2.Регуляция экспрессии генов прокариот. 2.1.Регуляция

2.Регуляция экспрессии генов прокариот.
2.1.Регуляция экспрессии генов.
Сравнение механизмов регуляции в 3 доменах (Археи, Бактерии, Эукариоты).
Транскрипционные единицы: опероны и регулоны.
Регуляция на примере лактозного оперона.
Положительная и отрицательная регуляция транскрипции, индуцибельные и
репрессибельные гены.
Смешанный механизм регуляции.
Регуляция метаболизма, поведения, морфологии бактерий осуществляется с
помощью контроля экспрессии генов. Прокариоты способны быстро меняться в ответ на
условия среды, переключая работу многих гены и оперонов. Для адаптации и экономии
ресурсов экспрессия должна строго регулироваться. Регуляция экспрессия эукариот
сложнее в сравнении с прокариотами и включает больше точек контроля. Контроль
осуществляется на уровне инициации и элонгации
транскрипции, трансляции и
посттрансляции. Экспрессия генов осуществляется с разной интенсивностью на
протяжении жизни бактерии. Например, хромосома Escherichia coli кодирует 4500 белков,
многие из которых не экспрессируются. Некоторые участки экспрессируются постоянно,
некоторые – раз за генерацию.
Ингибирование транскрипции не приводит к полному «выключению» гена. Синтез
иРНК
замедляется и
транскрипции»).
остается на очень
низком
уровне («базальный
уровень
Решение о синтезе фермента, метаболизирующего субстрат клетка
«принимает» в случае если в среде есть субстрат, но нет предпочтительного источника
углерода.
Регуляция экспрессии генов.
Регуляция работы генов у прокариотических форм имеет много общего, что
объясняется схожими чертами организации генома у безъядерных организмов Архей и
Бактерий. В то же время регуляторные механизмы Архей имеют большое сходство с
эукариотическими организмами.
Различные носители генетической информации прокариот (хромосомы, плазмиды,
фаги) равнозначны и экспрессируются под контролем одних и тех же регуляторных
механизмов. Пути регуляции, обнаруженные для одного типа структур, должны работать
и для других. Фаги точно соответствуют другим автономно реплицирующимся
генетическим элементам, например плазмидам.
1
Регуляция процессов транскрипции и трансляции обеспечивает все многообразие
адаптивных реакций и прохождение разных стадий жизненных циклов бактерий.
Например, у почвенных микроорганизмов Bacillus subtilis при понижении концентрации
питательных веществ запускаются процессы споруляции, вызванные изменениями в
работе генов. Другой пример регуляции биологических функций наблюдается у многих
патогенных организмов, при попадании в организм хозяина они приспосабливаются к
температуре и высокой концентрации питательных веществ.
Сравнение механизмов регуляции в 3 доменах (Археи, Бактерии, Эукариоты).
Уровни регуляции активности генов в трех доменах жизни.
Механизмы транскрипции и трансляции схожи у всех живых организмов. Бактерии
не содержат гистонов (за исключением некоторых Архей), их ДНК более доступна для
РНК-полимеразы, в то же время Эукариоты имеют дополнительные этапы регуляции,
связанные
с
изменением
моноцистронны,
структуры
хроматина.
обработка
иРНК
требуется
Молекулы
(кэпирование,
РНК
у
эукариот
полиаденилирование,
вырезание интронов). У прокариот транскрипция и трансляция происходят совместно.
Регуляция у Бактерий.
Уровень
Субстрат
регуляции
регуляции
Транскрипция
Ген (ДНК)
Эффект регуляции
Регуляторные белки запускают транскрипцию
Аттеньюация,
метаболиты
–
обрыв
транскрипции
Трансляция
иРНК
Репрессорные
белки
останавливают
трансляцию. Антисмысловые РНК тормозят
начало трансляции.
Посттрансляция
Полипептид
Малые молекулы связываются (нековалентно)
с белками, продукты метаболических путей
(ингибирование по типу «обратной связи»).
Ковалентные модификации
(обратимые –
фосфорилирование и необратимые – удаление
аминокислот).
2
Регуляция у Архей.
Уровень
Субстрат
регуляции
регуляции
Транскрипция
Ген (ДНК)
Эффект регуляции
Регуляторные
белки
запускают
транскрипцию
Уровень компактизации хроматина может
влиять на запуск транскрипции.
Трансляция
иРНК
Антисмысловые РНК тормозят начало
трансляции.
Посттрансляция
Полипептид
Малые
молекулы
(нековалентно)
с
связываются
белками,
продукты
метаболических путей (ингибирование по
типу «обратной связи»).
