Лактозний оперон

Лактозний оперон (lac-оперон) E. coli став у свій час, завдяки дослідженням Жакоба і Моно (François Jacob, Jacques Monod), першою детально вивченою системою регуляції транскрипції. До складу оперона (рис. 5.14) входять три структурні гени, що кодують ферменти, залучені до утилізації (катаболізму) лактози. Транскрипція усіх трьох генів здійснюється з одного промотора (синтезується єдина, так звана поліцистронна, молекула мРНК, що має три послідовні відкриті рамки зчитування). Промотор оточують дві однакові операторні ділянки (lac-оператори), що мають спорідненість до lac-репресора, та сайт зв'язування CAP (Catabolite Activator Protein).

Рис. 5.14. Позитивна регуляція lac-оперона катаболітним активаторним білком САР.

Промотор lac-оперона є слабким – має досить низьку власну спорідненість до РНК-полімерази. Навіть якщо в середовищі є лактоза, але присутня також глюкоза (кращий харчовий субстрат для бактерій), транскрипція lac-оперона майже не здійснюється. Зниження рівня глюкози призводить до підвищення внутрішньоклітинної концентрації сАМР (циклічного аденозинмонофосфату), зв'язування якого з САР індукує конформаційну перебудову білка та появу його специфічної спорідненості до відповідного сайта на ДНК (див. структуру комплексу на рис. 3.13, б). Взаємодія САР з РНК-полімеразою підсилює її спорідненість до промотора – САР рекрутує полімеразу, яка далі розпочинає синтез мРНК (рис. 5.14).

Рис. 5.15. Негативна регуляція lac-оперона lac-репресором. На вставках: структура димера репресора у комплексі з оператором (а, 1JWL) та тетрамерний комплекс з двома операторами (б, 1LBG).

Описаний сценарій позитивної регуляції реалізується лише за тієї умови, що lac-оператори не взаємодіють з lac-репресором. У відсутності лактози (коли відповідні ферменти її утилізації напевно не потрібні) гомодимери репресора (незалежно від можливої присутності САР) зв'язуються з обома операторами (рис. 5.15, див. також рис. 3.22) і при цьому взаємодіють між собою: утворюється тетрамерний комплекс, що утримує петлю ДНК (рис. 5.15). Всередині петлі знаходиться промотор, і це абсолютно запобігає зв'язуванню з ним РНК-полімерази. Коли з'являється лактоза, її невелика кількість перетворюється на аллолактозу, яка спрацьовує як індуктор lac-оперона: зв'язування аллолактози з репресором індукує втрату його спорідненості до оператора. Внаслідок руйнування петлі РНК-полімераза зв'язується з промотором, і оперон починає працювати.

Антитермінація

Рис. 5.16. Два механізми антитермінації: фактор транскрипції запобігає впізнанню термінатора РНК-полімеразою.

У системах антитермінації (кілька генів бактеріофага λ, гени рибосомної РНК E. coli) активатори транскрипції запобігають впізнанню РНК-полімеразою сигналів термінації, що знаходяться всередині кодуючої частини гена. У відсутності факторів ген є неактивним: наявність термінуючого сигналу призводить до термінації транскрипції і визволенню нефункціонального РНК-продукту. Для певних генів описано два механізми активації. У першому випадку білок-активатор впізнає специфічний сайт перед сигналом термінації у складі мРНК. Зв'язуючись із транскриптом, білок взаємодіє також з РНК-полімеразою і впливає на неї таким чином, що термінатор стає непомітним для ферменту (рис. 5.16, а). У другому випадку транскрипційний фактор впізнає регуляторну ділянку поряд із промотором, взаємодіє з полімеразою і запобігає впізнанню термінатора, що розташований відразу за стартом транскрипції (рис. 5.16, б).