Транскрипция у прлокариот

ЛЕКЦІЯ

Регуляції транскрипції У ПРО-і еукаріотів

Експресія генів як у прокаріотів, так і у еукаріт регулюється за допомогою цілого ряду механізмів. Деякі з механізмів такого роду, що діють в бактеріальних системах, вивчені досить добре, але про те, як діють регуляторні механізми в клітинах еукаріотів відомо небагато.

Здійснюючи контроль за тим, яким генам експресуватися, а яким ні, а також регулюючи рівень експресії різних генів, клітини пристосовують свій фенотип до певних умов зовнішнього і внутрішнього середовища. Часто гени експресуються послідовно: активація одного гена викликає експресію іншого або кількох генів, приводячи, в кінцевому рахунку, до каскаду подій. Деякі гени або родинні групи генів експресуються координовано, тобто відповідають на регуляторний сигнал одночасно і, як правило, однаковою мірою. Ймовірно, найбільш досконалі регуляторні системи - ті, які дозволяють плюрипотентні стволові клітини (мітотично активні клітини, в результаті поділу яких відбувається заміщення загиблих клітин в багатоклітинному організмі) диференціюватися з утворенням клітин різного типу в процесі розвитку складного організму.

Фенотипічні ознаки клітин різних типів, а також однієї і тієї ж клітини в різних умовах залежать від кількості і властивостей продукованих ними структурних, каталітичних та регуляторних білків. Регулюватися може якийсь один чи кілька окремих етапів зчитування генетичної інформації при синтезі білка.

Прокаріоти

Прокаріоти - це найпростіші одноклітинні організми, яким для того, щоб вижити, потрібно лише сприятлива хімічна середовище.

Деякі необхідні поняття.

Репрессор - це білок, який блокує транскрипцію гена. У lac-системі репрессор представляє собою тетрамерний білок, і називається lac-репрессором. Він зв'язується з певною ділянкою на ДНК, який називається оператором.

Оператор (О) являє собою невелику ділянку ДНК, що межує з першим структурним геном. Білок-репрессор може зв'язуватися з цією ділянкою, блокуючи тим самим ініціацію транскрипції. Операторна послідовність, з якою зв'язується репрессор, містить ділянку паліндромний ДНК. Послідовність із вісь симетрії другого порядку (прозрачка 1), є частиною місця зв'язування з репрессором в lac-опрероне.

Промотор (Р) - це невелика ділянка ДНК перед оператором. Він служить місцем зв'язування РНК-полімерази. Місце зв'язування репрессора (О) і ділянка Р злегка перекриваються, так що, коли репрессор знаходиться на ДНК, РНК-полімераза не може зв'язатися з промотором і транскрипція не йде.

Індуктор представляє собою низькомолекулярне речовина, що пов'язується з репрессором і переводить його в неактивну форму, нездатну більше зв'язуватися з оператором. Так, в lac-системі індуктором є лактоза, після асоціації з якою, репрессор від'єднується від lac-оператора. Індукція є однією з форм негативної регуляції, називається так тому, що транскрипція може йти лише після видалення репрессора. Ще одним різновидом негативної регуляції є так звана катаболітная репресія.

Репресія відбувається тоді, коли репрессор зв'язується з оператором не інакше як у комплексі з низькомолекулярним кофактором (корепрессором). Таким корепрессором часто буває кінцевий продукт білкового синтезу, що кодується опероном. Тоді, якщо концентрація цього продукту стає занадто високою, він зв'язується з репрессором, і подальший його синтез припиняється. Прикладом такої системи може служити триптофанового оперон.

Регулювання вмісту РНК в процесі біосинтезу

Регуляція утворення РНК здійснюється на рівні ініціації транскрипції:

1) за рахунок модифікації структури РНК-полімерази. Так, β-субодиниця РНК-полімерази E.coli змінюється при зараженні клітин деякими бактеріофагами, а при споруляції певних штамів Bacillus спостерігається утворення нової σ-субодиниці. В обох випадках змінюється здатність РНК-полімерази до зв'язування з промотором і швидкість транскрипції відповідних генів.

