15. Структура Lac - оперона. Lac- репрессор.
Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны (гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним (или несколькими) промоторами.
• Опероны по количеству цистронов делят на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).
• Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Жакоб и Моно, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.
Пример регуляции с использованием белков-репрессоров.
Протяженность - 6000 п.н. вместе с регуляторным геном.
Lаc-оперон Е. coli содержит 3 гена, отвечающие за образование белков, участвующих в переносе в клетку дисахарида лактозы и в ее расщеплении.
Z - β - галактозидаза (расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу).
Y- β - галактозидпермеаза (переносит лактозу через мембрану клетки).
А - тиогалактозидтрансацетилаза (ацетилирует галактозу).
Протяженность лактозного оперона вместе с регуляторным геном составляет 6000 п.н.
Между регуляторным геном lac 1 и первым структурным геном lac Z расположены конгролирующие элементы, каждый из которых состоит из нескольких десятков пар нуклеотидов.
Промотор состоит из 85 п.н., оператор - из 26 п.н.
Левая часть промотора связывается с белком-активатором (БАК, или САР), а правая часть с РНК-полимеразой.
Все три гена Z, У, А транскрибируются на одну полицистронную мРН К, с которой последовательно транслируются соответствующие белки (галактозидаза, галактозид-пермеаза и трансацетилаза).
Регуляторный ген lad, расположенный на некотором расстоянии от регуляторной части оперона, имеет свой промотор и терминатор. Белок, транслируемый с мРНК этого гена, называется репрессором, поскольку он, присоединяясь к оператору, преграждает путь РНК-полимеразе к структурным генам, препятствуя транскрипции.
Если единственным источником энергии служит лактоза, репрессор инактивируется в результате присоединения к нему ее молекул. При этом промотор остается открытым для продвижения РНК-полимеразы и инициации транскрипции структурных генов оперона.
НО: Если есть глюкоза, то можно питаться ей, и β-галактозидаза не нужна. Лактоза не запускает инициацию LacI
Мутации в гене белка-репрессора приводят к конститутивному синтезу белков лактозного оперона, поскольку при этом репрессор «не мешает» РНК-полимеразе транскрибировать структурные гены.
Сам промотор Lac-генов довольно слабый. В отсутствие глюкозы его усиливает цАМФ+БАК. Но когда глюкоза есть, она снимает этот комплекс и промотор снова не привлекателен.
Существует механизм репрессии лактозного оперона, основанный на использовании белка-активатора САР. Этот белок играет роль регулятора для нескольких генетических систем, ответственных за использование лактозы, галактозы и арабинозы, как альтернативных источников энергии и углерода. Белок-активатор существенно увеличивает сродство РНК-полимеразы к соответствующим промоторам после присоединения к нему молекулы сАМР (циклического аденозинмонофосфага). В присутствии глюкозы уровень сАМР остается низким, и активации оперонов, ответственных за использование лактозы, галактозы и арабинозы, не происходит. Уровень сАМР в клетке возрастает при исчезновении глюкозы (сигнал «голода»), и белок САР вместе с молекулой сАМР присоединяется к ДНК в районе промоторов трех оперонов, создавая одно из необходимых условий для начала транскрипции.