Регуляция на уровне транскрипции

Положительный и отрицательный контроль регуляции работы генов (или оперонов) реализуется с помощью белков-регуляторов (R) и базируется на их природе. При положительном контроле белок-регулятор, связываясь с оператором, ускоряет сборку РНК-полимеразы и, следовательно, усиливает транскрипцию. При отрицательном контроле белок-регулятор (R) блокирует оператор, который часто перекрывается с промотором, и препятствует сборке РНК-полимеразы либо её продвижению по матричной цепи ДНК. Белки-регуляторы кодируются отдельными генами, расположенными вблизи оперона, внутри оперона среди структурных генов (при аутогенном контроле), либо далеко за пределами оперона.

Индукция и репрессия. Осуществление таких механизмов регуляции экспрессии генов, как индукция и репрессия, реализуется благодаря эффекторам. Генетические системы чутко реагируют на присутствие в клетке и окружающей среде питательных субстратов, тех или иных важных метаболитов, поэтому экспрессия «нужных» генов начинается только после появления в среде или в клетке соответствующих эффекторов – субстратов или конечных продуктовсинтеза. Белки-регуляторы являются посредниками между молекулой ДНК и эффекторами, запускающими тот или иной метаболический путь.

Для катаболических оперонов и генов характерна индукция. При этом эффекторами белков R являются сами субстраты (глюкоза, лактоза, глицерин и др.). Их называют индукторами и они являются эффекторами, усиливающими транскрипцию. В этом есть глубокий биологический смысл. Так, например, лактозный оперон, кодирующий три фермента катаболизма лактозы (бета-галактозидазу, пермеазу и трансацетилазу) включается только тогда, когда в среде появляется эффектор – субстрат лактоза, выступающий в качестве индуктора.

Для анаболических оперонов и генов характерна репрессия. При этом эффекторами для белков-регуляторов являются конечные продукты синтеза (например, аминокислоты, нуклеотиды), которые выступают в роли корепрессоров и способны угнетать транскрипцию. Например, у E. coli аминокислота триптофан, накопленная клеткой в результате синтеза в избыточном количестве, как корепрессор белка-регулятора (репрессора) блокирует синтез ферментов, закодированных в 5 генах триптофанового оперона. Т.е. эффектором (корепрессором) триптофанового оперона является сам триптофан.

Обобщая сказанное выше, еще раз подчеркнем:

· индукция характерна для катаболических оперонов, эффекторами являются субстраты, выступающие в роли индукторов;

· репрессия характерна для анаболических оперонов, эффекторами являются конечные продукты синтеза, выступающие в роли корепрессоров.

В условиях «in vivo» положительный и отрицательный контроль почти всегда сочетаются с индукцией и репрессией, т.е. в регуляции принимают участие и белки-регуляторы и эффекторы. Поэтому выделяют 4 типа классических оперонов:2 индуцибельных оперона – соответственно с положительным и отрицательным контролем и 2 репрессибельных оперона – также с положительным и отрицательным контролем. Рассмотрим их.

1. Индуцибельный оперон с отрицательным контролем – сочетание отрицательного контроля и индукции. Такой тип регуляции был обнаружен в лактозном опероне E. coli. Регуляция осуществляется следующим образом. Если в среде нет лактозы, то белок- регулятор, выступая в качестве репрессора (отрицательный контроль), блокирует операторную зону в данном опероне и препятствует транскрибированию генов. Как только лактоза появляется в среде, она как эффектор-индуктор связывается с белком-регулятором, изменяет его конформацию и уменьшает сродство к ДНК. В результате белок-регулятор (репрессор) отпадает от оператора, что «открывает путь» для РНК-полимеразы. Последняя осуществляет транскрипцию генов, кодирующих ферменты для катаболизма (утилизации) лактозы. Таким образом, лактоза путем индукции включает собственный оперон.

2. Индуцибельный оперон с положительным контролем – сочетаниеположительного контроля и индукции. Этот тип регуляции был обнаружен также у E. coli в мальтозном, рамнозном и арабинозном оперонах. Рассмотрим этот механизм на примере арабинозного оперона, который состоит из трех генов ara B, ara A, ara D, кодирующих ферменты для превращения L - арабинозыв D-ксилулозо-5-фосфат.В данном опероне белок-регулятор выполняет двоякую функцию. При отсутствии арабинозы в среде белок-регулятор выступает в качестве репрессора (отрицательный контроль), присоединяется к оператору и препятствует транскрипции. При появлении субстрата арабинозы в среде, она как индуктор связывается с белком-регулятором и, меняя его конформацию, превращает в белок-активатор (положительный контроль). Этот изменённый белок скользит в область промотора и, как активатор, усиливает сборку РНК-полимеразы и, следовательно, стимулирует транскрипцию. Следует отметить, что несмотря на название - «индуцибельный оперон с пложительным контролем» - на самом деле здесь имеет место более сложный тип регуляции, а именно, при отсутствии индуктора оперон «закрыт» белком-регулятором (отрицательный контроль), а появление индуктора «открывает» оперон для считывания (положительный контроль).