Ковалентные модификации (обратимые –
фосфорилирование и необратимые
–
удаление аминокислот).
Регуляция у Эукариот.
Уровень
Субстрат
регуляции
регуляции
Транскрипция
Ген (ДНК)
Эффект регуляции
Регуляторы транскрипции
Уровень компактизации хроматина может
влиять на запуск транскрипции.
Метилирование ДНК (обычно ингибирует)
Обработка иРНК
Пре-иРНК
Альтернативный сплайсинг, редактирование
иРНК.
Трансляция
иРНК
Фосфорилирование факторов трансляции.
Регуляторные белки связываются с РНК.
Антисмысловые
РНК
тормозят
начало
трансляции.
Посттрансляция
Полипептид
«Обратная
модификации.
3
связь»
и
ковалентные
История открытия регуляции.
1900г. Эмиль Дюкло обнаружил спобность Aspergillus niger продуцировать
фермент гидролизующий сукрозу только в присутствии субстрата.
Также в 1909г. Ф.Динерт обнаружил, что дрожжи содержат фермент галактозидазу
только на среде с галактозой.
1930г. Х.Картстрём предложил разделить ферменты на 2 класса: адаптивные и
конститутивные.
1942г. Жак Моно обнаружил, что аналоги галактозы также вызывают продукцию
фермента. Концентрация и скорость роста не влияли на индукцию синтеза фермента,
который синтезировался вновь в клетке, а не формировался из предшественника под
действием галактозы. Позже Ледерберг, Моно, Жакоб и Парди обнаружили наличие гена,
синтезирующего продукт ингибирующий запуск синтеза галактозидазы.
1961г. Жакоб и Моно назвали этот продукт репрессором, предположив его
белковую природу. Комплекс оператора (сайта структурного гена, запускающего синтез
фермента) и генов, которые он контролирует, назвали оперон.
1967г. У.Гилберт и Б. Мюллер-Хилл изолировали репрессор, доказали его
белковую природу.
Транскрипционные единицы: опероны и регулоны.
Эффективная адаптация к резким изменениям окружающей среды предполагает
возможность очень быстрого изменения активности ферментов и менее быстрого
изменения активности генов. Экспрессия генов должна регулироваться для экономного
использования клеточных ресурсов, некоторые ферменты требуются в виде единичных
копий, другие в количестве многих тысяч. Исследования Е. coli показали, что у бактерий
существуют ферменты 3 типов:

конститутивные,
присутствующие
в
клетках
в
постоянных
количествах
независимо от метаболического состояния организма (например, ферменты гликолиза);

индуцируемые, их концентрация в обычных условиях мала, но может возрастать в
100 раз и более;

репрессируемые,
т.е.
ферменты
метаболических
путей,
синтез
которых
прекращается при добавлении в среду выращивания конечного продукта этих путей.
Современные представления об организации прокариотических генов описываются
оперонной моделью. Оперон представляет транскрипционную единицу, содержащую
4
один (моноцистронный) или несколько (полицистронный) генов, а также старт и стоп
сигналы для РНК-полимеразы. Опероны кодируют ферменты, структурные компоненты
клетки, белки необходимые для дифференцировки и деления клеток.
Опероны, находящиеся в разных частях хромосомы, но управляемые общим
регулятором составляют регулон. Активация регулона включает координированную
работу нескольких оперонов, выполняющих общую функцию. Структура оперонов и
регулонов лежит в основе разнообразных механизмов регуляции генной активности и
обеспечении координированной экспрессии генов, однотипного контроля функционально
близких генов, интеграции генов, синтез генных продуктов в правильной пропорции.
Структура оперона обычно включает промотор (точку начала транскрипции),
лидерную
РНК,
цистроны,
участок,
кодирующий
сайт
связывания
рибосомы,
регуляторный элемент и сигнал терминации транскрипции.
Промотор определяет связывание РНК-полимеразы и контролирует скорость
инициации транскрипции. Точка начала транскрипции (tsp) – сайт инициации
транскрипции, между tsp и первым цистроном находиться лидерная РНК, кодирующая
лидерный полипептид. Далее располагается цистрон – структурный ген,начинающийся со
стартового кодона, кодирующего формилметионин у бактерий и заканчивающийся
бессмысленным стоп-кодоном. В полицистронном опероне открытые рамки считывания
двух последовательных цистронов могут перекрываться. Значительное перекрытие
характерно для геномов бактериофагов. Участок, отвечающий за связывание рибосомы
(rbs) представляет богатый пуринами участок, состоящий из 5 нуклеотидов и
предшествующий каждому стартовому кодону.
