Триптофановый оперон

Оперон состоит их пяти структурных генов, ответственных за синтез пяти ферментов, участвующих в превращении хоризмовой кислоты в триптофан, а также из промоторно-операторной области. Ген-регулятор (trрR) расположен на хромосоме на некотором расстоянии от оперона. Он ответственен за синтез регуляторного белка – апорепрессора, который неактивен в свободном состоянии, не может связываться с оператором и неспособен, таким образом, препятствовать началу транскрипции.

Когда конечный продукт метаболического пути – триптофан – накапливается выше определенного уровня, взаимодействует с апорепрессором и активирует его. Активированный апорепрессор (апорепрессор + корепрессор) присоединяется к оператору и подавляет транскрипцию структурных генов триптофанового оперона. Синтез триптофана прекращается.

Установлено, что отсутствие активированного репрессора вызывает примерно 70-кратное увеличение актов инициации транскрипции. Но даже в условиях репрессии структурные гены сохраняют низкий уровень экспрессии. Для того чтобы понизить уровень транскрипции в присутствии триптофана в еще большей степени, в клетках бактерий E. coli имеется дополнительный механизм регуляции транскрипции, который называется аттенуацией, в осуществлении его принимает участие продукт гена trpL. В условиях избытка триптофана только одна из десяти молекул РНК-полимеразы, начавшая транскрибирование с промотора, взаимодействует со структурными генами и продолжает транскрипцию. Таким образом, действие аттенуатора проявляется в терминации транскрипции, а сам процесс аттенуации классифицируется как регулируемая терминация транскрипции.

В отличие от репрессии, аттенуация зависит не от самой аминокислоты, а от образования триптофанил-тРНК, т. е. активированной аминокислоты, присоединенной к транспортной РНК. При уменьшении внутриклеточной концентрации триптофана сначала осуществляется дерепрессия. Это значит, что образуется возможность связывания молекул РНК-полимеразы с промотором Trp-оперона. При более глубоком голодании снижается уровень триптофанил-тРНК и возникают условия для преодоления аттенуатора.

Регуляция триптофанового оперона: негативная (белок-репрессором) и аттенуация (регуляция транскрипции с помощью трансляции).

Таким образом, и в случае индукции путем негативной регуляции (Lac-оперон), и в случае репрессии синтеза ферментов (Тrp-оперон) взаимодействие репрессора с оператором приводит к подавлению транскрипции соответствующих структурных генов. Различие заключается в том, что при индукции путем негативной регуляции эффектор (индуктор), взаимодействуя с репрессором, понижает сродство репрессора к оператору, а в случае репрессии эффектор (корепрессор) повышает это сродство.

Структурная организация генов у эукариот

1. Почти всегда оперон эукариот содержит только один структурный ген.

2. У эукариот структурные гены, ответственные за разные звенья той или иной цепи биохимических реакций, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном опероне.

3. У эукариот существует одновременное групповое подавление активности генов во всем ядре, в целой хромосоме, или в большом ее участке.

4. Существует система регуляции с помощью стероидных гормонов.

5. Транскрипция и трансляция у эукариот разобщены (у прокариот - сопряжены).

У эукариот не распространен оперонный тип расположения генов, т.е. объединение в блоки генов, находящихся под общим контролем. У эукариот структурные гены, функция которых связана с регуляторными, организованы в виде независимых генов, повторяющихся генов или кластеров генов. Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). Еще одна особенность эукариотических генов – наличие регуляторных последовательностей (энхансер, сайленсер и элемент перед промотором).

Независимые гены, как правило, располагаются индивидуально, их транскрипция не связана с транскрипцией других генов. Активность некоторых из них регулируется гормонами.

Повторяющиеся гены присутствуют в хромосоме в виде повторов (копий) одного гена - гены гистонов, тРНК, рРНК. Причина повторяемости гистоновых генов определяется необходимостью синтезировать большое количество гистонов, которые являются основными структурными белками ядра (суммарная масса гистонов равна массе ДНК).

Кластер генов - это группа различных генов с родственными функциями, локализованных в определённых участках хромосом. В состав кластера входят активно функционирующие гены и псевдогены (Нуклеотидные последовательности псевдогенов сходны с последовательностями функционально активных генов, но псевдогены не экспрессируются и не образуют белок). Часто кластеры являются семейством генов, произошедшим от некоего гена-предка.

Классическим примером являются гены глобина в составе А и В кластеров. Гемоглобин представлен гемом и белком тетрамером-глобином. Глобиновый тетрамер состоит из двух идентичных цепей и двух идентичных цепей. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи и кодируется своим собственным геном, входящим соответственно в состав А или В кластера. У человека А кластер располагается в 16 хромосоме, а В кластер в 11 хромосоме (рис. 20). Кластер В занимает участок ДНК размером 50 тысяч пар нуклеотидов и включает в себя пять функционально активных генов и один псевдоген: ген (эпсилон); два гена (гамма); псевдоген (бэта); ген (дельта) и ген (бэта).

Кластер А располагается более компактно и занимает участок ДНК размером более 28 тысяч пар нуклеотидов и включает в себя активный ген (дзета), псевдоген (дзета), псевдоген (альфа) и гены (альфа) два и (альфа) один, кодирующие идентичные белки. Гены глобина по внутреннему строению являются мозаичными.

Повторяющиеся гены и кластеры глобиновых генов относятся к мультигенным семействам.