16.2: Регуляція прокаріотичного гена

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1880

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

Навички для розвитку

Опишіть етапи, що беруть участь у регуляції генів прокаріотів
Поясніть роль активаторів, індукторів та репресорів у регуляції генів

ДНК прокаріотів організована в кругову хромосому, перекручену в нуклеоїдної області цитоплазми клітини. Білки, необхідні для певної функції, або які беруть участь в одному і тому ж біохімічному шляху, кодуються разом в блоки, звані оперонами. Наприклад, всі гени, необхідні для використання лактози як джерела енергії, кодуються поруч один з одним в опероні лактози (або лаку).

У прокаріотичних клітині існує три типи регуляторних молекул, які можуть впливати на експресію оперонів: репресори, активатори та індуктори. Репресори - це білки, які пригнічують транскрипцію гена у відповідь на зовнішній подразник, тоді як активатори - це білки, які збільшують транскрипцію гена у відповідь на зовнішній подразник. Нарешті, індуктори - це невеликі молекули, які або активують, або пригнічують транскрипцію залежно від потреб клітини та наявності субстрату.

Трип-оперон: Репресор Оперон

Бактерії, такі як кишкова паличка, потребують амінокислот, щоб вижити. Триптофан - одна з таких амінокислот, яку кишкова паличка може потрапляти з навколишнього середовища. Кишкова паличка також може синтезувати триптофан за допомогою ферментів, які кодуються п'ятьма генами. Ці п'ять генів знаходяться поруч один з одним в тому, що називається триптофан (trp) оперон (рис.\(\PageIndex{1}\)). Якщо триптофан присутній в навколишньому середовищі, то кишкова паличка не потребує його синтезу і вимикач, що контролює активацію генів в trp опероні, відключається. Однак при низькій доступності триптофану включається перемикач, що контролює оперон, ініціюється транскрипція, гени експресуються, синтезується триптофан.

Оперон trp має промотор, оператор та п'ять генів під назвою TrPe, TrPD, TrPc, TrPB та TrPa, які розташовані в послідовному порядку на ДНК. РНК-полімераза зв'язується з промотором. Коли триптофан присутній, репресор trp зв'язує оператор і запобігає руху РНК-полімерази повз оператора; отже, синтез РНК блокується. При відсутності триптофану репресор дисоціює від оператора. РНК-полімераза тепер може ковзати повз оператора, і починається транскрипція. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): П'ять генів, які необхідні для синтезу триптофану в *кишковій паличці*, розташовані поруч один з одним в *trp* operon. Коли триптофану багато, дві молекули триптофану зв'язують білок репресора в операторній послідовності. Це фізично блокує РНК-полімеразу від транскрибування генів триптофану. Коли триптофан відсутній, білок репресора не зв'язується з оператором і гени транскрибуються.

Послідовність ДНК, яка кодує білки, називається областю кодування. П'ять кодуючих областей ферментів біосинтезу триптофану розташовані послідовно на хромосомі в опероні. Безпосередньо перед областю кодування є транскрипційний стартовий сайт. Це область ДНК, з якою РНК-полімераза зв'язується, щоб ініціювати транскрипцію. Послідовність промотора знаходиться вище за течією початку транскрипції; кожен оперон має послідовність всередині або поблизу промотора, до якої білки (активатори або репресори) можуть зв'язуватися і регулювати транскрипцію.

Послідовність ДНК, яка називається послідовністю операторів, кодується між областю промотора і першим геном кодування trp. Цей оператор містить код ДНК, до якого може зв'язуватися білок репресора. Коли триптофан присутній в клітині, дві молекули триптофану зв'язуються з репресором trp, який змінює форму для зв'язування з оператором trp. Зв'язування комплексу триптофан—репресор у оператора фізично запобігає зв'язуванню РНК-полімерази та транскрибування генів, що знаходяться нижче за течією.

Коли триптофану немає в клітині, репресор сам по собі не зв'язується з оператором, отже, оперон активний і синтезується триптофан. Оскільки білок репресора активно зв'язується з оператором, щоб утримувати гени вимкненими, trp оперон негативно регулюється, а білки, які зв'язуються з оператором, щоб замовкнути експресію trp, є негативними регуляторами.

