5. Оперонный принцип организации генов у эукариот

Французские микробиологи Франсуа Жакоб и Жак Моно сформулировали в 1961 г. концепцию оперона. Оперон – это система генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований. Например, это могут быть гены, которые детерминируют синтез ферментов, участвующих в утилизации какого-либо вещества или синтезе какого-то компонента клетки.

В 1965 г. Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андрэ Львов получили за эту работу Нобелевскую премию.

Гены можно поделить на две группы по принципу действия их продукта. Гены, которые кодируют структуру белков, называются структурными. Таких генов у бактерий большинство.

Гены (последовательности нуклеотидов), которые обеспечивают регуляцию экспрессии (активности, транскрипции) структурных генов, называются регуляторными.

В качестве примера оперонной организации генов рассмотрим так называемый лактозный оперон кишечной палочки.

При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы белок репрессор, кодируемый геном-регулятором (I), взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов Z, Y, А.

Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов Z, Y, A.

Лактоза относится к β-галактозидам, в результате ее расщепления образуются глюкоза и галактоза.

Весь кластер генов занимает около 6000 пн. Ген laсI имеет свои промотор и терминатор. Конец района laсI непосредственно примыкает к промотору Р_lac, оператор О_lac занимает первые 26 пн гена lacZ. После гена lacZ, который имеет необычно большую длину, расположены гены lacY и lacA, а также общий терминатор транскрипции.

Гены имеют следующие функции:

продукт lacZ расщепляет β-галактозид на составляющие его сахара;

продукт гена lacY является β-галактозид-пермеазой, он транспортирует β-галактозид в клетку;

ген lасА кодирует белок трансацетилазу — энзим, который переносит ацетильную группу с ацетил-СоА на β-галактозид.

Мутации генов lacZ и lacY дают фенотип Lac^-, когда клетки не могут использовать лактозу.

Мутации гена-регулятора I приводят к тому, что гены lacZ, Y и A экспрессируются непрерывно.

Данный способ регуляции активности гена со стороны гена-регулятора называется негативным контролем, так как продукт гена (репрессор) останавливает транскрипцию. Он может быть двух видов: негативная индукция (если репрессор активен сам по себе) и негативная репрессия (если белок репрессор становится активным, соединяясь с низкомолекулярным корепрессором; например, в случае триптофанового оперона у E. coli).

Основным преимуществом оперонной организации генов у микроорганизмов является координация регуляции активности: все гены экспрессируются или не экспрессируются одновременно, и относительные количества всех трех ферментов остаются одинаковыми независимо от условий индукции.

В ходе реализации геномного проекта E. coli, завершившегося в 1997 г. полным секвенированием ДНК, в геноме кишечной палочки выявлено 2584 оперона. Среди них 73 % содержат один цистрон, 16 % — 2 цистрона, 4,6 % — 3 цистрона (в том числе lac-оперон); 6 % — 4 и более цистрона (в том числе trp-, his-опероны). Все они имеют не менее одного промотора и управляются регуляторными белками.

У эукариот опероны не обнаружены.