9.5. Регуляция экспрессии генов
Клеточная ДНК несёт в себе генетическую программу, необходимую для синтеза сотен различных белков. Однако, в каждый данный момент клетка синтезирует только те белки, которые ей нужны в это время. Например, при выращивании кишечной палочки на питательной среде, не содержащей лактозы, её клетки содержат незначительное число (меньше пяти) молекул фермента лактазы, разлагающего лактозу на галактозу и глюкозу. При добавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в течении 2-4 минут синтезируют больше 5 тыс. молекул лактозы. При удалении из среды лактозы синтез лактазы прекращается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их разлагают называются индукторами (в данном примере индукторами является углевод лактоза).
Эти опыты свидетельствуют о том, что клетки бактерий способны регулировать свою генетическую активность для того, чтобы приспосабливаться к изменяющимся условием окружающей среды.
9.5.1. Регуляция экспрессии генов у прокариот
Регуляция генной активности у прокариот в основном осуществляется на уровне транскрипции. В 1961 г. французские ученые (будущие нобелевские лауреаты) Ф. Жакоб и Ж. Моно, разработали концепцию оперона для объяснения механизма «включения» или «выключения» тех или иных генов в зависимости от потребности клетки в определённых веществах, синтез которых контролируют эти гены. В дальнейшем эта концепция получила подтверждение в многочисленных экспериментах, показавших, что оперонная регуляция (т.е. регуляция на уровне транскрипции) является основным механизмом регуляции активности генов прокариот и бактериофагов.
Оперон - единица считывания генетической информации, транскрипция которой осуществляется на одну молекулу информационной РНК (иРНК) под контролем белка-репрессора. Основу оперона составляют расположенные в линейном порядком структурные гены и ген – оператор (рис. 9.7.).
Рис. 9.7. Схема регуляции транскрипции у прокариот
Структурные гены - кодируют белки - ферменты, осуществляющие последовательные этапы биохимических реакций одного метаболического пути (например, реакцию расщепления лактозы).
Ген-оператор - управляет функционированием структурных генов оперона, т.е. “включает” или “выключает” их. Если этот ген свободен, то транскрипция структурных генов происходит, если он связывается с белком-репрессором, то она прекращается.
В состав оперона, кроме структурных генов, гена - оператора входит промотр с инициатором и термінатором.
Промотор с инициатором - место первичного присоединения РНК- полимеразы - фермента, катализирующего реакцию ДНК-зависимого-синтеза иРНК.
Терминатор - последовательность ДНК, находящаяся на конце оперона и ответственная за прекращения транскрипции.
Ген-регулятор - обычно находится на некотором расстоянии от оперона, постоянно активен и на основе его информации синтезируется белок- репрессор.
Белок - репрессор при отсутствии в клетке индуктора соединяется с оператором и блокирует транскрипцию, так как РНК - полимераза не может двигаться вдоль оперона и транскрипция структурных генов не происходит (рис. 9.6). Если в клетку поступает индуктор то он связывает белок-репрессор, в результате чего репрессор не может присоединится к оператору. Свободный оператор “открывает путь” РНК-полимеразе и все гены оператора транскрибируются (рис 9.6.).
В результате транскрипции образуется иРНК (полицистронная), которая затем идет в рибосомы, где синтезируются ферменты разлагающие индуктор. Когда все молекулы индуктора будут разрушены, освобождается белок – репрессор, который снова связывает ген – оператор, в результате чего робота оперона прекращается. При поступлении индуктора она снова возобновляется. В описаном примера роль индуктора («побудителя» синтеза своего фермента) играют молекулы вещества, поступающие в клетку. Но в качестве индукторов могут выступать продукты распада белка, гормоны и другие метаболиты, которые могут связываться с белком-репрессором и тем самым влиять на транскрипцию структурных генов.
Для каждого оперона имеется свой специфический индуктор. Например, для лактозного оперона индуктором является лактоза, фруктозного – фруктоза, для гистидинового – гистидин. Основным преимуществом оперонной регуляции экспрессии генов у прокариот является синхронизация активности генов одного кластера и способность быстро переключать метаболизм с одного субстрата на другой.