Понятно, что гены не транскрибируются постоянно, а включаются / выключаются в определенные моменты зависимости от внешних условий , стадий клеточного цикла и т.п.. Главными элементами, взаимодействие между которыми приводит активацию или репрессию транскрипции, является цис-и транс-элементы. Цис-элементы? это регуляторные элементы последовательности ДНК, которые физически связанные с данным геном, у прокариот часто называются операторами и находятся в непосредственной близости от промоторов.

Транс-элементы? белковые факторы транскрипции, свободно диффундируют (транспортируемых) в пространстве клетки, ища свой цис-элемент, к которому они имеют специфическую родство. Если связки транс-элемента с оператором приводит к активации транскрипции (часто за счет прямых белок-белковых взаимодействий транскрипционного фактора с РНК-полимеразой, которые повышают ее родство с промотора), говорят, что фактор является активатором и совершает положительную регуляцию. Если фактор блокирует связывание РНК-полимеразы (часто за счет снижения доступности промотора), его называют репрессор и речь идет о негативной регуляции.

Эти принципы регуляции, которые, усложняясь, хранятся также в эукариот, реализуемых на стадии инициации. Кроме того, для регуляции используются другие моменты транскрипции. В частности, для регуляции определенных генов применяется механизм антитерминации, когда активаторы транскрипции предотвращают опознанию РНК-полимеразой сигналов терминации, находящиеся внутри кодирующей части гена. Если факторы отсутствуют, ген неактивен: наличие терминуючого сигнала приводит терминацию транскрипции и освобождения нефункционального РНК-продукта.

Существенной особенностью прокариотических генома является то, что хотя примерно 3/4 транскрипционных единиц (например, E. coli) содержат один ген, остальные реализует характерен для бактерий оперонний принцип организации генетического материала. Оперона представляет собой кластер так называемых структурных генов, на которых синтезируется одна молекула мРНК, которая имеет несколько (одна на каждый структурный ген) последовательных открытых рамок считывания для трансляции соответствующих белков.

В рамках оперона сгруппированы структурные гены, отвечающие за синтез белков, вовлеченных в одной цепочки биохимических превращений (ферменты синтеза или деградации определенной соединения). Кроме структурных генов оперон имеет регуляторные участки, за счет которых осуществляется регуляция транскрипции оперона как целого. В геноме E. coli содержится ~ 650 таких единиц транскрипции. Следующие два примера иллюстрируют типичные механизмы регуляции транскрипции в прокариотических системах.

Лактозной оперон (lac-оперон) E. coli стал в свое время, благодаря исследованиям Жакоба и Моно (Fran?ois Jacob, Jacques Monod), первой детально изученной системой регуляции транскрипции. В состав оперона (рис. 2.8) входят три структурные гены, кодирующие ферменты, участвующие в утилизации (катаболизма) лактозы. Транскрипция всех трех генов осуществляется с одного промотора (синтезируется единая полицистронна молекула мРНК, которая имеет три последовательные открытые рамки считывания). Промотор окружают две одинаковые операторные участки (lac-оператора), имеющие сродство к lac-репрессор, и сайт связывания CAP (Catabolite Activator Protein). Лидерные часть РНК содержит стартовый кодон, который распознается рибосомой, и четыре элемента последовательности: участок 1 содержит два последовательных триптофаном кодона, участки 2? 3 и 3?? 4 являются попарно взаемокомплементарнимы, за участком 4 расположена олиго-U последовательность.

Шпилька 3?? 4, фланкованой олиго-U, является, таким образом, сигналом терминации транскрипции. Когда концентрация Trp низкая (есть потребность в Trp и поэтому оперон должно быть активным), рибосома останавливается на триптофановых кодонах участка 1 (поскольку отсутствует и Trp-тРНК). В этом случае образуется шпилька 2?? 3 (участок 3 не привлекается к образованию терминуючои шпильки) и РНК-полимераза продолжает синтез полноценной мРНК. Рибосомы связываются со стартовыми кодонами, соответствующие структурным генам, и синтезируются соответствующие белки.

Высокого уровня Trp рибосома быстро проходит через участок 1 на участок 2 и останавливается на стоп-кодоне. В результате образуется шпилька 3?? 4, т.е. формируется сигнал терминации, и РНК-полимераза останавливает транскрипцию после синтеза короткой нефункциональной лидерной РНК. trp-оперона находится также под контролем trp-репрессор. Регулятором родства репрессор до оператора является сам Trp: в комплексе с ним репрессор приобретает конформационной формы, имеет высокое сродство. Если концентрации Trp снижается? репрессор диссоциирует и эффективность инициации транскрипции повышается примерно в 70 раз.

Атенюация является дополнительным, менее эффективным механизмом регуляции: в случае отсутствия Trp эффективность транскрипции повышается примерно в 10 раз за счет атенюации (при Trp около 10% РНК-полимераз преодолевают сигнал терминации и продолжают работать, при отсутствии Trp? Практически все). Таким образом, совместное действие атенюации и отрицательного контроля за счет репрессор позволяет изменять активность оперона почти в 700 раз в зависимости от внутриклеточной концентрации Trp.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+