5.4: Регулювання транскрипції
- Page ID
- 4255
Описані вище процеси потрібні всякий раз, коли транскрибується будь-який ген. Але від чого залежить, які гени транскрибуються в даний момент часу. Які молекулярні перемикачі, які вмикають або вимикають транскрипцію? Хоча на цю тему написані цілі книги, основний механізм, за допомогою якого регулюється транскрипція, залежить від високоспецифічних взаємодій між білками, що регулюють транскрипцію, та регуляторними послідовностями ДНК.
Ми знаємо, що промоутери вказують, де починається транскрипція, але що визначає, що даний ген буде транскрибуватися? На додаток до послідовностей промоторів, необхідних для ініціації транскрипції, гени мають додаткові регуляторні послідовності (послідовності ДНК на тій же молекулі ДНК, що і ген), які контролюють, коли ген транскрибується. Регуляторні послідовності пов'язані щільно і конкретно транскрипційними регуляторами, білками, які можуть розпізнавати послідовності ДНК і зв'язуватися з ними. Зв'язування таких білків з ДНК може регулювати транскрипцію, запобігаючи або збільшуючи транскрипцію від конкретного промотора.
Регуляція у прокаріотів
Розглянемо спочатку приклад з прокаріотів. У бактерій гени часто згруповані в групи, так що гени, які потрібно експресувати одночасно, знаходяться поруч один з одним, і всі вони контролюються як єдина одиниця одним і тим же промотором. Лак-оперон, показаний на малюнку 5.4.2, є однією з таких груп генів, які кодують білки, необхідні для поглинання і розщеплення цукрової лактози. Три гени лак-оперона, lac z, lac y і lac a контролюються одним промотором.
Бактеріальні клітини, як правило, вважають за краще використовувати глюкозу для своїх енергетичних потреб, але якщо глюкоза недоступна, а лактоза присутня, бактерії будуть приймати лактозу і розщеплювати її для отримання енергії. Оскільки білки для засвоєння і розщеплення лактози потрібні лише тоді, коли глюкоза відсутня і є лактоза, бактеріальним клітинам потрібен спосіб експресії генів лак-оперона тільки в цих умовах. У моменти, коли лактоза відсутня, клітинам не потрібно експресувати ці гени.
Як цього досягають бактерії? Транскрипція лакового скупчення генів в першу чергу контролюється білом-репресором, який зв'язується з областю ДНК безпосередньо нижче за послідовністю -10 лак-промотора. Нагадаємо, що промотор - це місце, де РНК-полімераза повинна зв'язуватися, щоб почати транскрипцію. Місце, де прив'язаний репресор, називається оператором (позначений O на малюнку). Коли репресор пов'язаний у цьому положенні, він фізично блокує РНК-полімеразу від транскрибування генів, так само, як транспортний засіб, що блокує вашу під'їзну дорогу, заважає вам витягнути.
Очевидно, що якщо ви хочете піти, транспортний засіб, який блокує ваш шлях, повинен бути видалений. Так само для того, щоб відбулася транскрипція, репресор повинен бути видалений з оператора, щоб очистити шлях для РНК-полімерази. Як знімається репресор?
Коли цукрова лактоза присутня, вона зв'язується з репресором, змінюючи свою конформацію, щоб вона більше не зв'язувалася з оператором. Коли репресор більше не пов'язаний у оператора, «блокпост» перед РНК-полімеразою видаляється, що дозволяє транскрипцію генів лак-оперона.
Оскільки зв'язування лактози індукує експресію генів в лак-опероні, лактозу називають індуктором. (Технічно індуктор - це алолактоза, молекула, виготовлена з лактози клітиною, але принцип той же.)
Що робить це особливо ефективною системою контролю є те, що гени лак-оперона кодують білки, які розщеплюють лактозу. Включення цих генів вимагає присутності лактози. Після того, як лактоза розщеплюється, репресор зв'язується з оператором ще раз, і лакові гени більше не виражаються. Це дозволяє генам виражатися тільки тоді, коли вони потрібні.
