Схема регуляции транскрипции у прокариот оперон не работает

Регуляция работы генов у прокариот и у эукариот

Работа генов в любом организме – прокариотическом, эукариотическом, одноклеточном или многоклеточном контролируется и координируется.

11.1. Регуляция работы генов у прокариот.

В 1961 г. французике ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно создали оперонную модель регуляции транскрипции, объясняющую механизм «включения» и «выключения» тех или иных генов, в зависимости от потребности бактериальной клетки в метаболитах.

Классическим примером регуляции экспрессии (или реализации) служит: функционирование 1) лактозного и 2) триптафанового оперона кишечной палочки.

Лактозный оперон. Многими учеными замечено, что некоторые ферменты у дрожжей и бактерий образуются в клетках только при выращивании их на определенных питательных средах. Например, при выращивании кишечной палоч­ки на питательной среде, не содержащей лактозы, ее клетки содержат незначительное число (меньше пяти) молекул фермента лактазы, разлагающего лактозу на глюкозу и галактозу. При добавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в течение 2-3 мин синтезируют большое количество лактазы (свыше 5 тыс. молекул). При удалении из среды лактозы синтез лак­тазы быстро прекращается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их разлагают, называются индукторами (в данном примере индуктором является лактоза).

Триптафановый оперон. Подобные механизмы используются клеткой для вык­лючения синтеза нужных ей соединений при их наличии в питательной среде. Например, аминокислота трипто­фан синтезируется при участии фермента триптофан-синтетазы. Однако, если в среде, на которой выращиваются бактерии, присутствует триптофан, синтез фермента не­медленно прекращается. Это явление получило название репрессии, а вызывающий его фактор (в нашем приме­ре — триптофан) — корепрессором.

Рис.. Схема регуляции транскрипции у прокариот. (а) Оперон «не работает»

(б) Оперон «работает»

а)

б)

Оперон – это группа генов (т.е. участок ДНК), работа которых контролируется одним геном-регулятором. Единица считывания информации у прокариот.

Весь процесс регуляции биосинтеза можно подразделить на две фазы:

Ген-регулятор – это ген, находящийся обычно на некотором расстоянии от оперона (т.е. он не входит в организацию оперона), постоянно активен и на основе его информации синтезируется особый белок-репрессор. Репрессор обладает очень сильным сродством к гену- оператору и может легко присоединяться к нему.

Индукция. Присоединение молекулы индуктора к активному участку молекулы репрессора изменяет его третичную структуру так, что он не может связаться с геном-оператором и блокировать его. Оператор оказывается в активном состоянии и включает структурные гены, а именно, отсутствие блокады гена оператора позволяет РНК-полимеразе связаться с геном-промотором. Закрепившись, РНК-полимераза может начать транскрипцию структурных генов оперона. В качестве индукторов могут выступать продукты распада белка, гормоны и др. метаболиты.

Инактивация. Если индуктор в клетке отсутствует, то репрессор обладает способностью связываться с геном-оператором. При этом происходит инактивация оператора и тем самым предотвращается включение структурных генов, т.е. РНК-полимераза не связывается с геном-промотором и транскрипция отсутствует

Оперон включает в себя следующие гены:

1. Ген-промотор с инициатором — это место первичного прикрепления РНК-полимеразы (фермента, синтезирующего РНК на ДНК)— фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза и-РНК. Является местом начала транскрипции. Кроме того, промотор определяет, какая из двух цепей ДНК будет служит матрицей для синтеза иРНК. Промотор находится со стороны 5′-конца кодирующей цепи гена.

2. Ген-оператор — точка начала считывания генетической информации, он управляет функционированием структурных генов оперона, т.е. включает и выключает их (т.е. структурные гены), следовательно, они активны непостоянно. Если этот ген свободен, то это значит, что работа структурных генов разрешена, если он связывается с репрессором, то работа этих генов прекращается.

3. Структурные гены — это гены, несущие генетическую информацию о последовательности аминокислот в молекулах белков (ферментов).

4. Терминатор– это участок (локус) в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции, т.е. место окончания синтеза иРНК.

11.2. Регуляция работы генов у эукариот. Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г. П. Георгиевым (1972).

Рис. ___. Схема регуляции транскрипции у эукариот

Единица транскрипции (т.е. единица считывания информации) у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон.

Неинформативная зона начинается промотором с инициатором. Далее следуют группа генов-операторов, за которыми расположена информативная зона.

