Регуляция активности генов у бактерий

У прокариот, как и эукариот, не все гены работают- одновременно. Даже во время активности гены требуется контролировать, чтобы продуцировалось только необходимое количество белка.

Если белок продуцируется клеткой постоянно, его синтез называется конститутивным. Гены таких белков регулируются сродством своих промоторов к РНК-полимеразе. Чем больше сродство, тем с большим постоянством ген, кодирующий белок, будет его производить.

Другие гены находятся под контролем регуляторных белков. Эти белки сами по себе не являются ферментами, они связываются с промоторами и регулируют транскрипцию генов. Как и у эукариот, есть белки репрессоры и активаторы. Репрессоры связываются с участком ДНК в опероне, называемом оператором. Это предотвращает транскрипцию всех генов в опероне. Поскольку отсутствие репрессора требуется для активности оперона, процесс называется негативной регуляцией.

Белки, которые должны синтезироваться для активации оперона, как и следует ожидать, называются активаторами. Они связываются с точками промотора в опероне или последовательностями, расположенными далеко от оперона, называемыми энхансерными сайтами. Поскольку присутствие активатора требуется для активации оперона, процесс называется положительной регуляцией.

Различные виды веществ могут активировать указанные виды регуляции, от маленьких молекул (сахара и аминокислоты) до больших молекул (гормоны). Вещества, включающие транскрипцию генов, называются индукторами, а выключающие ее — корепрессорами.

Гены, активируемые индукторами, называются индуцируемыми генами. Обычно они вовлечены в продукцию белков, участвующих в реакциях утилизации других веществ. Гены, выключаемые с участием корепрессоров, называются репрессируемыми генами. Они участвуют в процессах продукции различных веществ, например аминокислот.

Итак, возможны следующие варианты: отрицательная индуцирующая регуляция, отрицательная репрессирующая регуляция; положительная индуцирующая регуляция (положительная репрессирующая регуляция неизвестна).

Пример регуляции гена у Е. coli

Классический пример регуляции у бактерий получен (опять же) у Е. coli.

Е. coli содержит фермент, называемый бета-галактозидазой, который разбивает лактозу, молочный сахар, на два простых сахара: галактозу и глюкозу (наиболее предпочтительное питательное вещество для E.coli).

Е. coli синтезируют бета-галактозидазу, только когда в среде присутствует лактоза. Несколько последовательностей ДНК перед 5′-концом последовательности, кодирующей бета-галактозидазу, регулируют транскрипцию этого фермента (рис. 9.6). РНК-полимераза связывается с одной из этих последовательностей — промотором. Последовательность, называемая оператором, лежит между промотором и стартовым кодоном последовательности ДНК, кодирующей бета-галактозидазу. Оператор взаимодействует с последовательностью репрессора (форма, длина и устройство репрессора делают практически невозможным его связывание с другими последовательностями, кроме оператора). Репрессор, связавшись с оператором, предотвращает начало транскрипции РНК-полимеразой.

Рис. 9.6. Эти участки ДНК регулируют транскрипцию гена бета-галактозидазы в Е. coli

Рис. 9.6. Эти участки ДНК регулируют транскрипцию гена бета-галактозидазы в Е. coli

Однако если Е. coli поместить в среду с лактозой, сахар свяжется с белком-репрессором, что изменит форму белка. Это, в свою очередь, предотвратит связывание репрессора с ДНК, что позволит РНК-полимеразе транскрибировать ген бета-галактозидазы, а лактоза будет утилизироваться как источник энергии клетками E.coli. Это пример отрицательного контроля.

Тот же механизм служит примером положительного контроля. Синтез бета-галактозидазы также требует присутствия специфического белка-активатора. Данный белок функционирует, только соединившись с маленькой молекулой, которая появляется в клетке, когда в ней нет глюкозы, то есть когда клетка голодает. Как только маленькая молекула появляется, она образует комплекс с активатором, который затем связывается с короткой последовательностью ДНК около области промотера-оператора и активирует транскрипцию гена бета-галактозидазы РНК-полимеразой. Таким образом, полное выражение гена бета-галактозидазы требует как присутствия лактозы, так и отсутствия глюкозы в питательной среде.

Хотя механизм активации/репрессии наиболее часто встречается у бактерий, он не единственный, В некоторых случаях белок, продуцируемый геном, регулирует саму транскрипцию посредством саморегуляции. В случае слишком большой концентрации белка в клетке он ингибирует собственную продукцию, что приводит к падению уровня этого белка.

У прокариот существуют регуляторные механизмы на каждом уровне синтеза белка, как у эукариот (подробно обсужденного в главе 5).

Одно из основных различий между прокариотами и эукариотами, а также его важность для понимания генетики обсуждается в следующей главе.


Оставить комментарий

Ваш комментарий