Але як рівень глюкози впливає на експресію генів лаку? Раніше ми відзначали, що якби глюкоза була присутня, лактоза не використовувалася б. Другий рівень контролю здійснюється білком під назвою CAP, який зв'язується з ділянкою, прилеглою до промотора, і набирає РНК-полімеразу для зв'язування промотора лаку. Коли глюкоза виснажується, спостерігається підвищення рівня цАМФ, який зв'язується з CAP. Потім комплекс CAP цАМФ зв'язує майданчик CAP, як показано на малюнку 5.4.3. Поєднання зв'язування CAP та лак-репресора, що дисоціює від оператора, коли рівень лактози високий, забезпечує високий рівень транскрипції лак-оперону саме тоді, коли це найбільше потрібно. Зв'язування білка CAP можна розглядати як зелене світло для РНК-полімерази, тоді як видалення репресора схоже на підняття барикади перед ним. Коли обидві умови виконуються, РНК-полімераза транскрибує гени, що знаходяться нижче за течією.
Тільки що описаний нами лактозний оперон - це сукупність генів, які виражаються тільки в конкретних умовах виснаження глюкози і доступності лактози. Інші гени можуть бути виражені, якщо не буде дотримано певну умову. Прикладом цього є трп-оперон в бактеріальних клітині, який кодує ферменти, необхідні для синтезу амінокислоти триптофану. Ці гени експресуються в усі часи, за винятком випадків, коли триптофан доступний з оточення клітини. Це означає, що ці гени повинні бути не виражені в присутності триптофану. Це досягається за рахунок наявності білка репресора, який буде зв'язуватися з оператором тільки в присутності триптофану.
Регулювання в еукаріотів
Транскрипція у еукаріот також регулюється зв'язуванням білків з конкретними послідовностями ДНК, але з деякими відмінностями від простих схем, викладених вище. Для більшості еукаріотичних генів загальні фактори транскрипції та РНК-полімераза (тобто комплекс базальної транскрипції) необхідні, але недостатньо, для високого рівня транскрипції.
У еукаріотів, додаткові регуляторні послідовності, звані підсилювачі і білки, які зв'язуються з підсилювачі необхідні для досягнення високого рівня транскрипції. Підсилювачі - це послідовності ДНК, які регулюють транскрипцію генів. На відміну від прокаріотичних регуляторних послідовностей, підсилювачі не повинні бути поруч з геном, який вони контролюють. Часто вони знаходяться на багатьох кілобазах від ДНК. Як випливає з назви, підсилювачі можуть посилювати (збільшувати) транскрипцію певного гена.
Як послідовність ДНК, далека від транскрибуваного гена, може впливати на рівень його транскрипції?
Підсилювачі працюють шляхом зв'язування білків (транскрипційних активаторів), які можуть, в свою чергу, взаємодіяти з білками, пов'язаними у промотора. Область підсилювача ДНК, з пов'язаним з нею транскрипційним активатором (ами) може контактувати з базальним комплексом транскрипції, який пов'язаний у віддаленій коробці TATA шляхом зациклювання ДНК (попередня сторінка). Це дозволяє білку, пов'язаному на підсилювачі, контактувати з білками в базальному транскрипційному комплексі.
Один із способів того, що транскрипційний активатор, пов'язаний з енхансером, збільшує транскрипцію від віддаленого промотора, полягає в тому, що він збільшує частоту та ефективність, з якими формується комплекс базальної транскрипції у промотора.
Інший механізм, за допомогою якого білки, пов'язані на підсилювачі, можуть впливати на транскрипцію, - це набір до промотора інших білків, які можуть змінювати структуру хроматину в цьому регіоні. Як ми вже відзначали раніше, у еукаріотів ДНК упаковується з білками з утворенням хроматину. Коли ДНК щільно пов'язана з цими білками, важко отримати доступ для транскрипції. Тож білки, які можуть зробити ДНК більш доступною для транскрипційних машин, також можуть відігравати певну роль у тому, наскільки відбувається транскрипція.
Крім підсилювачів, існують і негативні регуляторні послідовності, звані глушниками. Такі регуляторні послідовності зв'язуються з білками-репресорами транскрипції. Транскрипційні активатори і репресори - це модульні білки- вони мають частину, яка зв'язує ДНК, і частина, яка активує або пригнічує транскрипцію, взаємодіючи з базальним комплексом транскрипції.