Регуляция генной активности у прокариот

Схема регуляции активности генов на уровне транскрипции была впервые разработана Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961) на примере лактозного (lac)-оперона кишечной палочки (E.coli). Единица регуляции транскрипции была названа опероном. Оперон – это последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, участвующих в одной метаболической цепи, имеющих общий промотор и оператор.

E.coli быстро растет на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода глюкозу. Глюкоза – самый доступный и выгодный для E.coli источник углерода и энергии. Пока глюкоза имеется в достаточном количестве, клетка не нуждается в получении и переработке других сахаров.

После переноса клеток на среду, содержащую вместо глюкозы лактозу, рост сначала замедляется, а затем возобновляется с высокой скоростью. При этом бактерии синтезируют три необходимых для усвоения лактозы фермента:

· β-галактозидазу, которая расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу;

· пермеазу, необходимую для проникновения лактозы через клеточную мембрану;

· тиогалактозидазу.

Эти ферменты кодируются тремя структурными генами (соответственно Z, Y и А) лактозного оперона. Кроме структурных генов в состав оперона входят промотор и оператор. В схеме оперонной регуляции присутствует также ген-регулятор, кодирующий белок-репрессор. Однако ген-регулятор не входит в состав оперона и может находиться на расстоянии от него.

При отсутствии в среде лактозы активный белок-репрессор связывается с оператором, блокируя транскрипцию структурных генов. Хотя РНК-полимераза может связаться с промотором, она не перемещается дальше «выключенного» оператора (рис. 45А). При добавлении в среду лактозы ее молекулы связываются со специфическим участком репрессора, инактивируя его. У инактивированного репрессора резко снижается сродство к зоне оператора, в результате чего он отсоединяется, и РНК-полимераза начинает транскрипцию структурных генов (рис. 45Б).

Снижение концентрации субстрата – лактозы – вновь является сигналом к соединению белка-репрессора с оператором и прекращению транскрипции генов lac-оперона. Таким образом, синтез ферментов происходит только в том случае, если в них возникает необходимость. Данная схема регуляции называется «негативной», так как контролирующим транскрипцию фактором является негативный фактор, «выключатель» – белок-репрессор. Индукция (включение) происходит при потере сродства белка-репрессора к оператору.

Наряду с негативной системой регуляции, для lac -оперона существует и позитивная регуляция. Промотор лактозного оперона способен связывать не только РНК-полимеразу, но и особый белок-активатор катаболизма (САР) в комплексе с циклическим АМФ (рис. 46А).

Присутствие САР и цАМФ вызывает не репрессию, а напротив, активирование транскрипции. Без САР РНК-полимераза не может связаться с промотором и начать транскрипцию. САР, образовав комплекс с цАМФ,

активизируется и только после этого присоединяется к своему сайту (САР-участку) на промоторе, многократно (почти в 50 раз) усиливая транскрипцию генов lac -оперона. При этом транскрипция возможна только в присутствии лактозы, когда оператор не блокирован репрессором (рис. 46Б). В случае присутствия в среде глюкозы, концентрация цАМФ в клетке резко снижается, и не образуется комплекса цАМФ с САР. В результате этого РНК-полимераза не может связаться с промотором и lac-гены не транскрибируются.