Лактозний оперон - приклад індуцибельних оперонів

Приклади оперонів

Конститутивні гени і білки

Проте перш ніж звернутися до оперонів, відмітимо: подобним чином регулюється активність далеко не усіх генів.

Багато генів є конститутивними, тобто увесь час знаходяться в активному стані, і швидкість їх транскрипції не піддається виборковійрегуляції (хоча і може змінюватись у зв'язку із зміною загального стану клітини). Такі гени кодують білки (у т. ч. ферменти), постійно необходні клітині.

Ці білки (як і гени) теж називаються конститутивними. Для кишкової палички до подібних білків відносяться наприклад, ферменти метаболізму глюкози.

Але швидкість транскрипції різних конститутивних генів може не співпадати. Цьому може бути декілька причин.

а) Одна з них - різна спорідненість промоторів до РНК-полімерази або, як то кажуть, різна "сила" промоторів.

У деяких конститутивних генів промотор має високу спорідненість до РНК-полімерази (тобто є "сильним"). По цьому тут молекули РНК полімерази зв'язуються з промотором часто, чому за одиницю часу утворюється велике кількість копій мРНК.

У промоторів інших генів невисока спорідненість до РНК-полімеразі. Відповідно, молекули цього ферменту зв'язуються рідко, і утворюється значно менше копій мРНК.

б) Друга можлива причина заключається в самій РНК-полімеразі. Як буде сказано пізніше, одна з її субодиниць (т. з. сигма фактор) служить для впізнавання промоторів, виступає як спрощений аналог загальних чинників транскрипції еукаріот.

У різних умовах існування клітини бактерії утворюються сигма-фактори, що впізнають різні промотори. Так, особливі сигма-фактори відповідають звичайним умовам, азотному голодуванню, тепловому шоку і стану споруляції. У кожному з цих випадків РНК-полімераза зв'язується з промоторами одних генів і не зв'язується з промоторами інших генів.

Таким чином, у бактерій використовуються два принципових способи регуляції експресії генів :

· регуляція зв'язування РНК-полімерази з промоторами (за рахунок природи промотора, природи сигма-фактора РНК-полімерази, а також, як ми побачимо на прикладі лактозного оперону, спеціального білку САР);

· регуляція переміщення РНК-полімерази, що зв'язалася, від промотора до власне генам (при "чисто" оперонному механізмі регуляції).

Лактозний оперон цікавий тим, що тут в одній регуляторній системі використовуються відразу обоє тільки що названих принципових підходи - регуляція і зв'язування РНК-полімерази, і її переміщення через оператор.

Причому, існують і інші оперони зі схожим принципом організації. Усі вони є індуцибельними і усі контролюють розпад (катаболізм) поступаючих ззовні поживних речовин. В той же час не для усіх таких речовин є оперонний принцип регуляції, наприклад глюкоза.

Отже, звернемося до лактозного оперону.

Схема лактозного оперону: Пр –промотор, О- оперон, С-СДР (білковий оператор катаблізму), Е- РНК-полімераза, R_л – репресор лактозного оперона, F₁ – β-галактозідаза, Е₂ – пермеаза, Е₃ – трансацетилаза, АЦ – аденінлатциклази.

Він включає три гена. З них перші два кодують ферменти утилізації лактози : пермеазу і β-галактозідазу.

Пермеаза потрібна для проникнення лактози із зовнішнього середовища в клітину. Навіть при "вимкненому" опероні є невелика кількість пермеази. Тому при появі в зовнішньому середовищі лактози якась кількість її може проникати всередину і робити сигнальну дію на лактозний оперон.

Другий фермент - β-галактозідаза - каталізує розпад лактози на глюкозу і галактозу. Останні далі вступають в катаболічні перетворення, що забезпечуються конститутивними ферментами. При "вимкненому" опероні є невелика активність і цього ферменту. Це важливо тому, що паралельно з основною реакцією (гідролізом лактози) відбувається і побічна - ізомеризація лактози в аллолактозу (де галактоза і глюкоза сполучені не 1,4-, а 1,6-глікозидним зв'язком). І саме аллолактоза, а не лактоза, є регулятором активності оперону.

Конкретно, аллолактоза, з'являючись в клітині за наявності в зовнішньому середовищі лактози, зв'язується з лактозним репресором. Цей білок кодується спеціальним геном, має 4 субодиниці і у відсутність аллолактози зв'язується з оператором лактозного оперону, блокуючи транскрипцію генів оперону. Аллолактоза ж, зв'язуючись з репрессором, знижує його спорідненість до оператора, що деблокує гени. Таким чином, при появі поза клітиною лактози відбувається активація лактозного оперону і інтенсивне утворення в клітині ферментів утилізації лактози.

Але це має місце тільки тоді, коли в зовнішньому середовищі немає глюкози. Якщо ж там досить глюкози, то біологічного сенсу у використанні лактози вже немає. Відповідно до цього, глюкоза перешкоджає активації лактозного оперону навіть у присутності великих кількостей лактози.

Досягається це шляхом впливу на зв'язування PHK -полімерази з промотором. Річ у тому, що промоторна область в лактозном опероні (і в схожих з ним оперонах) ширша, ніж зазвичай, і здатна зв'язувати не лише РНК-полімеразу, але і особливий білок CAP (catabolite gene activator protein), білковий активатор катаболізму.

У відсутність САР РНК-полімераза дуже погано зв'язується з промотором лактозного оперону, а САР змінює структуру промотора різко підвищуючи його спорідненість до РНК-полімерази. По суті, САР відіграє у бактерій приблизно ту ж роль, що загальні чинники транскрипції у еукариот. Тільки САР потрібний для діяльності лише деяких оперонів, тоді як загальні чинники транскрипції - для функціонування будь-якого гена еукариот.

Зв'язування САР з промотором відбувається, тільки якщо САР знаходиться в комплексі з циклічним АМФ (цАМФ). Останній утворюється з АТФ під впливом фермента аденінлатциклази.

У відсутність глюкози активність аденінлатциклази висока, в клітині - достатня концентрація цАМФ, тому САР пов'язаний з лактозним промотором, до якого легко приєднується РНК-полімераза. У цих умовах активності оперону залежить тільки від того, вільний або ні оператор, тобто від наявності в зовнішньому середовищі лактози.

Якщо ж є глюкоза, то активність аденінлатциклази виявляється пониженою, тому у результаті промотор залишається без САР і практично втрачає спорідненість до РНК-полімерази. Лактозний оперон не функціонує, а в якості поживного субстрата використовується глюкоза.

Досі ми згадували два ферменти лактозного оперона - пермеазу і β-галактозідазу. Третій ген оперон кодує трансацетилазу - фермент, що каталізує in vitro ацетилювання тіогалактозіда. Чи має трансацетилаза будь-яке відношення до обміну лактози і чому її ген знаходиться в лактозном опероні, неясно.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Регуляторні і конститутивні гени	\|	Гени рибосомних РНК

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.