Посилання на навчання

Перегляньте це відео, щоб дізнатися більше про trp operon.

катаболіт Активатор білка (CAP): Активатор регулятор

Подібно до того, як trp оперон негативно регулюється молекулами триптофану, існують білки, які зв'язуються з операторними послідовностями, які діють як позитивний регулятор для включення генів та їх активації. Наприклад, коли глюкози мало, бактерії кишкової палички можуть звернутися до інших джерел цукру за паливом. Для цього необхідно транскрибувати нові гени для обробки цих альтернативних генів. Коли рівень глюкози падає, в клітці починає накопичуватися циклічний АМФ (цАМФ). Молекула цАМФ - сигнальна молекула, яка бере участь у глюкозі та енергетичному обміні в кишковій паличці. При зниженні рівня глюкози в клітині накопичується цАМФ зв'язується з позитивним регулятором катаболіт-активатор білка (CAP), білка, який зв'язується з промоторами оперонів, які контролюють переробку альтернативних цукрів. Коли цАМФ зв'язується з CAP, комплекс зв'язується з промоторної областю генів, які необхідні для використання альтернативних джерел цукру (рис.\(\PageIndex{2}\)). У цих опероне місце зв'язування CAP знаходиться вище за течією місця зв'язування РНК полімерази в промоторі. Це підвищує зв'язуючу здатність РНК-полімерази з промоторною областю і транскрипцію генів.

Лак-оперон складається з промотора, оператора та трьох генів, названих LaCZ, LaCy та LaCa, які розташовані в послідовному порядку на ДНК. При відсутності цАМФ білок CAP не зв'язує ДНК. РНК-полімераза зв'язує промотор, і транскрипція відбувається з повільною швидкістю. У присутності цАМФ комплекс CAP—CAMP зв'язується з промотором і підвищує активність РНК-полімерази. В результаті збільшується швидкість синтезу РНК. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Коли рівень глюкози падає, *кишкова паличка* може використовувати інші цукру для палива, але для цього повинна транскрибувати нові гени. Оскільки поставки глюкози стають обмеженими, рівень цАМФ збільшується. Цей цАМФ зв'язується з білком CAP, позитивним регулятором, який зв'язується з операторською областю вище за течією генів, необхідних для використання інших джерел цукру.

Лак Оперон: Індуктор Оперон

Третій тип регуляції генів у прокаріотичних клітині відбувається через індукувані оперони, які мають білки, які зв'язуються для активації або пригнічення транскрипції залежно від місцевого середовища та потреб клітини. Лак-оперон - типовий індукований оперон. Як згадувалося раніше, кишкова паличка здатна використовувати інші цукру як джерела енергії, коли концентрація глюкози низька. Для цього білковий комплекс Camp—Cap служить позитивним регулятором для індукування транскрипції. Одним з таких джерел цукру є лактоза. Лак-оперон кодує гени, необхідні для придбання та переробки лактози з місцевого середовища. CAP зв'язується з операторною послідовністю вище за течією промотора, яка ініціює транскрипцію лак-оперона. Однак для активації лак-оперону необхідно виконати дві умови. По-перше, рівень глюкози повинен бути дуже низьким або відсутнім. По-друге, повинна бути присутня лактоза. Тільки тоді, коли глюкоза відсутня і присутня лактоза, лактоза буде транскрибуватися лак-оперон (рис.\(\PageIndex{3}\)). Це має сенс для клітини, оскільки було б енергетично марнотратно створювати білки для переробки лактози, якщо глюкози було багато або лактози не було.

Мистецтво З'єднання

Лак-оперон складається з промотора, оператора та трьох генів, названих LaCZ, LaCy та LaCa. РНК-полімераза зв'язується з промотором. При відсутності лактози лактоза лак-репресор зв'язується з оператором і перешкоджає транскрипції РНК-полімерази оперону. При наявності лактози репресор звільняється від оператора, і транскрипція протікає з повільною швидкістю. Зв'язування комплексу CAMP—CAP з промотором стимулює активність РНК-полімерази та підвищує синтез РНК. Однак навіть за наявності комплексу CAMP—CAP синтез РНК блокується, якщо репресор зв'язується з промотором. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Транскрипція *лак-оперону* ретельно регулюється так, що його вираження відбувається лише тоді, коли глюкоза обмежена, а лактоза присутня, щоб служити альтернативним джерелом палива.

