9.1: Регуляція експресії генів у бактерій

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5649

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

«Оперон»

У своїй крихітній клітині бактерія E. coli містить всю генетичну інформацію, необхідну для метаболізму, росту та розмноження. Він може синтезувати кожну необхідну йому органічну молекулу з глюкози та ряду неорганічних іонів. Багато генів у кишкової палички виражені конститутивно; тобто вони завжди включаються «включеними». Інші ж активні тільки тоді, коли їх продукти потрібні клітині, тому їх вираження необхідно регулювати.

Два приклади:

Якщо до культури додати амінокислоту триптофан (Trp), бактерії незабаром припиняють виробляти п'ять ферментів, раніше необхідних для синтезу Trp з проміжних продуктів, що утворюються під час дихання глюкози. При цьому наявність продуктів ферментної дії пригнічує синтез ферментів.
І навпаки, додавання нового субстрату до середовища культури може викликати утворення нових ферментів, здатних метаболізувати цей субстрат. Якщо взяти культуру кишкової палички, яка харчується глюкозою, і переносити деякі клітини в середовище, що містить лактозу, натомість відбувається виявлена послідовність подій.
- Спочатку клітини спокійні: вони не метаболізують лактозу, інша їх метаболічна активність знижується, а поділ клітин припиняється.
- Однак незабаром культура знову починає швидко рости, коли лактоза швидко споживається. Що сталося? Під час інтервалу спокою клітини почали виробляти три ферменти.

Три ферменти

пермеаз, який транспортує лактозу через плазматичну мембрану з культурального середовища у внутрішню частину клітини
бета-галактозидаза, яка перетворює лактозу в проміжну алолактозу, а потім гідролізує її в глюкозу та галактозу. Потрапивши в присутність лактози, кількість бета-галактозидази в клітині підвищується з крихітної кількості майже до 2% від ваги клітини.
трансацетилаза, функція якої все ще невизначена.

Лак оперон

Здатність реагувати на присутність лактози була завжди. Гени трьох індукованих ферментів є частиною генома клітини. Але поки в живильне середовище не була додана лактоза, ці гени не були експресовані (β-галактозидаза виражалася слабо — достатньо, щоб перетворити лактозу в алолактозу). Найбільш прямим способом контролю експресії гена є регулювання його швидкості транскрипції; тобто швидкість, з якою РНК-полімераза транскрибує ген в молекули месенджерної РНК (мРНК).

альт — Малюнок 9.1.1 Недостатня передача ДНК

Транскрипція генів починається з конкретного нуклеотиду, показаного на малюнку як "+1». РНК-полімераза фактично зв'язується з ділянкою «вгору» (тобто на стороні 5') цієї ділянки і відкриває подвійну спіраль, так що транскрипція однієї нитки може початися. Місце зв'язування РНК-полімерази називається промотором. У бактерій важливі дві особливості промотора:

послідовність TATAAT (або щось подібне) з центром 10 нуклеотидів вище за течією +1 сайт і
інша послідовність (TTGACA або щось досить близьке до неї) зосереджено 35 нуклеотидів вище за течією.

Точна послідовність ДНК між двома областями, здається, не є важливою. Кожен з трьох ферментів, синтезованих у відповідь на лактозу, кодується окремим геном. Три гени розташовані в тандемі на бактеріальній хромосомі.

При відсутності лактози білок репресор, закодований геном I, зв'язується з лак-оператором і перешкоджає транскрипції. Зв'язування алолактози з репресором змушує його покинути оператора. Це дозволяє РНК-полімеразі транскрибувати три гени оперону. Одинарна молекула мРНК, яка призводить, потім перетворюється на три білки.

Лак-репресор зв'язується з певною послідовністю з двох десятків нуклеотидів, званих оператором. Велика частина оператора знаходиться нижче за течією промоутера. Коли репресор пов'язаний з оператором, РНК-полімераза не може йти вниз за течією зі своїм завданням транскрипції генів. Лак-репресор являє собою лише крихітну частку білків в клітині кишкової палички.

Оперон - це комбінація оператора і трьох генів, що кодують білок, пов'язаних з ним.

Ген, що кодує лак-репресор, називається геном I. Це трапляється, щоб бути розташований просто вище за течією лаку промоутера. Однак його точне розташування, мабуть, не важливо, оскільки він досягає свого ефекту за допомогою свого білкового продукту, який вільно розсіюється по всій клітині. І, насправді, гени для деяких репресорів розташовані не близько до операторів, якими вони керують.

Хоча репресори можуть вільно дифузувати через клітину, як, наприклад, лак-репресор знаходить єдиний розтяг 24 пар основ оператора з 4,6 мільйона пар основ ДНК в геномі E. coli? Виявляється, репресор може вільно зв'язуватися в будь-якому місці ДНК, використовуючи обидва

водневі зв'язки і
іонні (електростатичні) взаємодії між його позитивно зарядженими амінокислотами (Lys, Arg) і негативними зарядами на дезоксирибозо-фосфатній кістці ДНК.

