Багато генів прокаріот об’єднані в кластери і регулюються оперонами

Бактерії мають простий загальний механізм для координування регуляції генів, які кодують продукти, що приймають участь у взаємозв’язаних процесах: такі гени об’єднані в кластери на хромосомі і транскрибуються одночасно. Багато прокаріотичних мРНК мають поліцистронічну природу: багаточисельні гени транскрибуються на одному спільному транскрипті і промотор, який ініціює транскрипцію цілого кластера є місцем регуляції експресії всіх генів цього кластера. Кластер генів із промотором, як і певні додаткові послідовності, що спільно функціонують називають опероном (англ., operon). Оперони, які об’єднують від двох до шести генів і транскрибуються одночасно є досить розповсюдженими; деякі з оперонів об’єднують до 20 або й більше генів.

Багато із принципів регуляції експресії генів прокаріот були вперше виявлені завдяки вивченню лактозного метаболізму E.Coli, що використовує лактозу як єдине джерело вуглецю. У 1960 році Франсуа Жакобом і Жаком Моно в журналі Proceedings of the French Academy of Sciences була опублікована коротка стаття про те, як два сусідні гени залучені в метаболізмі лактози скоординовано регулювалися генетичним елементом розміщеним на одному із кінців кластеру генів. Це були гени β-галактозидази, які розщеплюють лактозу галактози і глюкози та галактозид пермеаза, яка транспортує лактозу в клітину (Рис. 28-6). Вперше терміни “оперон” і “оператор” було вжито саме в цій роботі. Завдяки моделі оперона регуляція генів була також вперше розглянута із молекулярної точки зору.

lac оперон є об’єктом негативної регуляції

Лактозний оперон (lac) (Рис.28-7а) об’єднує гени β-галактозидази (Z), галактозид пермеази (Y) і тіогалактозид трансацетилази (A). Останній із перечислених ензимів приймає участь в утилізації токсичних галактозидів і їх виведенні із клітини. Перед кожним із трьох генів є місця для приєднання рибосом (не показано на Рис. 28-7), які незалежно один від одного направляють трансляцію кожного гену (Розділ 27). Регуляція lac оперону протеїном-репресором (Lac) відбувається як зображено на Рисунку 28-4а.

Рисунок 28-5

Типовий оперон еукаріотів

Гени А, В і С транскрибуються одиночною поліцистронічною мРНК. Типові регуляторні послідовності містять місця для зв’язування протеїнів здатних як активувати, так і гальмувати транскрипцію з промотора.

Підписи: ДНК; Місце приєднання активатора; Промотор; Місце приєднання репресора (оператор); А; В; С; Регуляторна послідовність; Група генів, які транскрибуються одночасно.

Рисунок 28-6

Лактозний метаболізм E.Coli

Проникнення лактози в клітину і її метаболізм залежить від активності галактозид пермеази і β-галактозидази. Перетворення лактози в алолактозу шляхом трансглікозилювання є менш важливою реакцією, яку також каталізує β-галактозидаза.

Підписи: Назовні; Лактоза; Галактозид пермеаза; Всередині; Лактоза; β-галактозидаза; Алолактоза; β-галактозидаза; Глюкоза; Галактоза.

Фото

Франсуа Жакоб; Жак Моно (1910-1976)

Рисунок 28-7

lac оперон

(а) lac оперон в репресованому стані. Ген I кодує Lac репресор. Гени lac Z, Y і A кодують, відповідно, β-галактозидазу, галактозид пермеазу і тіогалактозид трансацетилазу. Буквами П позначено промотор lac гену, а П_I - промотор гену I. O₁ є основним оператором lac оперону. O₂ і O₃ є вторинними операторними сайтами із меншою спорідненістю до Lac репресора. (б) Lac репресор приєднується як до головного оператора, так і до O₂ і O₃ формуючи ДНК петлю, яка здатна охоплювати репресор як зображено на рисунку. (в) Lac репресор приєднується до ДНК (PDB ID1LBG). Показано протеїн (сірий колір) приєднаний до короткого сегмента ДНК (синій колір). (г) Конформаційні зміни Lac репресора спричинені зв’язуванням штучного стимулятора ізопропілтіогалактозидази, ІПТГ (походить із PDB ID1LBG і 1LBG). Структура тетрамерного репресора показана без зв’язаної ІПТГ (рисунок тонкими лініями) і із зв’язаною ІПТГ (накладений рисунок грубими лініями; ІПТГ не показана). Приєднання ДНК за відсутності ІПТГ (зображена тонкими лініями структура) не показане. У випадку приєднання ІПТГ і за відсутності приєднання ДНК ДНК-зв’язуючий домен репресора є надто невпорядкованим і неможливим для виявлення в кристалічній структурі.

