Трансляційний зворотній зв’язок у деяких рибосомальних протеїнових оперонів

Р-протеїни, що діють як трансляційні репресори затінені рожевим кольором. Кожен трансляційний репресор заблоковує трансляцію всіх генів цього оперону зв’язуючись із визначеним місцем на мРНК. Гени, які кодують субодиниці РНК полімерази затінені жовтим кольором; гени, які кодують фактори елонгації показано синім кольором. Р-протеїни великих (50S) рибосомальних субодиниць позначені від L1 до L34, а малих (30S) від субодиниць – S1 до S21.

Підписи:

 оперон 5’ L10; L7/L12;  ’ 3’ L10

str оперон 5’ S12; S7; EF-G; EF-Tu; 3’ S7

 оперон 5’ S13; S11; S4; ; L17 3’ S4

S10 оперон 5’ S10; L3; L4; L23; L2; (L22,S19); S3; L16; S29; S17 3’ L4

spc оперон 5’ L14; L24; L5; S14; S8; L6; L18; S5; L30; L15 3’ S8

Рисунок 28-24

Регуляція обмеженням в e.Coli

Відповідь на недостачу амінокислот викликається зв’язуванням розвантаженої тРНК із рибосомальним сайтом А. Протеїн, що називається обмежувальним фактором приєднується до рибосоми і каталізує синтез фффГфф, який конвертується фосфогідролазою у ффГфф. Сигнал ффГфф призупиняє транскрипцію одних, але пришвидшує транскрипцію інших генів частково завдяки приєднаннню до  субодиниці РНК полімерази і змінюючи при цьому промоторну специфічність ензиму.

Синтез рРНК призупиняється при підвищенні рівня ффГфф.

Підписи: NH3; Поліпептид, що росте; мРНК; Е; OH; А; Р; Обмежувальний фактор (Rel A протеїн); ГТФ + АТФ → (ф)ффГфф + АМФ; РНК полімераза.

ффГфф нуклеотид разом із АМФ належить до класу модифікованих нуклеотидів, які діють як клітинні вторинні мессенджери (с. XXX). В E.Coli ці два нуклеотиди виступають у ролі сигналів голоду і спричиняють великі зміни клітинного метаболізму шляхом прискорення чи сповільнення транскрипції сотень генів. В клітинах еукаріот такі вторинні мессенджери виконують багато регуляторних функцій. Загалом скоординованість клітинного метаболізму із ростом клітини є дуже складним процесом і, безсумнівно, додаткові механізми цього процесу будуть виявлені в майбутньому.

Деякі гени регулюються завдяки генетичній рекомбінації

Знайдена в кишечнику ссавців бактерія Salmonella typhimurium переміщається завдяки руху розміщених на своїй клітинній поверхні джгутиків (Рис.28-25). Багато молекул протеїну флагеліну (Мв 53,000) з якого складається джгутик є мішенню для імунної системи ссавців. Але Salmonella володіє механізмом, який дозволяє уникати імунних відповідей: вона здатна змінювати один флагелін на зовсім інший (FljB на FliC) приблизно раз на кожні 1000 генерацій використовуючи процес варіації фаз (англ., phase variation). Ця заміна відбувається завдяки періодичній інверсії (зміні певної послідовності на зворотню) сегменту ДНК із промотором гену флагеліну. Інверсія є сайт-специфічною реакцією (див. Рис.25-39) опосередкованою Hin рекомбіназою у специфічних ділянках нуклеотидів завдовжки із 14 основ (hix послідовності) на будь-якому кінці сегменту ДНК. У випадку коли сегмент ДНК є у одній орієнтації експресується ген флагеліну FljB і ген, що кодує репресор – FljA (Рис.28-26а); репресор виключає експресію гену флагеліну FliC. Після інверсії ДНК сегменту (Рис.28-26б), гени fljA і fljB більше не транскрибуються і через нестачу репресора індукується транскрипція гену fliC. Hin рекомбіназа, що кодується геном hin в сегменті ДНК піддається інверсії і експресується при будь-якому положенні ДНК сегменту. Таким чином клітини можуть переключатись із одного стану в інший.

