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).

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."