Регуляция на примере лактозного оперона.
Лактозный оперон.
При выращивании E.coli на среде с лактозой, содержание лактозы достигает 3000
молекул на клетку, без лактозы – 3 молекулы. Фермент галактозидаза расщепляет лактозу
на галактозу и глюкозу. Галактозидаза – индуцибельный фермент, кодируется
индуцибельными генами. Лактоза – индуктор.
Промотор – связывает РНК-полимеразу. Регуляторный элемент – участок ДНК,
примыкающий к промотору и связывающий белок-регулятор (активатор или репрессор).
5
6
Схема связывания репрессора с промоторным участком.
Особенности белков-активаторов.
белков
На оперон могут воздействовать одновременно специфический и общий
активаторы. Активаторы не являются особой группой белков. Многие метаболические
ферменты являются активаторами. Пример: репаративный белок Ada устраняет алкильные
группы. Алкильные (метильные)
(метильные) группы переносяться на сам белок, его метилированная
модификация (meAda) – служит активатором транскрипции собственного гена.
Положительная и отрицательная регуляция транскрипции
транскрипции, индуцибельные и
репрессибельные гены.
Лактозный оперон представляет пример отрицательного (белок регулятор,
связывая ДНК, тормозит транскрипцию), индуцибельного (при появлении субстрата –
лактозы, запускается синтез галактозидазы) контроля генов. Положительными обозначают
пути регуляции, в которых белок
белок выполняет функции активатора, связывая ДНК, он
активирует транскрипцию сайта. Также регуляцию можно разделить на индуцибельную
(запуск транскрипции в присутствии субстрата) и репрессибельную (торможение
транскрипции в присутствии субстрата). В таблице приведены
приведены различные возможные
типы регуляции активности генов.
Стратегия Функция
Регулятор-
Регулятор7
Эффектор
Нет
транс-
контроля
ный
ный белок
крипции
элемент
Отрицател
Катаболизм Оператор
Репрессор
Индуктор
Репрессор
Анаболизм
Апорепрессо
Корепрес
Корепрессор
Апорепрес-
ьный
(индуцибе
льный)
Отрицател
Оператор
ьный
р
сор+
(репрессиб
корепрессор
ельный)
Положител Катаболизм Сайт
ьный
Апоактиватор Коактива
Коактиватор
Апоактиватор
Активатор
Активатор
активации
(индуцибе
льный)
Положител Анаболизм
Сайт
ьный
активации
Ингибитор
+
ингибитор
(репрессиб
ельный)
Отрицательный контроль индуцибельных генов.
генов
Пример: лактозный оперон.
В отсутствии индуктора, репрессорный белок блокирует транскрипцию. При
появлении индуктора, комплекс (репрессор+индуктор)
(репрессор+индуктор) теряет способность связывать с
ДНК, РНК-полимераза
полимераза получает доступ к промотору.
Отрицательный контроль репрессибельных генов.
8
Пример: оперон синтеза триптофана.
В отсутствии корепрессора белок-репрессор
белок репрессор не способен связываться с ДНК,
транскрипция идет
ет нормально.
Корепрессор (триптофан) связывается с репрессором, который блокирует оператор.
Положительный контроль индуцибельных генов.
генов
Пример: оперон деградации арабинозы.
Активаторный белок (апоактиватор)
(апоактиватор) способен связываться с сайтом активации на
ДНК только в комплексе с индуктором (арабиноза).
Положительный контроль репрессибельных генов.
генов
Пример: оперон синтеза лейцина.
Активаторный белок связывается с ДНК и запускает транскрипцию. Ингибитор
присоединяется
иняется к активатору и делает его неспособным связаться с ДНК.
Смешанный механизм регуляции.
9
Многие регуляторные белки не являются только активаторами или репрессорами,
но выполняют обе этих функции. Регулятор может действовать как репрессор на один
промотор и активатор на другой. Такое явление открыт на примере бактериофагов λ E. сoli
и φ29 Bacillus subtilis.
У фага λ регуляции экспрессии белка CI включает 2 промотора: PRM и PR. В
состоянии профага, регулятор CI синтезируемый с промотора PRM действует как
репрессор PR, который служит промотором в литическом цикле развития этого фага.
Уровень CI поддерживается постоянным для сохранения состояния профага. При
концентрациях CI, характерных для лизогенного штамма, белок, репрессируя PR,
активирует PRM. При высоких концентрациях CI действует как репрессор для PRM,
подавляя собственный синтез.
10