У кишковій паличці trp оперон увімкнено за замовчуванням, тоді як лак-оперон вимкнено. Як ви думаєте, чому це так?

Якщо глюкоза відсутня, то CAP може зв'язуватися з операторною послідовністю для активації транскрипції. Якщо лактоза відсутня, то репресор зв'язується з оператором для запобігання транскрипції. Якщо будь-яка з цих вимог виконується, то транскрипція залишається вимкненим. Тільки при виконанні обох умов лак-оперон транскрибується (табл.\(\PageIndex{1}\)).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Сигнали, які індукують або пригнічують транскрипцію лак-оперона
Глюкоза	CAP зв'язує	Лактоза	репресор зв'язує	Транскрипція
+	-	-	+	Ні
+	-	+	-	Деякі
-	+	-	+	Ні
-	+	+	-	Так

Посилання на навчання

Дивіться анімований підручник про роботу Lac operon тут.

Резюме

Регуляція експресії генів в клітині прокаріот відбувається на транскрипційному рівні. Існує три способи контролю транскрипції оперона: репресивний контроль, активаторний контроль та індукований контроль. Репресивний контроль, типізований trp опероном, використовує білки, пов'язані з операторною послідовністю, для фізичного запобігання зв'язуванню РНК-полімерази та активації транскрипції. Тому, якщо триптофан не потрібен, репресор прив'язується до оператора і транскрипція залишається вимкненим. Управління активатором, типізоване дією САП, підвищує зв'язуючу здатність РНК-полімерази з промотором при зв'язці CAP. При цьому низький рівень глюкози призводить до зв'язування цАМФ з САП. Потім CAP зв'язує промотор, що дозволяє РНК-полімеразі краще зв'язуватися з промотором. В останньому прикладі - лак-оперон - для початку транскрипції повинні бути виконані дві умови. Глюкоза не повинна бути присутнім, а лактоза повинна бути доступна для транскрибування лак-оперону. Якщо глюкоза відсутня, CAP зв'язується з оператором. Якщо лактоза присутня, протеїн-репресор не зв'язується зі своїм оператором. Тільки коли обидві умови будуть виконані, РНК-полімераза зв'язується з промотором, щоб викликати транскрипцію.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{3}\): У E. coli trp operon увімкнено за замовчуванням, тоді як лак-оперон вимкнено. Чому ви вважаєте, що це так?

Відповідь: Триптофан - амінокислота, необхідна для виготовлення білків, тому клітині завжди потрібно мати їх під рукою. Однак якщо присутня велика кількість триптофану, марнотратно робити більше, а експресія рецептора trp пригнічується. Лактоза, цукор, який міститься в молоці, не завжди є в наявності. Немає сенсу робити ферменти, необхідні для перетравлення джерела енергії, якого немає в наявності, тому лак-оперон включається тільки при наявності лактози.

Глосарій

активатор: білок, який зв'язується з прокаріотичними операторами для збільшення транскрипції

катаболіт протеїн-активатор (CAP): білок, який комплексує з цАМФ для зв'язування з промотором послідовностей оперонів, які контролюють переробку цукру, коли глюкоза недоступна

індукований оперон: оперон, який може бути активований або пригнічений в залежності від клітинних потреб і навколишнього середовища

лак оперон: оперон в клітині прокаріотів, який кодує гени, необхідні для переробки та надходження лактози

негативний регулятор: білок, що перешкоджає транскрипції

оператор: область ДНК за межами області промотора, яка зв'язує активатори або репресори, які контролюють експресію генів в прокаріотичних клітині

оперон: колекція генів, що беруть участь у шляху, які транскрибуються разом як єдина мРНК у прокаріотичних клітині

позитивний регулятор: білок, що збільшує транскрипцію

репресор: білок, який зв'язується з оператором прокаріотичних генів для запобігання транскрипції

сайт початку транскрипції: сайт, на якому починається транскрипція

трп оперон: ряд генів, необхідних для синтезу триптофану в клітині прокаріотів

триптофан: амінокислота, яка при необхідності може синтезуватися прокаріотичними клітинами