Молекулярно-генетические системы управления

(на примере лактозного оперона кишечной палочки)

Все гены организма можно разделить на две большие группы: конститутивные и индуцибельные.

Конститутивные гены постоянно включены: они функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Иначе говоря, это «гены домашнего хозяйства», или существенные гены без которых клетки не могут существовать.

Индуцибельные гены функционируют в разных тканях на определенных этапах онтогенеза, они могут включаться и выключаться, их активность может регулироваться по принципу «больше или меньше». Это тканеспецифичные гены, или «гены роскоши», которые часто являются несущественными. Включение индуцибельных генов называется индукцией, а выключение – репрессией. Регуляцию активности генов производят молекулярно-генетические системы управления.

Переключение генов лучше всего изучено у бактерий – одноклеточных организмов. Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки.

Оперон – участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: Р – пром о тор, О – оператор, Z, Y, А – структурные гены, Т – терминатор. (В состав других оперонов может входить до 10 структурных генов.)

Промотор служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК с помощью комплекса CAP-цАМФ (CAP – специфический белок; в свободной форме является неактивным активатором; цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – циклическая форма аденозинмонофосфорной кислоты).

Оператор способен присоединять белок–репрессор (который кодируется соответствующим геном). Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать иРНК.

Структурные гены кодируют три фермента, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Молочный сахар лактоза – менее ценный продукт питания, чем глюкоза, поэтому в присутствии глюкозы сбраживание лактозы является невыгодным для бактерии процессом. Однако при отсутствии глюкозы бактерия вынуждена переходить на питание лактозой, для чего синтезирует соответствующие ферменты Z, Y, А.

Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза иРНК, соответствующей ферментам Z, Y, А, необходимым для усвоения лактозы.

Для регуляции работы оперона необходимы еще два гена: ген, кодирующий белок–репрессор, и ген, кодирующий белок СYА. Белок СYА катализирует образование цАМФ из АТФ. Если в клетке имеется глюкоза, то белок СYА вступает с ней в реакцию и переходит в неактивную форму. Таким образом, глюкоза блокирует синтез цАМФ и делает невозможным присоединение РНК-полимеразы к промотору. Итак, глюкоза является репрессором.

Если же в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком–репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок–репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Итак, лактоза является индуктором.

Предположим, что первоначально в клетке имеется только глюкоза. Тогда белок–репрессор присоединен к оператору, а РНК-полимераза не может присоединиться к промотору. Оперон не работает, структурные гены выключены.

При появлении в клетке лактозы и при наличии глюкозы белок–репрессор отщепляется от оператора и открывает путь РНК-полимеразе. Однако РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поскольку глюкоза блокирует синтез цАМФ. Оперон по-прежнему не работает, структурные гены выключены.

Если же в клетке имеется только лактоза, то белок–репрессор связывается с лактозой, отщепляется и открывает путь РНК-полимеразе. В отсутствии глюкозы белок СYА катализирует синтез цАМФ, и РНК-полимераза присоединяется к промотору. Структурные гены включаются, РНК-полимераза синтезирует иРНК, с которой транслируются ферменты, обеспечивающие сбраживание лактозы.

Таким образом, лактозный оперон находится под двойным контролем индуктора (лактозы) и репрессора (глюкозы).

Строение лактозного оперона.

Оперон' — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят гены, кодирующие совместно или последовательно работающие белки и часто объединенные под одним промотором.

Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Франсуа Жакоб, Жан Моно и Андре Львов, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.

Характерным примером оперонной организации генома прокариот является лактозный оперон. Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки (Escherichia coli) была впервые описана в 1961 году учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно.

Лактозный оперон (lac оперон) — полицистронный оперон бактерий, в состав которого входят гены, отвечающие за усвоение и расщепление лактозы.

Лактозный оперон состоит из промотора, оператора, трех структурных генов и терминатора. Иногда принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.

Промотор — последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала специфической, или осмысленной, транскрипции. У прокариот все промоторы включают ряд похожих последовательностей нуклеотидов, важных для узнавания их РНК-полимеразой; в то же время разные промоторы отличаются друг от друга по другим последовательностям. Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает то, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК. Промотор может частично перекрываться или вовсе не перекрываться с оператором.

Оператор — это последовательность нуклеотидов ДНК, с которой связывается регуляторный белок — репрессор или активатор.

Структурные гены — это гены, кодирующие белки.

Структурные гены лактозного оперона — lacZ, lacY и lacA:

· lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу,

· lacY кодирует β-галактозид пермеазу, мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки.

· lacA кодирует β-галактозид трансацетилазу, фермент, переносящий ацетилную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.

Для усвоения лактозы необходимы только продукты генов lacZ и lacY, роль продукта гена lacA не ясна.

При транскрипции с лактозного оперона считывается одна полицистронная мРНК, в которой закодированы все три белка. С неё сразу же начинают считываться эти белки, причем рибосомы «перескакивают» стоп-кодоны, разделяющие нуклеотидные последовательности, кодирующие каждый из белков. (Для прокариот полицистронные РНК обычны, у эукариот они практически не встречаются).