1.2. Другие способы регуляции синтеза белка у прокариот

1.2.1. Регуляция на этапе инициации транскрипции

1.2.1.1. “Cильные” и “слабые” промоторы

Скорость образования мРНК (а в результате – и количество кодируемого

ею белка) в первую очередь определяется частотой инициации транскрипции

данного гена. Эта частота может варьировать у разных генов, так как они

имеют промоторы разной «силы». Например, промотор lac-оперона является

«слабым», а промоторы оперонов, кодирующих белки, нужные клетке

постоянно и в больших количествах – к “сильным”. «Сильные» промоторы

будут часто инициировать транскрипцию, что приведет к образованию

многочисленных мРНК и далее – молекул белка. Сила промотора задается

последовательностью оснований в боксах Прибнова и боксе “-35”, расстоянием между ними и азотистыми основаниями в участке от “+1” до “+10” (о боксах промотора

1.2.1.2. Катаболическая репрессия

У прокариот имеются специальные механизмы изменения силы

промотора. Превращение “слабого” промотора в “сильный” лежит в основе

катаболической репрессии – позитивной регуляции работы lac-оперона с

помощью белка САР. Этот механизм можно считать зачатком системы

«тонкой» регуляции синтеза белка, характерной для эукариот.

В случае lac-оперона катаболическая репрессия позволяет бактерии

«ощутить», что глюкоза исчерпана, и только в этих условиях резко усилить

потребление лактозы. Эффективная индукция синтеза ферментов Z, Y и A (по

схеме Жакоба – Моно) возможна лишь в отсутствии глюкозы.

Промотор lac-оперона является «слабым», то есть присоединение к нему

РНК-полимеразы для инициации транскрипции очень затруднено. Если РНК-

полимераза редко и с трудом присоединяется к промотору, то она построит

очень мало мРНК. Это означает, что даже если лактоза освободит оператор от

lac-репрессора (по схеме Жакоба – Моно), то все равно без «посторонней

помощи» транскрипция lac-оперона будет идти на низком уровне и молекул

ферментов Z, Y и A будет синтезироваться недостаточно, чтобы начать

питаться лактозой. Так происходит в случае, когда в среде существования

бактерии имеется либо одна глюкоза, либо и глюкоза, и лактоза.

Катаболиты – это продукты распада, расщепления. Для случая

катаболической репрессии lac-оперона важны катаболиты – продукты

расщепления глюкозы. Эти катаболиты имеют свойство связывать цАМФ, тем

самым, снижая концентрацию свободного цАМФ в бактериальной клетке.

В отсутствии глюкозы бактерии становится жизненно важно сделать

синтез ферментов Z, Y и A более эффективным и быстрым. Это возможно,

превратив «слабый» lac-промотор в «сильный», то есть, изменив свойства

промотора таким образом, чтобы облегчить присоединение к нему РНК-

полимеразы.

Превращение «слабого» промотора lac-оперона в «сильный» происходит

при помощи особого белка САР (от англ. catabolite activator protein – белок-

активатор катаболитных оперонов; он же БРЦ – белок-рецептор цАМФ) и

самого цАМФ (рис. 5 и 6).

1.2.1.3. Роль σ-субъединицы прокариотической РНК-полимеразы

Присоединение РНК-полимеразы к промотору можно ускорить не только

с помощью изменений промоторной области ДНК, но и воздействуя на

структуру самой РНК-полимеразы. Например, набор тех генов, к промоторам которых будет присоединяться РНК-полимераза, определяется с помощью σ-

субъединицы (сигма-субъединицы) этого фермента. Сигма-субъединица (рис.

7) “позволяет” или “не позволяет” РНК-полимеразе “прилипнуть” к нужному

промотору. Если присоединения к промотору не произошло, то белок с гена,

контролируемого данным промотором, синтезироваться не будет.

Распространена гипотеза сменных σ-субъединиц: в зависимости от того, к

какому промотору следует присоединиться РНК-полимеразе, в коровой части

фермента будет присутствовать σ-субъединица то одного, то другого типа (так

же, как мы меняем насадки миксера или пылесоса при выполнении разной

работы). Нуклеотидные последовательности промоторов, опознаваемых

разными σ-субъединицами, существенно различаются и, как правило, не могут

быть распознаны более чем одной σ-субъединицей. Например, у бактерии

Bacillus subtilis один тип σ-субъединиц распознает последовательность

ТТГАЦА, расположенную в положении “-35” и последовательность ТАТААТ в

положении “-10”. Для распознавания другим типом σ-субъединиц этой же

бактерии указанные последовательности должны быть АТАТТ и АТАЦА

соответственно.

Транскрипцию практически всех жизненно важных генов,

обеспечивающих гомеостатические клеточные процессы (репликацию ДНК,

транскрипцию, трансляцию и т.д.), обеспечивают σ-субъединицы, называемые основными. Остальные процессы требуют альтернативных σ-субъединиц,

которых в настоящее время описано не менее десяти. Например, у E. coli при

резком повышении температуры (тепловом шоке) начинает синтезироваться

альтернативная субъединица σ

32 (с молекулярной массой 32 кДа). Ее

присутствие придает РНК-полимеразе способность находить промоторы генов,

кодирующие защитные белки – БТШ (белки теплового шока). Дополнительная

информация о разнообразии σ-субъединиц E. coli и контролируемых ими

процессах приведена в Приложении 3, о БТШ – в Приложении 4.

У прокариот σ-субъединицы позволяют эффективно контролировать

целые блоки генов. Являясь обычно конечным (реже – промежуточным) звеном

какого-либо регуляторного каскада, они не детектируют изменение средовых

условий сами, а полагаются в этом на другие белки. Поэтому синтез и

функционирование σ-субъединиц обычно также подвержены регуляции.