Підсумок 28.1 Принципи регуляції генів

• Експресія генів керується процесами, які регулюють швидкість синтезу і деградації продуктів генів. Більшість цієї регуляції відбувається на рівні ініціації транскрипції, опосередкованої регуляторними протеїнами, здатними як сповільнювати (негативна регуляція), так і пришивдшувати транскрипцію (позитивна регуляція) у специфічних ділянках ДНК - промоторах.

• Гени, продуктами яких є функціонально взаємозалежні протеїни у бактерій зазвичай групуються у кластерах - оперонах. Гени, які об’єднані в оперони транскрибується одночасно. Транскрипція цих генів зазвичай заблоковується після приєднання специфічного протеїна-репресора у місці ДНК, що називається оператором. Дисоціація репресора від оператора опосередкована невеликою специфічною молекулою – індуктором. Ці факти вперше були описані у працях про природу лактозного (lac) оперону. Lac репресор дисоціює від lac оператора після приєднання ідуктора - алолактози до репресора.

• Регуляторними протеїнами називають ДНК-зв’язуючі протеїни, яким властиво розпізнавати специфічні ДНК послідовності; більшість із них мають сформований ДНК-зв’язуючий домен. Загальними структурними мотивами таких доменів є гелікс-поворот-гелікс, цинковий палець, і гомеодомен - мотиви, які здатні приєднуватись до визначених ділянок ДНК.

• Регуляторні протеїни також містять домени для взаємодії протеїнів із протеїнами, включно із задіяними в димеризації гелікс-петлею-гелікс і лейциновими блискавками, так як і з іншими мотивами, що приймають участь в активації транскрипції.

28.2 Регуляція експресії генів у прокаріот

Подібно до інших областей біохімічних досліджень, вивчення регуляції і експресії генів почалося із бактерій, а не з більш високоорганізованих організмів. Представлені нижче приклади регуляції генів бактерій вибрано із багатьох добре вивчених подібних систем як завдяки їх історичній важливості, так і частково через їх здатність відобразити великий спектр регуляторних механізмів прокаріот. Крім того багато з принципів регуляції генів прокаріот є також важливими і для розуміння експресії генів еукаріотичних організмів.

Почнемо із вивчення лактозного і триптофаного оперонів – систем, у кожній з яких наявні регуляторні протеїни, хоча загальний механізм їх регуляції значно відрізняється один від одного. Після цього коротко обговоримо SOS -відповідь E.Coli, що пояснює здатність розкиданих по геному генів до скоординованої регуляції. Для ілюстрації різноманітності механізмів задіяних у регуляції генів ми опишемо дві прокаріотичні системи різного типу: регуляцію синтезу рибосомальних протеїнів на рівні трансляції із здатними зв’язуватися із РНК (радше ніж з ДНК) регуляторними протеїнами та регуляцію процесу зміни фаз в Salmonella, який є наслідком генетичної рекомбінації. Але спочатку ми детально вивчемо lac оперон.

Lac оперон здатний до позитивної регуляції

Вищеописана на прикладі lac оперону взаємодія оператор-репресор-індуктор (Рис.28-7) інтуїтивно забезпечує достатню модель розуміння включання/виключання експресії генів. Насправді настільки простою регуляція оперону є лише у рідкісних випадках. Середовище у якому існують бактерії є занадто складним для того, щоб гени бактерій контролювалися лише одним сигналом. Крім лактози існує ще багато факторів здатних впливати на експресію lac гену, як, наприклад, присутність глюкози. Глюкоза, що метаболізується у гліколізі є основним джерелом енергії для E.Coli. Інші цукри також можуть слугувати основним чи єдиним джерелом поживи, проте для їх входження в гліколіз необхідна додаткова реакція, що потребує синтезу додаткового ензиму. Очевидно, що експресія генів протеїнів здатних метаболізувати цукри, як наприклад, лактозу або арабінозу, не є необхідністю у випадку достатньої кількості глюкози.

Що ж відбувається із експресією lac оперону при наявності у поживному середовищі і глюкози, і лактози? Регуляторний механізм катаболітичної репресії обмежує експресію генів необхідних для катаболізму лактози, арабінози ті інших цукрів в присутності глюкози навіть при наявності цих цукрів. Ефект глюкози опосередковується через цАМФ – коактиватора протеїну, що називається цАМФ рецепторним протеїном, чи ЦРП (цей протеїн також називають АПК, від активатор протеїну катаболітичного гену; англ. CRP or CAP). ЦРП є є гомодимером (Мв субодиниці = 22,000) із сайтами зв’язування для ДНК і цАМФ. Зв’язування опосередковується шляхом приєднання гелікс-поворот-гелікс мотиву всередині ДНК-зв’язуючого домену протеїну (Рис.28-16). При відсутності глюкози ЦРП-цАМФ зв’язується із ділянкою ДНК поблизу lac промотора (Рис.28-17а) і у 50 раз пришвидшує транкрипцію РНК. Таким чином ЦРП-цАМФ є позитивним регуляторним елементом, що реагує на концентрацію глюкози, а Lac репресор є негативним регуляторним елементом, який реагує на концентрацію лактози. Дія обидвох регуляторних елементів скоординована. ЦРП-цАМФ має незначний вплив на lac оперон якщо транскрипція заблокована Lac репресором, а дисоціація репресора з lac оператора має незначний вплив на транскрипцію lac оперону за винятком, коли присутній ЦРП-цАМФ комплекс полегшує транскрипцію; без приєднаного ЦРП lac промотор є відносно слабким промотором (Рис. 28-17б). Відкритий комплекс РНК полімерази з промотором (див. Рис.26-6) у випадку відсутності ЦРП-цАМФ формується не відразу. ЦРП напряму взаємодіє із РНК полімеразою (у ділянці показаній на Рис.28-16) і ця взаємодія опосередкована через  субодиницю полімерази.

Рисунок 28-16

ЦРП гомодимер (PDB ID 1RUN)

Приєднані молекули цАМФ показано червоним кольором. Відмітьте, що ДНК перегинається через протеїн. Ділянка, що взаємодіє із РНК полімеразою затінена жовтим кольором.

Рисунок 28-17

Активація транскрипції lac оперону ЦРП.

(а) Місце зв’язування ЦРП-цАМФ знаходиться поблизу промотора. Як і у випадку з lac оператором ЦРП сайт має подвійну симетричність (основи, затінені жовто-коричневим кольором) поблизу вісей позначених пунктиром. (б) Послідовність нуклеотидів lac промотора відповідає консенсусній послідовності промотора. Різниця призводить до відносно слабкого зв’язування РНК полімерази із lac промотором аж до початку активації полімерази ЦРП-цАМФ.

Підписи:

ЦРП сайт Приєднується РНК

ДНК 5’- АTTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGGCACCCCAGGCTТТ

-35 ділянка

Полімеразою 5’ → 3’ РНК

ACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACA

-10 ділянка Оператор

ATTTCACAC

lac промотор; -35 ділянка; -10 ділянка; консенсусна послідовність промотора

Рисунок 28-18