Регуляция активности генов на примере лактозного оперона (модель Жакоба и Моно)

В настоящее время известно о существовании различных систем регуляции активности (экспрессии) генов, которые функционируют на том или ином этапе реализации генетической информации. Первая модель генетического контроля биосинтеза белков, положившая начало современной теории генетической регуляции, была предложена французскими учеными Ф.Жакобом и Ж. Моно (F.Jacob, J.Monod, 1961) на основе экспериментов, проведенных с клетками бактерий. Эти авторы ввели понятие об опероне как единице координированной экспрессии генов (единице генетической регуляции).

Концепция оперона была разработана Ф.Жакобом и Ж.Моно на примере регуляции синтеза ферментов, необходимых для использования углевода лактозы клетками кишечной палочки (Esche-richia coli). Как известно, лактоза представляет собой дисахарид, молекула которого является соединением, состоящим из глюкозы и галактозы. Согласно предложенной модели, в рамках оперона происходит регуляция активности структурных генов на этапе транскрипции генетической информации.

Как видно из рис. 1.22, в составе лактозного оперона E.coli находятся структурные гены, обозначенные символами z, у, а, которые кодируют синтез трех различных белков-ферментов, участвующих в утилизации лактозы. Так, фермент β-галактозидаза

Рис. 1.22. Лактозный оперон Е. coli: П промотор; Р ген-регулятор; Т терминатор; А участок прикрепления белка-активатора; О оператор; i,y, a структурные гены

расщепляет молекулу лактозы с образованием молекул двух моносахаридов (глюкозы и галактозы), галактозидпермеаза обеспечивает активный транспорт лактозы в бактериальную клетку из окружающей среды, тогда как роль третьего фермента (трансацетилазы, или Л-белка) точно не установлена.

Помимо указанных генов в структуре оперона выделяются акцепторные участки (специфические нуклеотидные последовательности ДНК), которые необходимы для прикрепления белка-активатора (участок активатора), РНК-полимеразы (промотор) и белка-регулятора, названного репрессором, (оператор), а также терминатор, обеспечивающий прекращение синтеза полигенной мРНК (см. рис. 1.22). Следует, однако, заметить, что в рамках современной теории генетической регуляции участок активатора и оператор принято рассматривать в качестве составных частей промоторной области, структурно-функциональные особенности которой обсуждались выше (см. подразд. 1.5).

Функционирование лактозного оперона E.coli основано на принципе, который Ф.Жакоб и Ж. Моно назвали негативной индукцией, поскольку в этом случае регулирующий белок (репрессор) проявляет отрицательный эффект, блокируя транскрипцию структурных генов z, У, а, тогда как сама лактоза выступает в качестве индуктора этого процесса, что сопровождается синтезом соответствующих ферментов (рис. 1.23).

При отсутствии лактозы в бактериальной клетке синтезируется активный белок-репрессор под контролем гена-регулятора, который принципиально не отличается от обычного структурного гена, обладая собственным промотором и терминатором. Активный реп-рессор, представляющий собой сложный аллостерический тетра-мерный белок, соединяется с нуклеотидной последовательностью оператора, блокируя инициацию транскрипции в стартовой точке гена, которую должна осуществлять РНК-полимераза,

Рис. 1.23. Репрессия (а) и индукция (б) в лактозном опероне Е. coli

предварительно связавшаяся с узнаваемой ею нуклеотидной последовательностью промоторной области (см. также подразд. 1.5). Принципиальный смысл механизма репрессии этого оперона схематично изображен в верхней части рис. 1.23.

Появление лактозы в среде обитания бактерий может сопровождаться проникновением небольших ее количеств в бактериальную клетку. При этом лактоза начинает выступать в роли эффектора, присоединяясь к определенному участку молекулы бел-ка-репрессора, что приводит к изменению конфигурации этой молекулы и ее инактивации (аллостерический эффект). Поскольку неактивный репрессор теряет способность соединяться с оператором, то становятся возможными инициация транскрипции и последующий непрерывный синтез полигенной молекулы мРНК, прекращающийся в области терминатора, а также синтез трех указанных ферментов на этапе трансляции генетической информации (см. нижнюю часть рис. 1.23). Эти ферменты, в свою очередь, обеспечивают быстрое проникновение лактозы в клетку из окружающей среды и ее дальнейшее расщепление на глюкозу и галактозу. Процесс транскрипции вновь будет заблокирован непрерывно синтезируемым репрессором после расщепления всей лактозы, имеющейся в клетке, при ее отсутствии в окружающей среде.

Как видно из рассмотренного выше, работа лактозного оперона (как и других изученных бактериальных оперонов) осуществляется по принципу саморегуляции на основе обратной связи, согласно которому время синтеза и количество синтезируемого белка-фермента определяются его необходимостью для обеспечения того или иного метаболического процесса, связанного с жизнедеятельностью клетки.

Следует отметить, что в процессе дальнейшего изучения лактозного оперона и других оперонов бактерий были получены сведения о том, что помимо негативного (репрессорного) механизма регуляции транскрипции в этих оперонах действует также позитивный механизм, связанный с функциями различных белков, являющихся активаторами транскрипции. Так, в случае лактозного оперона

установлено существование такого белка, который, в свою очередь, активируется путем предварительного связывания с циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Указанный бел о к-активатор соединяется со специфическим участком в начале промоторной области (см. рис. 1.22), который содержит последовательность, узнаваемую РНК-полимеразой, и обеспечивает нормальное прикрепление и дальнейшее функционирование последней.

Было установлено также, что такой белок, активированный цАМФ, является фактором позитивной регуляции транскрипции не только лактозного оперона, но и нескольких других катаболизирующих оперонов Е. со//. Если в клетке имеется достаточное количество глюкозы либо другого легко усваиваемого моносахарида, то активируется работа соответствующего оперона, обеспечивающего утилизацию такого углевода. При этом значительно снижается концентрация цАМФ, что приводит к репрессии группы оперонов, включая лактозный, связанных с утилизацией дисахаридов. Если в клетке нет достаточного количества глюкозы и других моносахаридов, то концентрация синтезируемого цАМФ возрастает. В связи с этим при наличии лактозы становится возможной активация работы лактозного оперона с помощью белка-активатора, обеспечивающего нормальное функционирование РНК-полимеразы в этом опероне, т. е. бактерии начинают использовать менее выгодный, чем глюкоза, источник углерода. Имеются также экспериментальные данные, показывающие, что добавление цАМФ в питательную среду, в которой размножаются бактерии, снимает катаболитную репрессию лактозного и других подобных оперонов. Следовательно, у прокариот может иметь место согласованная регуляция функционирования разных оперонов на стадии инициации транскрипции.