2) Полягає в зміні просторової структури ДНК, що впливає на здатність РНК-полімерази зв'язуватися з певними промоторами та ініціювати синтез РНК.

3) Інгібування або стимулювання взаємодії РНК-полімерази з деякими промоторами за участю білків, які зв'язуються з ДНК в місці приєднання полімерази або поблизу нього. На зв'язування таких регуляторних білків - репрессором і активаторів - часто впливають певні метаболіти, які відіграють роль корепрессоров і коактіваторов.

Припущення про індукції синтезу ферментів було висловлено Жакобом і Мано в 1961 р., для того, щоб пояснити, яким чином бактеріальні клітини реагують на зміни навколишнього їхнього середовища. Якщо для забезпечення життєдіяльності клітини необхідний якийсь метаболіт, вона повинна бути здатна до синтезу ферментів, які «прибудують» його в потрібне місце. Однак синтезувати такі ферменти у відсутності відповідного метаболіту було б для клітини марнотратством.

Узгоджена регуляція експресії генів прокаріотів

Узгоджена регуляція груп споріднених генів. У Е. coli гени, що кодують білки одного і того ж метаболічного шляху чи що визначають близькоспоріднені функції, часто регулюються узгоджено. Це означає, що їх експресія починається і закінчується або узгоджено триває у відповідь на один і той же регуляторний сигнал. Гени, що підкоряються узгодженої регуляції, в геномі часто бувають зчеплені і транскрибуються з промотора, що знаходиться на 5'-кінці такої групи генів (кластеру), у вигляді єдиної молекули РНК, званої Поліцистронна (або полігенним) транскриптом. Група координовано експресують генів називається опероном.

Гени, що кодують кілька споріднених функцій, не завжди утворюють єдиний оперон. Так, гени, що кодують 30S-і 50S-рибосомні білки, організовані у безліч оперoни, у чий сполуку іноді входять гени, що кодують інші білки, які беруть участь в транскрипції і / або трансляції. Як правило, окремі оперон, що кодують родинні функції, мають однакові або подібні регуляторні послідовності і тому реагують на певний регуляторний сигнал подібним чином.

Позитивна і негативна регуляція

- Негативна регуляція ініціації транскрипції, або репресія, здійснюється білками-репрессором, які зв'язуються з операторами. Оскільки послідовності оператора і промотора часто перекриваються, зв'язування репрессором зі своїми операторами обмежує доступ РНК-полімерази до промотора, пригнічуючи тим самим ініціацію транскрипції.

- Позитивна регуляція може здійснюватися шляхом зв'язування специфічних білків з нуклеотидними послідовностями, розташованими в області промотора. Вважається, що пов'язаний активаторний білок сприяє асоціації РНК-полімерази з промотором і, отже, збільшує ймовірність ініціації транскрипції.

а) Регуляція експресії галактозним оперона

Три гена, що кодують ферменти, відповідальні за метаболізм галактози у E.coli, організовані в оперон з промотором (Р) і прилеглим до нього регуляторним сегментом-оператором (О) на 5'-кінці транскрипційного послідовності: galE-galT-galK. (Прозрачка 4).

Гени, що кодують регуляторні білки, які зв'язуються з операторними або активаторний послідовностями, можуть перебувати як поблизу контрольованих ними генів, так і далеко від них. Наприклад, ген, що кодує репрессор галактозним оперону (gaIR), не зчеплений з транскрипционной одиницею, що складається з генів galE, gal Т і gal К (прозрачка 4).

б) Регулювання експресії арабінозного оперона

Синтез ферментів, необхідних для утилізації арабінози, регулюється двома сполученими транскрипційними одиницями (прозрачка 4а). Перша - це ara-оперон, що складається з трьох генів, ara В, ara А і ara D, і якогось 5'-контролюючого ділянки. Друга представлена ​​геном ara С, що кодує регуляторний білок, необхідний для транскрипції ara-оперону.

Позитивна чи негативна регуляція транскрипції арабінозного оперона залежить від того, утворюється чи ні комплекс між арабінози і білком, кодуються лише зчепленим з опероном геном araC (прозрачка 4а) J