Рисунок 28-25

Salmonella typhimyrium із видимими джгутиками

Рисунок 28-26

Регуляція флагелінових генів в Salmonella: варіація фаз

Продуктами генів fliС і fliB є різні флагеліни. Ген hin кодує рекомбіназу, здатну каталізувати інверсійні реакції сегменту ДНК, що містить fljB промотор і ген hin. Місця рекомбінації (обернені послідовності) називають hix сайтами (жовтий колір). (а) при одній орієнтації fljB експресується лише із репресорнрим протеїном (продуктом гену fljА), який гальмує експресію гену fliC. (б) у випадку зворотньої орієнтації експресується лише ген fliC; гени fljA і fljB не можуть транскрибуватися. Перехід між цими двома станами, відомий під назвою варіації фаз потребує також двох неспецифічних інших ДНК-зв’язуючих протеїнів (не показано) - HU (гістоноподібного протеїну із штаму E.Coli - U13) і FIS (фактора стимуляції інверсії).

Підписи: (а) ДНК; обернені послідовності (hix); hin; fljB; fljA; FljB промотор і репресор; FliС промотор; fliC; hin mRNA; Hin рекомбіназа; fljB і fljA мРНК; FljB флагелін; FljA протеїн (репресор); (б) обернений сегмент; hin; fljB; fljA; fliС; hin; fljB; fljА; hin мРНК; Hin рекомбіназа; fliС мРНК; FliC флагелін

Таблиця 28-1 Приклади рекомбінаційної регуляції генів

Система	Рекомбіназа/ рекомбінаційний сайт	Тип рекомбінації	Функція
Варіація фаз (Salmonella)	Hin/hix	Сайт-специфічна	Альтернативна експресія двох генів флагеліну дозволяє уникати реакції імунної системи
Різні хазяїни (бактеріофаг )	Gin/gix	Сайт-специфічна	Альтернативна експресія двох наборів генів, що кодують білки хвоста впливає на виживання в різних клітинах-хазяїнах
Фактор, який зв’язаний із розмноженням (дріжджі)	HO ендонуклеаза, RAD 52 протеїн, інші протеїни/МАТ	Нонреципрокна конверсія гену*	Альтернативна експресія двох типів статевих дріжджів – а і  призводить до появи дріжджів, здатних до статевого розмноження, і в яких відбувається мейоз
Антигенна варіація (трипаносоми)**	Варіює	Нонреципрокна конверсія гену*	Послідовна експресія різних генів, які кодують різноманітні поверхневі глікопротеїни (VSGs) призводить уникнення імунної реакції клітини-хазяїна

* У нонреципрокній конверсії гену (тип рекомбінаційних реакцій не розглянутих в Розділі 25) генетична інформація переноситься із одного місця геному (де не експресується) в інше (де експресується). Ці реакції подібні до реакцій реплікативної транспозиції (див.Рис.25-43).

** Трипаносоми викликають африканську сонну хворобу як і інші хвороби (див.Додаток 22-2). Зовнішня поверхня трипаносом складається із багаточисельних молекул одиночних різноманітних поверхневих глікопротеїнів – основних поверхневих антигенів. Клітина спроможна змінювати поверхневі антигени у більш ніж 100 різних форм, таким чином випереджуючи ефективну відповідь імунної системи клітини-хазяїна.

Такий тип регуляторного механізму має цілковиту перевагу: експресія гену стає неможливою при фізичному відділенні гену від свого промотора (відмітьте розташування fljB промотора на Рис.28-26б). Абсолютна регуляція може бути важливою в цій системі (навіть у випадку регулювання лише двох генів флагеліну), тому що джгутик із лише однією невірною копією флагеліну може бути вразливим до антитіл хазяїна проти цього протеїну. Ця система не є унікальною. Подібні регуляторні системи існують у інших бактерій і деяких бактеріофагів, а рекомбінаційні системи із подібними функціями знайдено також в еукаріот (Таблиця 28-1). Регуляція генів шляхом перегрупування ДНК, що переміщають гени і/чи промотори є особливо розповсюдженою в патогенних організмах, які виживають шляхом зміни хазяїна чи зміни протеїнів поверхні клітини, таким чином випереджуючи імунну відповідь клітини-хазяїна.