мРНК (рис. 146).
Однако возможна и позитивная регуляция лактозного оперона. Если вслед за индуктором в среду, где выращены бактерии,прибавить глюкозу, то наступает катаболитная репрессия (3-галак-тозидазы, сопровождающаяся снижением уровня цАМФ. Если же в культуру прибавить экзогенный цАМФ, то катаболитическая репрессия снимается и лактозный оперон будет функционировать нормально. Таким образом, цАМФ является позитивным регулятором (регуляция происходит в присутствии индуктора).
Примером биосинтезирующего оперона является триптофановый оперон, который состоит из 5 генов trpE, D, С, В и А, кодирующих ферменты, участвующие в биосинтезе триптофана (рис. 147). Первая химическая реакция, характерная для синтеза триптофана (как и для тирозина и фенилаланина), заключается в конденсации (накоплении) эритрозы-4-Ф и фосфоенолпирувата, необходимых для образования З-дезокси-арабино-гептулозоната-7-Ф (ДДГФ), катализируемого ДАГФ-синтетазой. Образующийся продукт (хоризмат) с помощью ферментов превращается в триптофан. Экспрессия этого оперона находится под негативным контролем репрессора, являющегося продуктом гена trp R. Репрессия конечным продуктом (трип-тофаном) заключается в том, что неактивный в свободном состоянии репрессор не мешает переходу РНК-полимеразы к промотору, т. е. не мешает транскрипции мРНК. Репрессор становится активным в результате связывания с конечным продуктом (триптофаном). Когда комплекс репрессор + триптофан связывает оператор, то это предупреждает преход РНК-полимеразы к промоторам, т. е. подавляет синтез мРНК. Более тонкий механизм заключается в том, что продукт гена trp R (репрессор) ингибирует синтез одной из ДАГФ-синтетаз, в частности, синтетазу АгоН, путем ингибирования ее мРНК, а следовательно, ингибирует и мРНК всего гистидинового оперона.
То, что существуют различные пути регуляции генов, подтверждается данными о регуляции оперона ara BAD, который ответственен за метаболизм арабинозы, встречающейся обычно в стенках клеток растений, а у микроорганизмов — являющейся одним из источников углерода и энергии. Арабиноза попадает в организм животных или человека с растительной пищей, где она метаболи-зируется микроорганизмами. Однако прежде она должна поступить в бактерии. Это поступление арабинозы в бактериальные клетки, т. е. транспорт арабинозы обеспечивается двумя независимыми системами, представляющими собой продукты генов ara Е и ara FG (рис. 148).
Система ara Е обладает низким родством к арабинозе, поэтому она используется лишь при очень высоких концентрациях этого углевода, тогда как система ara FG, обладающая высоким родством к арабинозе, используется при очень низких концентрациях углевода (порядка 10-7 М).
Гены, кодирующие ферменты, которые необходимы для катаболизма арабинозы, показаны на рис. 149. Катаболизм арабинозы начинается с того, что она вначале конвертируется синтезируемая под контролем гена ara А арабинозной изомеразой в L-рибулозу. Затем рибулоза фосфорилируется рибулозокиназой, являющейся продуктом гена ara В в L-рибулозу-б-фосфат. В свою очередь рибулозо-фосфат конвертируется в П-ксилозу-б-фосфат с помощью рибулозо-фосфатэпимеразы, являющейся продуктом гена ara D. Важно отметить, что гены транспортной системы, а также дополнительный арабинозоиндуцируемый ген и гены метаболизма арабинозы локализованы в разных районах хромосомной карты Е. coil. Все эти наборы генов регулируются позитивно арабинозой.
Репрессия метаболических и транспортных генов в ага-опероне осуществляется продуктом (белком) гена ara С. Этот белок является позитивным регулятором. В то же время белок гена ага С может и репрессировать экспрессию этих генов. Таким образом, этот белок существует в двух состояниях — индуцирующем и репрессирующем, индуцируя или репрессируя инициацию транскрипции (начало синтеза мРНК) арабинозного оперона. Индуцирующим свойством белок ага С обладает в присутствии арабинозы, позитивно действуя на один сайт, репрессирующим — в отсутствие этого углевода, действуя негативно на другой сайт (рис. 150).
Индукция арабинозного оперона происходит в присутствии цАМФ и белка CRP, являющегося рецептором для цАМФ. Главная роль этого белка заключается в позволении индукции арабинозного оперона только в отсутствие глюкозы. Это получило название катаболитной репрессии.
Опероноподобная организация генетического контроля действия генов показана у фага лямбда, вируса иммунодефицита человека и многих других микроорганизмов.
Считают, что в геноме эукариотических клеток содержится 10 000-50 000 генов-регуляторов. Регулирующие белки, синтезируемые под контролем этих генов, связываются со специфическими последовательностями ДНК вблизи регулируемых генов.
Для некоторых организмов — эукариотов (например, дрожжей) также характерна опероновая организация функционально связанных генов.
Рассмотрение вопроса о регуляции действия генов у организмов на более высокой ступени эволюционной лестницы показывает, что здесь отмечается еще большее усложнение и разнообразие в контроле. Изучение генов, контролирующих синтез 5S-PHK у южноафриканской жабы Xenopus показало, что в овоцитах гены, кодирующие 5S-PHK, экспрессируются лишь в период развития овоци-тов, тогда как ядерные гены соматических клеток, кодирующие синтез 5S-PHK, экспрессируются как в овоцитах, так и в клетках эмбрионов. Установлено также, что синтез 5S-PHK стимулируется белковыми факторами TFA, TFB и TFC. Два последних фактора используются также в транскрипции других генов.
В случае большинства эукариотов считают, что у них нет опе-роноподобной организации генетического контроля действия генов, т. е. эукариотические гены регулируются индивидуально, транс-крибируясь в моноцистронные мРНК, либо эукариотические гены регулируются частично полицистронно, частично моноцистронно. В пользу второго предположения свидетельствуют данные об обнаружении у нематоды С. elegans генов, организованных в опероны. У организма этого вида процессинг полицистронной мРНК в моно-цистронную мРНК происходит до трансляции.
Считают, что генетический контроль синтеза белков у прокари-отов и у эукариотов осуществляется как на уровне транскрипции (частота синтеза мРНК, процессинг мРНК, транспорт мРНК из ядра, стабильность мРНК), так и на уровне трансляции (частота трансляций, регуляции синтеза белковых факторов, ответственных за инициацию, элонгацию и терминацию полипептидной цепи). Считают также, что у эукариотов в генетической регуляции имеет значение структура хроматина, которая блокирует доступ специфических активирующих белков (активаторов) к промоторам. В клетках эукариотов установлен специфический комплекс, который обеспечивает АТФ-зависимое разрушение нуклеосом, позволяя при этом активаторам связываться с нуклеосомным стержнем, что ведет к транскрипции. С другой стороны, установлено, что синтез некоторых ферментов интенсифицируется под влиянием стероид-ных гормонов. Контроль может осуществляться и после трансляции (контроль протеолиза).
Вопросы для обсуждения
1. Что вы понимаете под действием генов и каковы продукты действия генов? Назовите первичные и вторичные продукты действия генов.
2. Дайте определение экспрессивности и пенетрантности генов. Приведите примеры этих свойств генов.