Спільний ефект глюкози і лактози на експресію lac оперона

(а) Високий рівень транскрипції досягається при низькій концентрації глюкози (у цьому випадку коцентрація цАМФ є високою, а ЦРП-цАМФ зв’язаний із ДНК) і високій концентації лактози (Lас репресор не приєднаний до ДНК). (б) без приєднаного активатора (ЦРП-цАМФ) lac промотор транскрибується слабо навіть при високій концентрації лактози і від’єднаному Lac репресорі.

Підписи: (а) Низька концентрація глюкози (високий рівень цАМФ); цАМФ; ЦРП; сайт ЦРП; Промотор; Зв’язаний Lac репресор; Лактоза; Lac репресор; РНК полімераза; (б) Висока концентрація глюкози (низький рівень цАМФ); Лактоза; Lac репресор.

Ефект глюкози на ЦРП опосередкований через взаємодію із цАМФ (Рис.28-18). ЦРП краще приєднується до ДНК у випадку наявності високої концентрації цАМФ. В присутності глюкози синтез цАМФ інгібується і активується вихід цАМФ із клітини. Після зниження концентрації цАМФ, понижується зв’язування ЦРП із ДНК, що призводить до зменшення експресії lac оперону. Таким чином сильна індукція lac оперону потребує як наявності лактози (для інактивації lac репресора), так і присутності низької концентрації глюкози (для ініціації зростання концентрації цАМФ) та підвищення здатності зв’язування цАМФ із ЦРП.

ЦРП і цАМФ приймають участь у скоординованій регуляції численних оперонів, основним чином тих, що кодують ензими метаболізму вторинних цукрів (як, наприклад лактози і арабінози). Сукупність оперонів підпорядкована загальному управлінню називається регулоном. Така система, завдяки якій синхронізується дія сотень генів є основним мотивом регульованої експресії різноманітних функціональних сіток генів еукаріот. До інших бактеріальних регулонів відносяться гени теплового шоку задіяні у реакції організму на зміну температури (с.XXX) та індуковані гени SOS E.Coli, як чаcтина відповіді на пошкодження ДНК про що йтиметься мова надалі.

Багато генів ензимів, що задіяні в біосинтезі амінокислот регулюються сповільненням транскрипції

Для синтезу протеїнів необхідно достатню кількість 20-ти загальних амінокислот, які E.Coli здатна синтезувати самостійно. Зазвичай гени задіяні в синтезі таких амінокислот зібрані в оперонах, а їх експресія починається при недостачі амінокислот в середовищі. При наявності надлишку амінокислот ензими необхідні для біосинтезу амінокислот не синтезуються і оперон знаходиться в репресованому стані.

Триптофановий оперон E.Coli (trp) (Рис.28-19) складається із п’яти генів, які кодують ензими необхідні для перетворення хоризмату у триптофан. Відмітьте, що два із цих ензимів каталізують більше ніж один крок цього ланцюгу реакцій. мРНК із trp оперону має період напіврозпаду близько трьох хвилин, таким чином дозволяючи клітинам швидко реагувати на непостійну потребу в цих амінокислотах. Трп репресор є гомодимером, кожна субодиниця якого містить 107 амінокислотних залишків (Рис.28-20). У випадку надлишку триптофану він приєднується до Трп репресора спричиняючи конформаційні зміни, які дозволяють репресору приєднуватися до trp оператора і інгібувати екпресію trp оперону. Сайт trp оператора охоплює весь промотор і таким чином зв’язування із репресором заблоковує приєднання РНК полімерази.

Повторимося, що такий простий механізм вкл/викл, опосередкований репресором не є повною регуляторною системою. Різна концентрація триптофану в клітині може змінювати швидкість синтезу біосинтетичних ензимів у понад 700 раз! Після відміни репресії і початку транскрипції необхідна швидкість регулюється витонченим механізмом вторинної регуляторції, що носить назву сповільнення транскрипції, у якому транскрипція нормально ініціюється, але різко сповільнюється ще перед початком транскрипції генів оперону. Частота сповільнення транскрипції регулюється наявністю триптофану і залежить від тісного поєднання процесів транскрипції і трансляції у бактерій.

Механізм сповільнення транскрипції trp оперону використовує сигнали закодовані в чотирьох послідовностях 162-х нуклеотидної ділянки лідера (англ., leader) на 5’ кінці мРНК, яка передує кодону ініціації першого гену (Рис.28-21а). Всередині ділянки лідера визначено район сповільнювач (англ., attenuator), що складається із послідовностей 3 і 4. Ці послідовності паруються і утворюють ЦГ - збагачені шпилькоподібні структури за якими слідують серії залишків У. Структура сповільнювача діє як термінатор транскрипції (Рис.28-21б). Послідовність 2 є альтарнативним доповненням послідовності 3 (Рис.28-21в). У випадку парування послідовності 2 із послідовністю 3 сповільнювач не утворюється і транскрипція генів біосинтезу із trp продовжується; петля, яка утворюєтиься при паруванні послідовності 2 із послідовністю 3 не перешкоджає транскрипції.

Регуляторна послідовність 1 є найважливішою для триптофан-чутливого механізму і визначає порядок парування послідовності 3 із послідовністю 2 (транскрипція продовжується) або ж парування послідовності 3 із послідовністю 4 (транскрипція сповільнюється). Утворення шпилькоподібної структури залежить від подій під час трансляції регуляторної послідовності 1, яка кодує лідер-пептид (кодується послідовностями нуклеотидів лідера мРНК) завбільшки із 14 залишків амінокислот, дві із яких є залишками триптофану. Інші клітинні функції лідер-пептиду невідомі, а його синтез є просто пристосуванням для регуляції оперону.

Рисунок 28-19.