Вопрос №60: регуляция транскрипции путем индукции 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 контролирующие 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 (БАК, или САР), 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). Регуляторный ген lad, расположенный на некотором расстоянии от регуляторной части оперона, имеет свой промотор и терминатор. Белок, транслируемый с мРНК этого гена, называется репрессором, поскольку он, присоединяясь к оператору, преграждает путь РНК-полимеразе к структурным генам, препятствуя транскрипции. Если единственным источником энергии служит лактоза, репрессор инактивируется в результате присоединения к нему ее молекул. При этом промотор остается открытым для продвижения РНК-полимеразы и инициации транскрипции структурных генов оперона. Мутации в гене белка-репрессора приводят к конститутивному синтезу белков лактозного оперона, поскольку при этом репрессор «не мешает» РНК-полимеразе транскрибировать структурные гены. Рассмотренный механизм регуляции lac-оперона показывает, каким образом активируется синтез белков лактозного оперона при появлении в среде лактозы. Однако активации не происходит, если поставщиком углерода и энергии в среде служит только глюкоза. Существует механизм репрессии лактозного оперона, основанный на использовании белка-активатора САР. Этот белок играет роль регулятора для нескольких генетических систем, ответственных за использование лактозы, галактозы и арабинозы, как альтернативных источников энергии и углерода. Белок-активатор существенно увеличивает сродство РНК-полимеразы к соответствующим промоторам после присоединения к нему молекулы сАМР (циклического аденозинмонофосфага). В присутствии глюкозы уровень сАМР остается низким, и активации оперонов, ответственных за использование лактозы, галактозы и арабинозы, не происходит. Уровень сАМР в клетке возрастает при исчезновении глюкозы (сигнал «голода»), и белок САР вместе с молекулой сАМР присоединяется к ДНК в районе промоторов трех оперонов, создавая одно из необходимых условий для начала транскрипции.

Вопрос №61: механизм репрессии и аттенуации на примере работы trp-оперона.

Триптофановый оперон E. Coli включает пять структурных генов. При изучении этого гена был найден еще один способ регуляции – аттенюация (или ослабление). Ч.Яновский, детально исследовавший триптофановый оперон E. coli, обнаружил мутанты-суперпродуценты ферментов, кодируемых этим опероном. Мутанты несли делеции в самом начале оперона – в так называемом лидерном участке, между оператором и инициирующим кодоном первого гена trpE. При этом терялась последовательность, содержащая сигнал прекращения транскрипции. Синтез иРНК обычно начинается с лидерной части, но только 10% молекул иРНК полностью копируют trp-оперон. Преждевременное прекращение транскрипции обеспечивает аттенюатор-тот участок, который был потерян у делеционных мутантов-суперпродуцентов. Лидер содержит участок связывания рибосомы и кодирует пептид из 14 аминокислот, в котором повторяется (2раза) остаток триптофана. Кроме того, лидерная иРНК содержит участок вторичной структуры, который, по-видимому, служит сигналом прерывания транскрипции. По-видимому, избыток аминокислоты, синтез которой контролирует оперон, приводит к накоплению соответствующей аминоацил-тРНК, что обеспечивает трансляцию лидерной иРНК, и рибосома, двигаясь вдоль матрицы, разрушает вторичную структуру аттенюатора, делая доступным сигнал терминации транскрипции для сигма-фактора РНК-полимеразы. Транскрипция прекращается. Если же аминокислоты не хватает, то трансляция лидера невозможна, и сигнал терминации транскрипции становится недоступным сигма-фактору. Тогда транскрипция прекращается за аттенюатор и образуется целая молекула иРНК оперона. Таким образом, показана тесная связь транскрипции и трансляции в процессе регуляции оперонов биосинтеза аминокислот.