Информативная зона образована структурным геном, разделенным на экзоны (информативные участки) и интроны. (неинформативные участки).

Заканчивается транскриптон терминатором.

Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов, дающих информацию для синтеза нескольких белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормоны), для расщепления которых требуется несколько ферментов (многоступенчатые реакции). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-полимераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона и по правилу комплементарности на нем сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК (про-и-РНК), списывающая информацию как с информативной, так и с неинформативной зон. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг(англ. processing –обработка, переработка) — ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекула и-РНК (моноцистронпая), соответствующая экзонам структурного гена, формируется посредством сплайсинга(сплавления или соединения) отдельных информативных фрагментов ферментами лигазами. Далее и-РНК выходит из ядра, идет в рибосомы, где и происходитсинтез белка-фермента, необходимого для расщепления индукторов. Включение и выключение транскриптона происходит принципиально так же, как и оперона.

Источник

Cell Biology.ru

Справочник

• Обзоров: 126
• Биографии: 12
• Записей в дневниках: 13
• Новостей: 16

Транскрипция у прокариот

РНК-полимераза E.coli

РНК-полимераза E.coli осуществляет транскрипцию всех бактериальных генов и состоит из нескольких субъединиц: α-35кДа, β‘-165кДа, β-155кДа, σ-чаще 70кДа (σ70). РНК-полимераза состава ααββ’σ70 называется holo-фермент (Еσ70), состава ααββ’- core-фермент (E).
σ — сменный фактор специфичности, который диссоциирует после инициации транскрипции. Элонгация и терминация осуществляется core-ферментом. У Е.coli

10 видов σ-субъединиц. Транскрипция генов теплового шока, оперонов gln или nif осуществляется σ54 в составе holo-фермента Eσ54 (54 кДа).
Все субъединицы заряжены отрицательно: σ>α>β>β’ – расположены по убыванию заряда. В каждой субъединице имеется кластер (+)-заряженных участков, которыми они связываются с ДНК. Наибольшее число кластеров у – β’, который участвует в связывании фермента с ДНК, β-субъединица содержит активные центры — инициации и элонгации, α-субъединицы обеспечивают правильное взаимодействие фермента с промоторами. Рифампицин – блокирует инициацию, стрептолидигин – блокирует элонгацию, что говорит о разнесении активных центров в РНК-полимеразе.
Узнавание и связывание RNA-pol с промотором осуществляется holo-ферментом
Одновременно в клетке присутствует около 7000 молекул РНК-полимеразы. Только holo-фермент обладает высоким сродством к специфической последовательности нуклеотидов — промотору, сродство к остальным случайным последовательностям ДНК у него снижено в 10000 раз. У core-фермента одинаковое сродство к любой последовательности нуклеотидов.
Сам по себе сигма — фактор обладает наименьшим сродством к ДНК по сравнению с другими субьединицами РНК-полимеразы, однако он придает holo-ферменту такую конформацию, которая обладает повышенным сродством к промотору.
Стадии узнавания и связывания, а также инициации осуществляются holo-ферментом. Элонгация и терминация осуществляются core-ферментом.
Две α субъединицы — каркас РНК-полимеразы. К ним крепятся остальные субъединицы.
β’ — субъединица отвечает за прочное связывание с ДНК за счет кластера положительно заряженных аминокислот.
В β — субъединице находятся два каталитических центра. Один отвечает за инициацию, а другой — за элонгацию. Один центр работает в holo-, а другой — в core- ферменте.

Инициация транскрипции

РНК-полимераза Ecoli узнает два 6н разделенных 25н

Элонгация транскрипции

Терминация транскрипции

Регуляция транскрипции

Схема негативной индукции Жакоба и Моно

Lac-оперон E. coli содержит 3 гена, отвечающие за образование белков, участвующих в переносе в клетку дисахарида лактозы и в ее расщеплении.
Z-β — галактозидаза (расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу).
Y-β- галактозидпермеаза (переносит лактозу через мембрану клетки).
А — тиогалактозидтрансацетилаза (ацетилирует галактозу).
В отсутствие в клетке лактозы lac-оперон выключен. Активный белок — репрессор, кодируемый в моноцистронном опероне (LacI) , не имеющем оператора, связан с оператором lac-оперона. Поскольку оператор перекрывается с промотором, даже посадка РНК-полимеразы на промотор невозможна.
Как только некоторое количество лактозы попадает в клетку, две молекулы субстрата (лактозы) взаимодействуют с белком — репрессором, изменяют его конформацию — и он теряеет сродство к оператору.
Тут же начинается транскрипция lac-оперона и трансляция образующейся mРНК; три синтезируемых белка участвуют в утилизации лактозы.
Когда вся лактоза переработана, очередная порция репрессора, свободного от лактозы, выключает lac-оперон.

Схема позитивной индукции

Когда в клетку попадает арабиноза, она взаимодействует с белком — репрессором. Белок — репрессор меняет конформацию и превращается из репрессора в активатор, взаимодейсивующий с промотором и облегчающий посадку РНК-полимеразы на промотор.
Эта схема регуляции называется позитивной индукцией, поскольку контролирующий элемент — белок — активатор «включает» работу оперона.

Схема позитивной репрессии

В опероне синтеза рибофлавина у Вacilus subtilis располагаются цистроны ферментов синтеза рибофлавина. Есть белок-активатор, обеспечивающий посадку РНК-полимеразы на промотор. В норме оперон открыт. Образуется N молекул рибофлавина.

N+1-ая молекула (лишняя) взаимодействует с активатором и он теряет способность активировать посадку РНК-полимеразы на промотор.

Позитивная репрессия, поскольку в регуляции участвует белок — активатор, а сама регуляция заключается в выключении транскрипции.

Схема негативной репрессии

В опероне синтеза триптофана у E. сoli имеется 5 цистронов, которые кодируют ферменты последовательной цепи реакций синтеза триптофана. В норме оперон включен. Белок — репрессор неактивен (в форме апо-репрессора), он не способен садиться на оператор.

Клетке нужно N молекул триптофана. N+1-ая молекула взаимодействует с апо-репрессором. Он меняет конформацию, садится на оператор и синтез РНК прекращается.

Схема регуляции — негативная репрессия, потому что белок репрессор «выключает» оперон.

Позитивный контроль работы lac-оперона

Lac-оперон, подчиняющийся схеме негативной индукции, имеет и позитивный контроль. цАМФ образуется из АТФ ферментом аденилатциклазой. Фосфодиэстераза превращает цАМФ в АМФ. Глюкоза активирует второй и инактивирует первый фермент. Чем больше в клетке глюкозы, тем меньше цАМФ.

Если нет глюкозы, то цАМФ соединяется с белком катаболической репрессии (САР) и образуется комплекс САР•цАМФ, активирующий посадку РНК-полимеразы на промотор. В присутствии лактозы lac-оперон включается и работает. Если же в клетке есть еще и глюкоза (более экономичный источнок энергии), то нет цАМФ — и активатор не образуется, lac-оперон работает слабо, без дополнительной индукции.

Источник

Транскрипция хорошо регулируется

Так как транскрипция связывает ядро – «мозг» клетки, ее «банк знаний» и белки , «рабочих лошадок» клетки, то от качества и активности транскрипции зависит объем синтеза тех или иных белков, жизнедеятельность клетки, ее способность адаптироваться к окружающей обстановке.

У прокариот и эукариот регуляция транскрипции происходит, естественно, по-разному, хотя некоторые моменты похожи.

Регуляция транскрипции у прокариот

Регуляция биосинтеза белка у прокариот осуществляется на уровне изменения скорости синтеза мРНК. В настоящее время принята теория оперона , сформулированная Франсуа Жакобом и Жаком Моно. В основе теории лежат следующие понятия:

• оперон – группа тесно связанных между собой генов, которые программируют образование структурных белков и ферментов в клетке,
• конституитивные гены – это гены, обеспечивающие основные жизненные функции клетки, «гены домашнего хозяйства». Эти гены работают в клетке всегда, независимо от ее активности и условий,
• индуцибельные гены – это гены, которые активируются при необходимости,
• ген-регулятор – ген, регулирующий работу оперона, но не входящий в его состав. Он синтезирует белок-регулятор (чаще называемый белок-репрессор), который может быть в активной или неактивной форме,
• ген-оператор – участок ДНК, способный связываться с белком-регулятором, и «решающий» нужно работать РНК-полимеразе или нет.

Схема строения и работы оперона

Предложены две схемы регуляции скорости транскрипции: по механизму индукции (лактозный оперон) и по механизму репресии (триптофановый оперон).

Лактозный оперон

Лактозный оперон в целом отвечает за катаболизм лактозы.

При изучении E.coli было замечено, что в клетке может быть две взаимоисключающие ситуации:

• активность одного из ферментов катаболизма лактозы низка, если в среде имеется много глюкозы.
• активность этого же фермента резко повышается в обратной ситуации, т.е. при отсутствии глюкозы и при наличии лактозы.

На основании наблюдений была предложена схема регуляции оперона по механизму индукции :

1. При отсутствии лактозы активный белок-репрессор связывается с оператором и блокирует синтез мРНК, кодирующей ферменты катаболизма лактозы. В результате эти ферменты не образуются.

2. Если глюкозы нет, а лактоза есть, то последняя связывается с белком-репрессором и ингибирует его, не давая ему связаться с геном-оператором и препятствовать работе РНК-полимеразы. Это позволяет РНК-полимеразе считывать информацию, отвечающую за синтез ферментов катаболизма лактозы, и синтезировать мРНК.

Таким образом, лактоза является индуктором транскрипции.

Схема работы лактозного оперона при наличии и отсутствии лактозы

Триптофановый оперон

Триптофановый оперон в целом отвечает за синтез триптофана.

Функционирование триптофанового оперона в некотором смысле противоположно лактозному. Регуляция осуществляется по механизму репрессии .

1. В отличие от лактозного оперона, белок-репрессор синтезируется в неактивном состоянии и не может заблокировать транскрипцию генов, кодирующих ферменты синтеза триптофана. Синтез этой аминокислоты будет в клетке продолжаться до тех пор, пока в питательной среде не появится триптофан.

2. Триптофан соединяется с белком-репрессором и активирует его. Далее такой активный комплекс присоединяется к гену-оператору и блокирует транскрипцию. Таким образом, при наличии триптофана в среде прекращается его внутриклеточный синтез, экономятся ресурсы и энергия бактериальной клетки.

В этом случае триптофан является репрессором транскрипции.

Схема работы триптофанового оперона при наличии и отсутствии триптофана

Регуляция транскрипции у эукариот

Существенное усложнение эукариотических организмов повлекло за собой появление новых способов регуляции активности транскрипции:

Амплификация – это увеличение количества генов, точнее многократное копирование одного гена. Естественно, все полученные копии равнозначны и одинаково активно обеспечивают транскрипцию.

Энхансеры (англ. to enhance – усиливать) – это участки ДНК в 10-20 пар оснований, способные значительно усиливать экспрессию генов той же ДНК. В отличие от промоторов они значительно удалены от транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом направлении (к 5′-концу или к 3′-концу). Сами энхансеры не кодируют какие-либо белки, но способны связываться с регуляторными белками (подавляющими транскрипцию).

Сайленсеры (англ. silence – молчание) – участки ДНК, в принципе схожие с энхансерами, но они способны замедлять транскрипцию генов, связываясь с регуляторными белками (которые ее активируют).

Перестройка генов. К подобным процессам относится кроссинговер – обмен участками гомологичных хромосом, и более сложный процесс – сайт-специфичная рекомбинация, которая изменяет положение и порядок нуклеотидных последовательностей в геноме.

Процессинг мРНК – некоторые пре-мРНК подвергаются разным вариантам сплайсинга (альтернативный сплайсинг) в результате чего образуются разные мРНК, и соответственно, белки с разной функцией.

Изменение стабильности мРНК – чем выше продолжительность жизни мРНК в цитозоле клетки, тем больше синтезируется соответствующего белка.

Лекарственная регуляция транскрипции

Ингибирование

1. Гетероциклические соединения доксорубицин, дауномицин и актиномицин D обладают способностью интеркалировать (встраиваться между нитей молекулы ДНК) между двумя соседними парами оснований Г-Ц. В результате возникает препятствие для движения РНК-полимеразы («заедание молнии») и остановка транскрипции.

2. Рифампицин связывается с β-субъединицей РНК-полимеразы прокариот и ингибирует ее. Благодаря такой избирательности действия рифампицин действует только на бактерии и является препаратом для лечения туберкулеза.

3. α-Аманитин, октапептид бледной поганки (Amanita phalloides) блокирует РНК-полимеразу II эукариот и предотвращает продукцию мРНК.

Активация

Активация транскрипции используется в клинике намного реже и заключается в применении аналогов стероидных гормонов для достижения анаболического эффекта в органе-мишени.

Источник