Після того, як верхи на ДНК, репресор може рухатися по ній, поки не зустрінеться з послідовністю операторів. Тепер аллостерична зміна третинної структури білка дозволяє тим самим амінокислотам встановлювати зв'язки - переважно водневі зв'язки та гідрофобні взаємодії - з певними основами в операторній послідовності.

Лак-репресор складається з чотирьох однакових поліпептидів (таким чином, «гомотетрамер»). Частина молекули має ділянку (або сайти), які дозволяють їй розпізнавати і зв'язуватися з 24 парами основи лак-оператора. Інша частина репресора містить ділянки, які зв'язуються з алолактозою. Коли алолактоза об'єднується з репресором, вона викликає зміну форми молекули, завдяки чому вона більше не може залишатися прикріпленою до послідовності ДНК оператора. Таким чином, коли лактоза додається в культуральне середовище, це викликає вивільнення репресора від оператора, і РНК-полімераза тепер може почати транскрипцію 3 генів оперону в єдину молекулу месенджерної РНК.

Навряд чи починається транскрипція, перш ніж рибосоми приєднуються до зростаючої молекули мРНК і рухаються вниз по ній, щоб перевести повідомлення в три білки. Ви можете зрозуміти, чому розділові кодони - UAA, UAG або UGA - потрібні для припинення перекладу між частинами кодування мРНК для кожного з трьох ферментів. Цей механізм характерний для бактерій, але відрізняється в декількох аспектах від того, що зустрічається у еукаріот:

Гени у еукаріотів не пов'язані між собою в оперони (за винятком таких нематод, як C. elegans і туніки, як Ciona intestinalis).
Первинні стенограми у еукаріот містять розшифровку тільки одного гена (за вищенаведеними винятками).
Транскрипція та переклад фізично не пов'язані в еукаріот, оскільки вони є у бактерій; транскрипція відбувається в ядрі, тоді як трансляція відбувається в цитозолі (за кількома винятками).

Елеганс C.

C. elegans відрізняється від більшості еукаріотів тим, що має значну частку (15— 20%) своїх генів, згрупованих в оперони, що містять від 2 до 8 генів кожен. Як і бактерії, всі гени в опероні транскрибуються з одного промотора, що виробляє одну первинну стенограму (попередньо МРНК). Деякі гени цих оперонів, як і бактерії, беруть участь у тій самій біохімічній функції, але це може бути не так для більшості. C. elegans operons також відрізняються від бактерій тим, що кожна пре-мРНК переробляється в окрему мРНК для кожного гена, а не перекладається як одиниця.

Корепресори

Як вже говорилося вище, для синтезу триптофану з наявних в клітині попередників потрібно 5 ферментів. Гени, що кодують їх, згруповані разом в один оперон з власним промотором і оператором. У цьому випадку, однак, наявність триптофану в клітині вимикає оперон. Коли Trp присутній, він зв'язується з сайтом на репресорі Trp і дозволяє репресору Trp зв'язуватися з оператором. Коли Trp немає, репресор залишає свого оператора, і починається транскрипція 5 генів, кодуючих фермент.

На наведеному вище зображенні показаний стереовид репресора триптофану (права сторона кожної панелі), пов'язаного з його операторною ДНК (ліва сторона). Репресор являє собою гомодимер з двох однакових поліпептидів (по обидва боки від горизонтальної червоної лінії). Зв'язування з ДНК відбувається тільки тоді, коли молекула триптофану (червоні кільця) зв'язується з кожним мономером репресора. Корисність для осередку цього механізму управління зрозуміла. Наявність в клітці есенціального метаболіту, в даному випадку триптофану, вимикає власне виробництво і тим самим зупиняє непотрібний синтез білка. Як випливає з назви, репресори - це негативні механізми контролю, що вимикають оперони

при відсутності субстрату (лактоза в нашому прикладі) або
наявність есенціального метаболіту (триптофан - наш приклад).

Однак деяка транскрипція генів у кишкової палички знаходиться під позитивним контролем.

Позитивний контроль транскрипції: CAP

Відсутність лак-репресора є суттєвою, але недостатньою для ефективної транскрипції лак-оперону. Активність РНК-полімерази також залежить від наявності іншого ДНК-зв'язуючого білка, званого білком катаболіт-активатора (CAP). Як і лак-репресор, CAP має два типи сайтів зв'язування: один зв'язує нуклеотидний циклічний AMP, а інший зв'язує послідовність з 16 пар основи вище за течією промотора

Однак CAP може зв'язуватися з ДНК лише тоді, коли цАМФ пов'язаний з CAP. тому, коли рівень цАМФ в клітині низький, CAP не вдається зв'язати ДНК і, таким чином, РНК-полімераза не може почати свою роботу, навіть за відсутності репресора. Таким чином, лак-оперон знаходиться як під негативним (репресор), так і позитивним (CAP) контролем. Чому?

