10.1. Регуляция активности генов.

Клеточная ДНК несет в себе генетическую информацию, необходимую для синтеза сотен различных белков, однако в каждый данный момент клетка синтезирует только те белки, которые нужны ей в это время. Разрушая старые молекулы мРНК и образуя новые клетка может довольно строго регулировать как тип продуцируемых белков, так и их количество. Что из себя представляет механизм, регулирующий выработку белков?

Большая часть неразрешенных проблем, стоящих перед молекулярной биологией, связаны с механизмами, которые регулируют активность генов, участвующих в процессах метаболизма, развития и дифференциации.

Данные о механизмах, регулирующих активность генов, были впервые получены при изучении синтеза ферментов у кишечной палочки. В 1961 году Жакоб и Моно провели ряд экспериментов, желая понять природу индукции синтеза ферментов у этой бактерии. Из примерно 800 ферментов E. coli синтез некоторых из них идет непрерывно и их называют конститутивными ферментами, другие же образуют только в присутствии надлежащего индуктора, такие ферменты называются индуцибильными.

Кишечная палочка быстро растет на средах, содержащих глюкозу. Если ее перенести на среду содержащую лактозу, то рост культуры возобновляется только через какой-то промежуток времени. Проведенные исследования показали, что для роста на лактозной среде необходимо наличие двух веществ, которые E. coli обычно не синтезирует:

- β-галактозы, гидролизующей лактозу до глюкозы и галактозы и

- лактопермиазы, делающей клетку способной быстро поглощать лактозу из среды. Это явление может служить примером ИНДУЦИРОВАННОГО синтеза ферментов.

В другой серии экспериментов было обнаружено, что высокая концентрация в среде аминокислоты триптофан подавляет выработку триптофансинтетазы - фермента, необходимого для синтеза триптофана. В данном случае мы сталкиваемся с РЕПРЕССИЕЙ фермента.

На основании этих наблюдений Жакоб и Моно предложили гипотезу, объясняющую индукцию и репрессию - механизмов "включения" и "выключения" генов. Согласно этой гипотезе генетическая информация о ферментах заключена в структурных генах. Активность этих генов регулируется еще одним геном, который называют геном-регулятором. Ген-регулятор содержит генетическую информацию для синтеза белка-репрессора, который связываясь с оператором, прилежащим к структурным генам, препятствует активности структурных генов (рис. 10.1).

В молекуле репрессора, который представляет собой полипептид, есть два активных участка. К одному из них может присоединяться молекула индуктора, что приводит к трансформации третичной структуры белковой молекулы индуктора. При этом открывается второй активный центр, который служит для присоединения к оператору, вследствие чего блокируется работа оперона. Теоретически возможны два способа регуляции выработки ферментов: индукция и репрессия.

Индукция ферментов. После того как в клетку попадает вещество-индуктор, оно может связаться (и на самом деле связывается) с активным участком молекулы белка-репрессора изменяя третичную структуру репрессора так, что он не может связываться с оператором и подавлять присоединение РНК-полимеразы. В результате оператор оказывается в открытом состоянии и включает механизм синтеза мРНК на структурных генах (рис. 10.2).

В нашем примере при выращивании E. coli на среде с глюкозой репрессор связан с оператором. При переносе бактерий на лактозную среду репрессор взаимодействует с молекулой лактозы (которая выступает как индуктор) и освобождает оператор, включая тем самым синтез фермента. Таким образом лактоза индуцирует собственное расщепление.

В промотороном локусе можно выделить два функциональных участка (рис. 10.3): участок связывания БАК (белка активатора катаболической репрессии) и участок связывания РНК-полимеразы. Для того чтобы РНК-полимераза смогла присоединиться к своему участку связывания необходимо соединение комплекса БАК с участком связывания БАК. Возможно потому, что этот комплекс вызывает локальное расплетение двойной спирали ДНК, обнажая таким образом матричную цепь ДНК, к которой должна присоединиться РНК-полимераза. Особенно легко такое расплетение происходит в участках богатых А-Т парами.

В том случае, когда к оператору присоединен репрессор, РНК-полимераза, даже если она присоединилась к матричной цепи, не способна достичь точки инициации. Это вторая причина в результате которой предотвращается транскрипция lac-оперона.

Таким образом оказалось, что транскрипция lac-оперона находится и под позитивным, и под негативным контролем. Осуществляя положительный контроль комплекс БАК дает возможность РНК-полимеразе связаться с матрицей перед началом транскрипции. Осуществляя отрицательный контроль репрессор препятствует РНК-полимеразе осуществить синтез мРНК. Роль такой системы понятна. Во-первых, для E. coli нет смысла тратить свои метаболические ресурсы на синтез специальных ферментов расщепляющих сложные сахара в ситуации (о ней сигнализирует низкая внутриклеточная концентрация сАМФ), когда клетка уже обеспечена моносахарами. Во-вторых, даже тогда, когда катаболитов недостаточно (об этом сигнализирует повышение концентрации сАМФ) не имеет смысла синтезировать ферменты для которых в среде нет субстрата.

Репрессия ферментов. В отличии от индукции, репрессор в данной ситуации хотя и присутствует в клетке не способен взаимодействовать с оператором, если нет вещества специфически с ним связывающегося - корепрессора. Если в клетке появляется корепрессор, неактивная молекула репрессора связывается с ним, меняет свою пространственную структуру - активизируется и репрессирует оператор, а значит и синтез белка (рис. 10.4).

Таким корепрессором в упомянутых ранее экспериментах выступает аминокислота триптофан. Ее избыток в среде приводит к прекращению синтеза фермента триптофан-синтетаза.