3. Репрессибельный оперон с отрицательным контролем – сочетание отрицательного контроля и репрессии. Обнаружено в триптофановом опероне E. coli, содержащем 5 генов ферментов, участвующих в синтезе триптофана из хоризмовой кислоты (хоризмата). Это типичный анаболический оперон, подверженный регуляции по типу репрессии. Регуляция его транскрипции осуществляется следующим образом. Если в клетке недостаточно триптофана, то оперон беспрепятственно считывается РНК-полимеразой и обеспечивает продукцию ферментов для синтеза триптофана. При этом белок-регулятор имеется в клетке, но в неактивной форме – в виде апорепрессора (неполноценного репрессора). Как только в клетке накапливается избыток триптофана, он как корепрессор соединяется с апорепрессором и делает его полноценным репрессором. Присоединение репрессора к оператору вызывает блокирование транскрипции (отрицательный контроль), в результате чего прекращается синтез ферментов и самого триптофана.

4. Репрессибельный оперон с положительным контролем – сочетание положительного контроля и репрессии. Такой тип регуляции пока не обнаружен, но предполагается, что белок-регулятор при недостатке конечного продукта в клетке выступает в роли белка-активатора (положительный контроль) и активирует транскрипцию. При накоплении конечного продукта в избытке он сам выступает в качестве корепрессора, связывается с белком-регулятором и превращает его в репрессор. Это приводит к блокированию синтеза ферментов и, как следствие, самого конечного продукта.

Катаболитная репрессия является примером смешанного механизма регуляции и первоначально была обнаружена в описанном ранее лактозном опероне E. coli при явлении, получившем название диауксия. Это явление наблюдается в том случае, если в среде имеется несколько углеводов (например, глюкоза и лактоза) и сводится к тому, что сначала утилизируется глюкоза, как легко усвояемый субстрат, за счет вовлечения в гликолиз. При этом лактозный оперон будет заблокирован до тех пор, пока глюкоза не будет исчерпана, т.е. синтез ферментов, расщепляющих второй субстрат, репрессируется. Отсюда и название – «катаболитная репрессия». По мере утилизации глюкозы происходит дерепрессия лактозного оперона и начинается транскрипция генов катаболизма лактозы. Рассмотрим, как реализуется этот механизм.

В лактозном опероне существует две системы регуляции. Первый регуляторный механизм уже был описан ранее как пример индуцибельного оперона с отрицательным контролем. Он релизуется в области оператора за счет белка-репрессора, действие которого убирается за счет связывания с индуктором лактозой. Однако этого недостаточно, чтобы началось транскрибирование генов оперона, поскольку оперон не может «включиться» до тех пор, пока с соседней областью промотора не свяжется другой специфический белок-регулятор САР (catabolite activator protein), т.е. пока не сработает вторая система регуляции. Связывание САР с промотором является необходимым условием присоединения РНК-полимеразы к ДНК. Однако эффектором САР является циклический АМФ (цАМФ), который в достаточном количестве появляется только после исчерпания глюкозы. Пока в среде есть глюкоза, она вовлекается в гликолиз с образованием АТФ. Как только глюкоза исчерпается, то количесто АТФ в клетке резко уменьшается, но возрастает концентрация цАМФ, который является сигналом голода. Под воздействием цАМФ белок САР модифицируется и как активатор присоединяется к промотору, ускоряя присоединение и сборку РНК-полимеразы и, тем самым, делая возможной транскрипцию генов лактозного оперона, то есть клетка переходит на питание лактозой.

Таким образом, в лактозном опероне функционирует две системы регуляции – одна на промоторе (индукция с положительным контролем), другая – на операторе (индукция с отрицательным контролем). На операторе контроль осуществляется с помощью белка-репрессора и индуктора лактозы, на промоторе «включение» оперона обеспечивается благодаря присоединению белка-регулятора САР и его эффектора цАМФ.

Аутогенный контроль (или аутогенная регуляция) осуществляется в тех оперонах, где один из структурных генов кодирует белок с двойными фунциями – и фермента и белка-регулятора. Принцип аутогенной регуляции состоит в том, что белок-регулятор управляет транскрипцией оперона и тем самым влияет на собственный синтез. То есть происходит саморегуляция оперона. Причем такой тип регуляции встречается в оперонах и с положительным и с отрицательным контролем. Это достаточно тонкая система регуляции, позволяющая приостановить или же наоборот активировать транскрипцию в соответствии с потребностями клетки на данный момент.Наиболее изучен подобный механизм на примере катаболического гистидинового оперона hut у сальмонелл, в котором один из генов кодирует синтез фермента, одновременно выступающего в роли белка-регулятора, притормаживающего транскрипцию.