Виявляється, справа не просто в поясі і підтяжках. Ця подвійна система дозволяє клітині робити вибір. Що, наприклад, повинна робити клітина при годуванні як глюкозою, так і лактозою? Представлена при такому виборі кишкова паличка (з причин, про які ми можемо тільки спекулювати) вибирає глюкозу. Він робить свій вибір, використовуючи взаємодію між цими двома пристроями управління.

Хоча присутність лактози видаляє репресор, присутність глюкози знижує рівень цАМФ в клітині і, таким чином, видаляє CAP. Без CAP зв'язування РНК-полімерази пригнічується, навіть якщо немає репресора, який би перешкоджав йому, якщо він міг би зв'язуватися. Молекулярна основа для його вибору показана на наведеному вище малюнку.

CAP складається з двох однакових поліпептидів (звідси це гомодимер). У напрямку до C-терміналу кожна має дві області альфа-спіралі з різким вигином між ними. Довший з них називається спіраллю розпізнавання, оскільки вона відповідає за розпізнавання та зв'язування з певною послідовністю основ ДНК.

На наведеному вище малюнку показана модель CAP. Два мономери ідентичні. Кожен мономер розпізнає послідовність нуклеотидів в ДНК за допомогою області альфа-спіралі з міткою F. Зверніть увагу, що дві спіралі розпізнавання розташовані на відстані 34Å один від одного, це відстань, яку займає молекула ДНК (зліва), щоб зробити точно один повний оборот.

Спіралі розпізнавання кожного поліпептиду САП, звичайно, ідентичні. Але їх орієнтація в димері така, що послідовність баз, які вони розпізнають, повинна працювати в протилежному напрямку для кожної спіралі розпізнавання, щоб зв'язатися належним чином. Таке розташування двох однакових послідовностей пар основ, що йдуть в протилежних напрямках, називається перевернутим повтором.
Стратегія, проілюстрована CAP і його сайтом прив'язки, виявилася широко використана. Оскільки було виявлено все більше і більше ДНК-регулюючих білків, багато хто, як видається, поділяють риси, які ми знаходимо в CAP:

Зазвичай вони містять дві субодиниці. Тому вони є димерами.
Вони розпізнають і зв'язуються з послідовностями ДНК з перевернутими повторами.
У бактерій розпізнавання та зв'язування з певною послідовністю ДНК здійснюється сегментом альфа-спіралі. Отже, ці білки часто описуються як білки спіралі спіралі. Репресор Trp, показаний вище, є членом цієї групи.

рибоперемикачі

Репресори білка і корепресори - не єдиний спосіб, яким бактерії контролюють транскрипцію генів. Виявляється, регуляція рівня певних метаболітів також може контролюватися рибопереключателями. Рибоперемикач - це ділянка 5'-неперекладеної області (5'-UTR) в молекулі месенджерної РНК (мРНК), яка має специфічний сайт зв'язування для метаболіту (або близького родича). Деякі з метаболітів, які зв'язуються з рибоперемикачами, включають:

пурини аденін і гуанін
амінокислоти гліцин і лізин
флавін мононуклеотид (протезна група NADH-дегідрогенази)
S-аденозилметіонін, який дарує метильні групи багатьом молекулам, включаючи ДНК та ковпачок на 5' кінці месенджерної РНК
ТРНК. Коли вони пов'язані зі своєю амінокислотою (аміноацил-тРНК), вони зв'язуються з рибоперемикачем в мРНК, який кодує фермент (аміноацил-тРНК синтетазу), відповідальний за завантаження амінокислоти на тРНК. Це призводить до передчасного припинення транскрипції мРНК. ТРНК без амінокислоти приєднуються також зв'язуються з рибоперемикачем, але таким чином, що транскрипція мРНК триває. Його переклад (у бактерій переклад починається, поки транскрипція все ще триває) виробляє аміноацил-тРНК синтетазу, яка використовується для завантаження амінокислоти на тРНК. Таким чином, ці рибоперемикачі регулюють рівень аміноацил-тРНК, що виробляють більше, коли це необхідно, менше, коли ні (свого роду інгібування зворотного зв'язку.)

У кожному випадку рибоперемикач регулює транскрипцію генів, що беруть участь у метаболізмі цієї молекули. Метаболіт зв'язується з зростаючою мРНК і індукує аллостеричні зміни, які для деяких генів спричиняють подальший синтез мРНК до утворення функціонального продукту, а для інших генів підсилює завершення синтезу мРНК. В обох випадках одним результатом є контроль рівня цього метаболіту.

Деякі рибоперемикачі контролюють трансляцію мРНК, а не її транскрипцію. Було висловлено припущення, що ці регуляторні механізми, які не включають жодного білка, є реліктовим із «світу РНК».