Регуляция экспрессии генов у прокариот, на уровне инициации транскрипции.

Этот тип регуляции осуществляется несколькими способами. Из них наиболее значимы два:

1. Регуляция транскрипции путём изменения вторичной структуры участка ДНК, на котором фермент РНК-полимераза осуществляет синтез РНК. Пространственную структуру ДНК изменяют специальные ферменты. Эти изменения могут быть самыми разнообразными, например возможен такой вариант, когда на кодирующей части ДНК формируются изгибы или шпильки. Эти структуры блокируют движение по ДНК ферментов, обеспечивающих самый первый процесс синтеза РНК – инициацию. В результате не происходит деспирализации ДНК, не разрываются водородные связи между нитями ДНК, не отходят друг от друга нити ДНК, т.е. не формируется вилка транскрипции. Процесс транскрипции не начинается.

2. Регуляция путём взаимодействия специальных белков-регуляторов с оператором.

Этот механизм был предложен Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. Предложенная ими гипотеза регуляции в настоящее время полностью подтверждена и хорошо исследована. Этот тип регуляции называется «Контроль синтеза белка на уровне транскрипции» или просто «Теория оперона».

Как мы уже писали ранее, оперон прокариот состоит из промотора, оператора и кодирующей части. К промотору присоединяется РНК-полимераза, которая «проходит» через оператор и транскрибирует РНК с матричной цепи ДНК. Промотор и оператор взаимно перекрываются. К оператору присоединяются два типа белков-регуляторов – активатор и репрессор. Это генетические факторы регуляции.

Репрессор,взаимодействуя с оператором, перекрывает его и частично промотор, создавая стерическое препятствие для присоединения РНК-полимераза к промотору (рис. 70, Б). Такая регуляция носит название негативный контроль. Активатор взаимодействует с оператором таким образом, что эта связь, не только не нарушает движение РНК-полимеразы через оператор (рис. 70, А), но и ускоряет осаждение на промотор всё новых и новых молекул РНК-полимераз. Это повышает интенсивность транскрипции гена, что приводит к существенному увеличению синтеза РНК и синтеза белка. Этот тип регуляции называется позитивным контролем.

Важно отметить, что без активатора связывание РНК-полимеразы с промотором так же происходит, но очень медленно.

Вышеописанный механизм интегрирован и в более высокие уровни регуляции экспрессии генов. Его легко понять, если помнить, что на более высоком уровне регуляции происходят те же процессы, что и изложенные выше, но к ним добавляется звено, которое регулирует действие активаторов и репрессоров. Эндогенные или экзогенные факторы (ими могут быть физические факторы или химические соединения) могут активировать или инактивировать активатор или репрессор. Если происходит активация активатора и инактивация репрессора, то интенсивность транскрипции повысится, И наоборот, при активации репрессора и инактивации активатора интенсивность транскрипции снизится.

Разберём эти процессы более подробно. Рассмотрим три момента, которые определяют принцип регуляции на высоком уровне.

1. На этом уровне в процессе регуляции вовлекаются два новых участника – субстрат и продукт. Субстрат может расщепляться (лактоза), под действием какого либо фермента, или наоборот, синтезироваться из каких либо метаболитов(например, аминокислота). Тогда это будет уже не субстрат, а продукт. Субстрат и продукт относятся к не генетические факторы регуляции. Их часто называют эффекторы.

2. Субстрат и продукт осуществляют регуляцию экспрессии генов путём взаимодействия с генетическими факторами регуляции – активатором и репрессором.

3. В результате взаимодействия с субстратом или продуктом активатор и репрессор могут инактивироваться или наоборот активироваться.

Активация транскрипции

А ДНК

Активатор

Репрессор

Торможение транскрипции

ДНК

Б

- РНК-полимераза, - активатор, - репрессор

Промотор Оператор Ген

Рис.70. Влияние белков регуляторов (активатора и репрессора) на связывание РНК-полимераза с промотором и модификация транскрипции. А – активатор связался с оператором и активировал связывание РНК-полимеразы с промотором. Синтез РНК увеличился. Б – репрессор связался с оператором и частично с промотором препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором. Транскрипция не происходит.

а. В случае активации активатора транскрипция усилится, в случае активации репрессора транскрипция прекратиться.

б. В случае инактивации активатора транскрипция снизится, в случае инактивации репрессора транскрипция усилится.

Таким образом, субстрат и продукт могут выступать как активаторы транскрипции – тогда их называют индукторами (см. рис. 71) или как ингибиторы – тогда их называют корепрессоры (см. рис. 72).

Приведём пример регуляции экспрессии гена на примере кишечной палочки, утилизирующей из среды лактозу. Клетки E.coli в качестве источника углерода,

Усиление транскрипции

А

Активатор

Индуктор

Репрессор

Инактивация

Усиление транскрипции

Б

Рис. 71. Влияние индуктора на активатор (активация) и репрессор (инактивация) и модификация транскрипции. Обозначения те же что и на рис.

обычно используют глюкозу, расщепляя её специальными ферментами. При её отсутствии и наличии в среде лактозы клетки через несколько минутначинают утилизировать и этот дисахарид.

Теория оперона объясняет это явление следующим образом. В кишечной палочке имеются гены способные утилизировать лактозу. В

её отсутствии нет необходимости для их синтеза, поэтому репрессор, связанный с оператором, блокирует движение РНК-полимеразы и транскрипция гена, контро-

лирующего синтез фермента расщепляющего лактозу, не осуществляется. При наличии в среде лактозы последняя взаимодействует с репрессором инактивируя его, в результате он теряет способность связываться с оператором. РНК-полимераза свободно проходит через оператор, транскрибируя иРНК, которая реализует информацию (в рибосомах) в фермент, расщепляющий лактозу.

РНК-полимераза с трудом

осаждается на промоторе

А Торможение транскрипции

ДНК

Инактивация

активатора

Корепрессор

Инактивированный ре-

прессор активируется

Торможение транскрипции

Б ДНК

Рис. 72. Влияние корепрессора на репрессор (активация) и индуктор (инактивация) и модификация транскрипции. Обозначения те же что и на рис..