Підписи: Lac репресор; мРНК; (а) ДНК; П_I ; I; O₃; П; O₁; Z; O₂; Y; A;

(б) Оператори; (в); (г).

Вивчення lac оперону мутантів відкрило деталі роботи регуляторної системи оперону. У відсутності лактози гени lac оперону знаходяться у репресованому стані. Мутації в операторі чи у іншому гені - I призводять до конститутивного синтезу продукту генів. У випадку дефекту в гені I, репресію можна відновити шляхом вставляння функціонального гену I в клітину (із іншою молекулою ДНК), таким чином демонструючи кодування геном I молекули, що може спричиняти репресію гену. Доведено, що цією молекулою є протеїн, який називають Lac репресором, тетрамер, що скаладаєтся із чотирьох ідентичних мономерів. Оператор, до якого він приєднується найміцніше (O₁) граничить із місцем початку транскрипції (Рис.28-7а). Ген I транскрибується із власного промотора (П_I) незалежно від генів lac оперону. lac оперон має два вторинних місця зв’язування для Lac репресора. Перший сайт (О₂) знаходиться поблизу позиції + 410, всередині гену, який кодує β-галактозидазу (Z) , а інший (O₃) - поблизу позиції - 90, всередині гену I. Для репресії оперону Lac репресор повинен приєднатися і до головного оператора, і до одного із вторинних сайтів, що призводить до вигинання і утворення петлі ДНК (Рис.28-7б,в). Будь-яка інша перестановка призводить до заблоковування ініціації транскрипції.

Недивлячись на досконалість цього комплексу, репресія все ж не є абсолютною. Приєднання Lac репресора сповільнює швидкість ініціації транскрипції на три порядки. У випадку видалення сайтів О₂ і О₃ або при їх мутації приєднання репресора лише до сайту О₁ сповільнює транскрипцію на два порядки. Навіть у репресованому стані кожна клітина має декілька молекул -галактозидази і галактозид пермеази, які, здогадно, синтезується в рідкісних випадках короткочасного від’єднання репресора від оператора. Цей базовий рівень транскрипції є важливим для регуляції оперону.

При наявності лактози lac оперон індукується. Стимул індукції (сигнальна молекула) приєднується до специфічного місця Lac репресора, спричиняючи цим його конформаційні зміни (Рис.28-7г). Це призводить до від’єднання репресора від оператора. Індуктором в системі lac оперону є не лактоза, а її ізомер – алолактоза (Рис.28-6). Після проникнення в клітину E.Coli (завдяки існуванню декількох молекул пермеази) лактоза перетворюється в алолактозу однією або декількома існуючими молекулами β-галактозидази. Від’єднання Lac репресора від оператора, спричинене його приєднанням до алолактози призводить до експресії генів lac оперону і збільшення концентрації β-галактозидази у тисячу разів.

Декілька β-галактозидів, які структурно подібні до алолактози служать індукторами lac оперону, але не є субстратами β-галактозидази; інші з них є субстратами, але не є стимуляторами. Одним із особливо ефективних індукторів lac оперону, який не здатний метаболізуватися і часто використовується у біологічних експериментах є ізопропілтіогалактозид (ІПТГ) (англ., IPTG).

Індуктор, який не здатний метаболізуватися дозволяє дослідникам вивчати фізіологічні функції лактози як джерела вуглецю для росту і які стоять осторонь її функції в регуляції експресії генів.

Крім багаточисельних відомих насьогодні оперонів бактерій, декілька поліцистронних оперонів було знайдено і в клітинах нижчих еукаріот. Одначе в клітинах вищих еукаріот майже всі гени в яких закодована інформація про протеїни транскрибуються відокремлено.

Механізм регуляції оперонів може значно відрізнятися від простої моделі представленої на Рисунку 28-7. Насправді навіть lac оперон є значно складнішим, аніж він тут зображений. Так, наприклад, активатор також приймає участь в управлінні загальної схеми, як це буде показано у частині 28.2.

Перед подальшим обговоренням рівнів регуляції експресії генів ми вивчатимемо критично важливі молекулярні взаємодії між ДНК-зв’язуючими протеїнами (такими як активатори і репресори) і послідовностями нуклеотидів, до яких вони приєднуються.