Регуляция экспрессии лактозного оперона

Согласованная регуляция групп родственных ге­нов

У бактерий гены, кодирующие белки одного и того же метаболического пути или определяющие близ­кородственные функции, часто регулируются согла­сованно. Это значит, что их экспрессия начинается и заканчивается или согласованно продолжается в ответ на один и тот же регуляторный сигнал. Гены, подчиняющиеся согласованной регуляции, в геноме часто бывают сцеплены и транскриби­руются с промотора, находящегося на 5'-конце та­кой группы генов (кластера), в виде единственной молекулы РНК, называемой полицистронным (или полигенным) транскриптом. Группа координиро­ванно экспрессирующихся генов называется опероном. Так три гена, кодирующие ферменты, ответствен­ные за метаболизм галактозы, организо­ваны в оперон с промотором (Р) и примыкающим к нему регуляторным сегментом - оператором (О) на 5'-конце транскрибируемой последовательности: galE-galТ-galК (рисунок 3, прилагается).

Позитивная и негативная регуляция

Негативная регуляция инициации транскрипции, или репрессия, осуществляется белками-репрессорами, которые связываются с операторами. Поскольку последо­вательности оператора и промотора часто перекры­ваются, связывание репрессоров со своими опера­торами ограничивает доступ РНК-полимеразы к промотору, подавляя тем самым инициацию транскрипции. Позитивная регуляция может осуществляться путем связывания специфических белков с нуклеотидными последовательностями, расположенными в области промотора. Связанный активаторный белок способствует ассоциации РНК-полимеразы с промотором и, следовательно, увеличивает вероятность инициации транскрипции.

Гены, кодирующие регуляторные белки, которые связываются с операторными или активаторными последовательностями, могут находиться как вблизи контролируемых ими генов, так и далеко от них.

Негативная регуляция

Бактерии Е. coli могут использовать в качестве единственного источника углерода и энергии лактозу, поскольку они способ­ны образовывать в большом количестве β-галакто-зидазу – фермент, расщепляющий лактозу на глюкозу и галактозу. Однако при росте на других источниках углерода в клетках E.coli образуется очень мало β-галактозидазы. Ген, ответственный за синтез β-галактозидазы, называется индуцибельным, поскольку кодируемый им фермент синтезируется только тогда, когда в клетке присутствуют сахара, имеющие β-галактозильные остатки. Помимо β-галактозидазы, β-галактозиды индуцируют образова­ние еще двух белков: β-галактозидпермеазы, необходимой для проникнове­ния β-галактозидов в клетку, и β-галактозидтранс-ацетилазы, фермента с невыясненной пока функцией. В этих трех генах содержится вся информация о белках, коди­руемых данным опероном. Они транскрибируются в еди­ную полицистронную РНК, при трансляции кото­рой образуются почти одинаковые количества соот­ветствующих белков. Поэтому можно сказать, что эти три гена экспрессируются согласованно. Со структурными генами lac-оперона связаны несколько типов регуляторных элементов, ответственных за индуцибельность и координированную регуляцию этих генов. Промотор – это нуклеотидная последовательность, с которой свя­зывается РНК-полимераза и начинается транскрип­ция трех структурных генов. Оператор – это сайт, с которым связывается lac-репрессор, подавляющий транскрипцию lac-оперона. Ген, не входящий в состав lас-оперона, кодирует репрессор полипептидную цепь с мол. массой 37000 Да. Репрессор прочно связывается с оператором, находясь в тетрамерной форме.

Поскольку промоторная и операторная после­довательности перекрываются, связывание репрессора с оператором мешает связыванию РНК-полимеразы с промотором, что приводит к блокиро­ванию транскрипции структурных генов. Транс­крипцию оперона можно индуцировать, если бло­кировать связывание репрессора с оператором. Такое блокирование происходит при свя­зывании одного из β-галактозидов с той или иной субъединицей репрессора, что уменьшает сродство последнего к оператору. После отсоединения реп­рессора от промотра полимераза может связаться с промотором и инициировать транскрипцию опе­рона.

Позитивная регуляция

Для экспрессии 1ас- оперона, как и других индуцибельных оперонов, ко­торые осуществляют контроль синтеза ферментов, участвующих в метаболизме сахаров, необходимо не только снять репрессию оперона, но и получить некий сигнал. Таким сигналом служит комплекс циклического AMP (cAMP) с белком-активатором катаболизма (САР, от англ, catabolite activator protein), который связывается со специфической последовательностью, находящейся в самом начале lас-промотора. сАМР, принимающий участие во многих клеточных процессах, образуется из АТР в ответ на самые разные вне- и внутриклеточные события. САР представляет со­бой димер из идентичных полипептидных цепей. Связывание комплекса САР-сАМР со специфической последовательностью в начале промотора приводит к усилению транскрипции lac-оперона почти в 50 раз. Сам по себе САР не способен к такому связыванию и стимуля­ции транскрипции. Усиление транскрипции с помощью комплекса САР-сАМР объясняется тем, что, связываясь с ДНК в непосредственной близости от сайта присоединения РНК-полимеразы, он усиливает сродство этого фермента к промотору.

Комплекс САР-сАМР является положительным сигналом при регуляции экспрессии и других оперонов, в частности тех, которые кодируют фер­менты расщепления углеводов. Например, для экспрессии аrа- и gаl-оперонов должны произойти дерепрессия с помощью индукторов - арабинозы и галактозы соответственно и связывание комп­лекса САР-сАМР с областью промотора. Так, у бак­терий, растущих на глюкозе, уровень внутриклеточ­ного сАМР и соответственно комплекса САР-сАМР очень низок. Поэтому, если даже в среде присутст­вует арабиноза или галактоза, в клетках не обра­зуются ферменты, необходимые для утилизации этих cахаров. При уменьшении количества глюкозы уровни сАМР и САР-сАМР увеличиваются и опероны в присутствии необходимых индукторов начи­нают экспрессироваться. Подобная комбинация по­зитивной и негативной систем регуляции очень важ­на, поскольку это предотвращает образование фер­ментов, потребность в которых в данный момент отсутствует.

Сигнальная система САР-сАМР регу­лирует также работу оперонов, кодирующих фер­менты, которые участвуют в деградации аминокис­лот, пуринов и пиримидинов. Накопление в клетке САР-сАМР служит сигналом «голодания»: в ответ на него снижается экспрессия оперонов, кодирую­щих ферменты расщепления аминокислот, пуринов и пиримидинов. В этом случае логика работы систе­мы также состоит в том, чтобы предотвратить образование ненужных ферментов в период го­лодания.