Регуляция транскрипции у прокариот. Негативная и позитивная регуляция генной активности.

Единицей транскрипции у прокариот могут быть отдельные гены, но чаще они организованы в структуры, называемые оперонами. В состав оперона входят расположенные друг за другом структурные гены, продукты которых обычно участвуют водном и том же метаболическом пути. Как правило, оперон имеет один набор регуля-торных элементов (регуляторный ген, промотор, оператор), что обеспечивает координацию процессов транскрипции генов и синтеза соответствующих белков. Промотор -это участок ДНК, ответственный за связывание с РНК-полимеразой. В случае прокариот, наиболее важными для регуляции транскрипции являются последовательности, обозначаемые «—35» и «— 10». Нуклеотиды, расположенные до инициирующего кодона («вверх по течению») записываются со знаком «-», а со знаком «+» - все нуклеотиды, начиная с первого в инициирующем кодоне (стартовая точка). Направление, в котором продвигается процесс транскрипции, называется «вниз по течению». Последовательность, обозначаемая «-35» (TTGACA), отвечает за узнавание промотора РНК-полимеразой, а последовательность «-10» (или бокс Прибнова) является тем участком, с которого начинается раскручивание двойной спирали ДНК. В состав этого бокса наиболее часто входят основания ТАТААТ. Такая последовательность оснований чаще всего встречается в промоторах прокариот, ее называют консенсусной.

В состав ТАТА-бокса входят аденин и тимин, между которыми имеются только две водородные связи, что облегчает расплетание цепей ДНК в этом районе промотора. В случае замен пар оснований в указанных последовательностях промотора нарушается эффективность и правильное определение точки начала транскрипции, с которой фермент РНК-полимераза начинает синтез РНК. У прокариот наряду с промотором имеются и другие регуляторные участки: это активатор и оператор.

Оператор - участок ДНК, с которым связывается белок-репрессор, мешая РНК-полимеразе начать транскрипцию. В лактозном опероне левая часть промотора (активатор), связывается с белком-активатором катаболизма (БАК, или САР в английской терминологии, catabolite activator protein), а правая часть — с РНК-полимеразой. БАК-белок в отличие от белка-репрессора играет позитивную роль, помогая РНК-полимеразе начать транскрипцию. Возможны различные варианты взаимодействия регуляторных участков с ферментами и регуляторными белками, а последних - с молекулами, называемыми индукторами (эффекторами).

транскрипция у прокариот

Негативная и позитивная регуляция генной активности.

В зависимости от характера взаимодействия оператора и регуляторного белка у прокариот различают два типа регуляции активности генов в опероне: негативную и позитивную. При негативной, или отрицательной, регуляции связывание регуляторного белка с оператором репрессирует работу оперона, а при позитивной -наоборот, активирует его . В свою очередь негативной и позитивной могут быть как индукция, так и репрессия. В случае негативной индукции индуктор делает регуляторный белок неспособным связываться с оператором, и при этом структурные гены транскрибируются как, например, в лактозном опероне. При негативной же репрессии регуляторный белок приобретает свойства репрессора после взаимодействия с корепрессором. Таким корепрессором в триптофановом опероне служит накопленный в клетке триптофан, взаимодействие его с регуляторный белком приводит к подавлению транскрипции. При позитивной, или положительной, индукции под влиянием индуктора регуляторный белок (апоиндуктор) связывается с оператором и помогает РНК-полимеразе начать транскрипцию. В случае же позитивной репрессии корепрессор инактивирует апоиндуктор и тем самым способствует прекращению транскрипции.

Поскольку при транскрипции оперона, состоящего из нескольких структурных генов, образуется один общий транскрипт в виде молекулы полицистронной мРНК, все эти гены экспрессируются координированно.

Лактозный оперон. Наиболее хорошо изученный способ регуляции транскрипции у бактерий - негативная регуляция с использованием белков-репрессоров, которая обычно рассматривается на примере lac-оперона. Протяженность лактозного оперона вместе с регуляторным геном составляет 6000 п.н. Между регуляторным геном lac 1 и первым структурным геном lac Z расположены ко1тгролирующие элементы, каждый из которых состоит из нескольких десятков пар нуклеотидов. Промотор состоит из 85 п.н., оператор - из 26 п.н. Левая часть промотора связывается с белком-активатором (БАК, или САР), а правая часть с РНК-полимеразой. Все три гена Z, У, А транскрибируются на одну полицистронную мРН К, с которой последовательно транслируются соответствующие белки (галактозидаза, галактозид-пермеаза и трансацетилаза). Регуляторный ген lad, расположенный на некотором расстоянии от регуляторной части оперона, имеет свой промотор и терминатор. Белок, транслируемый с мРНК этого гена, называется репрессором, поскольку он, присоединяясь к оператору, преграждает путь РНК-полимеразе к структурным генам, препятствуя транскрипции.

Если единственным источником энергии служит лактоза, репрессор инактивируется в результате присоединения к нему ее молекул. При этом промотор остается открытым для продвижения РНК-полимеразы и инициации транскрипции структурных генов оперона. Мутации в гене белка-репрессора приводят к конститутивному синтезу белков лактозного оперона, поскольку при этом репрессор «не мешает» РНК-полимеразе транскрибировать структурные гены.

Рассмотренный механизм регуляции lac-оперона показывает, каким образом активируется синтез белков лактозного оперона при появлении в среде лактозы. Однако активации не происходит, если поставщиком углерода и энергии в среде служит только глюкоза. Существует механизм репрессии лактозного оперона, основанный на использовании белка-активатора САР. Этот белок играет роль регулятора для нескольких генетических систем, ответственных за использование лактозы, галактозы и арабинозы, как альтернативных источников энергии и углерода. Белок-активатор существенно увеличивает сродство РНК-полимеразы к соответствующим промоторам после присоединения к нему молекулы сАМР (циклического аденозинмонофосфага). В присутствии глюкозы уровень сАМР остается низким, и активации оперонов, ответственных за использование лактозы, галактозы и арабинозы, не происходит. Уровень сАМР в клетке возрастает при исчезновении глюкозы (сигнал «голода»), и белок САР вместе с молекулой сАМР присоединяется к ДНК в районе промоторов трех оперонов, создавая одно из необходимых условий для начала транскрипции.

- Читать далее "Специфическая регуляция генной активности. Методы регуляции генной активности."

Оглавление темы "Генные и хромосомные мутации.":
1. Регуляция транскрипции у прокариот. Негативная и позитивная регуляция генной активности.
2. Специфическая регуляция генной активности. Методы регуляции генной активности.
3. Неспецифическая регуляция генной активности. Компенсация дозы генов у дрозофилы.
4. Компенсация дозы генов у млекопитающих. Современная теория инактивации Х-хромосомы.
5. Регуляция генной активности на уровне репликации. Трансляционная и посттрансляционная регуляция генной активности.
6. Мутации. Теоритические основы мутационной изменчивости.
7. Геномные мутации. Гаплоидия. Полиплоидия.
8. Анеуплоидия. Нуллисомия. Моносомия. Полисемия.
9. Хромосомные мутации. Делеции. Дупликации.
10. Инверсии хромосом. Транслокации хромосом.

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: