Регуляция экспрессии генов у прокариот

Размещено на http://www.allbest.ru/

“Регуляция экспрессии генов у прокариот ”

Содержание

Введение

1. Биосинтез РНК

1.1 Теория оперона

1.2 Регуляция транскрипции оперонных генов

1.3 Индукция синтеза белков .Lac-оперон

1.4 Контроль экспрессии лактозного оперона E.coli. Негативный индуцибельный контроль

1.5 Позитивный индуцибельный контроль

Приложения

Введение

Экспрессия гена - реализация генетической информации , закодированной в ДНК. Осуществляется в процессах транскрипции и трансляции .В более полном смысле это понятие включает в себя взаимодействие конечных продуктов генов между собой ,так как далеко не все синтезированные РНК и белки могут проявить себя в фенотипе .[ 1]

Примечательной особенностью экспрессии генов у прокариот является то , что начало транскрипции у бактерий во многом зависит от белков-регуляторов ,которые определяют доступность РНК-полимеразы к промотору . Помимо этого , для регуляции генной экспрессии важное значение имеет состояние хроматина , его третичная структура .У прокариотических организмов уровень экспрессии генов на конкретном участке ДНК зависит от уровня его механического напряжения [1]

Также известно , что в экспрессии генов берут участие ферменты , исследования на клетках E.coli позволили установить , 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 1000 раз и более , если , например , в среду культивирования клеток добавить субстрат такого фермента ;

Репрессируемые , т.е ферменты метаболических путей , синтез которых прекращается при добавлении в среду выращивания конечного продукта этих путей .[3]

биосинтез ген оперон экспрессия

1. Биосинтез РНК(Транскрипция)

Синтез РНК можно представить следующей схемой :

Субстратами реакции служат трифосфаты рибонуклеозидов .Реакция идет только в присутствии ДНК , выполняющей роль матрицы .Матрицей служит одна из цепей ДНК , называемая матричной (а также кодирующей , значащей ) цепью. Все синтезированные молекулы РНК имеют структуру , комплементарную матрице , т.е. одной из цепей ДНК. Поскольку РНК представляет собой одноцепочечную молекулу (спирализованные участки составляют лишь часть молекулы ) , стехиометрические коэффициенты для всех четырех субстратов различны .

Транскрипцию катализируют РНК-полимеразы I ,II и III. Первый из этих ферментов участвует в синтезе рибосомных РНК , второй - матричных и третий - транспортных РНК. В процессе транскрипции различают стадии инициации , элонгации и терминации . В результате транскрипции образуются предшественники тРНК , рРНК и мРНК - первычные транскрипты. Затем в ядре и в цитоплазме происходит посттранскрипционная доработка (созревание) этих предшественников , и получаются функционально активные рибонуклеиновые кислоты .

Синтез матричных РНК

Инициация .РНК-полимераза II присоединяется к матрице не в любом ее месте , а в специальных участках , которые называются промоторами .

Промотор содержит последовательность , обогащенную нуклеотидами Т и А (ТАТА- последовательность ),узнаваемую белком ТАТА-фактором .РНК-полимераза присоединяется к промотору , если ТАТА- последовательность связана с ТАТА-фактором .Матрицей для синтеза РНК служит одна из цепей ДНК ; промотор с ТАТА-фактором обеспечивают узнавание РНК-полимеразой тран

1.1 Теория оперона

На основании генетических исследований индукции в-галактозидазы, участвующей в клетках E.coli , в гидролитическом расщеплении лактозы ,Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1961 г. Сформулировали гипотезу оперона , которая объясняла механизм контроля синтеза белков у прокариотов .

В экспериментах гипотеза оперона получила полное подтверждение , а предложенный в ней тип регуляции стали называть контролем синтеза белка на уровне транскрипции, так как в этом случае изменение скорости синтеза белков осуществляется за счет изменения скорости транскрипции генов , т.е на стадии образования мРНК.

У E.coli , как у других прокариотов , ДНК не отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой . В процессе транскрипции образуются первичные транскрипты , не содержащие интронов , а мРНК лишены «кэпа» и поли -А-конца . Синтез белка начинается до того , как заканчивается синтез его матрицы , т.е транскрипция и трансляция протекают почти одновременно .Исходя из размера генома , каждая клетка E.coli содержит информацию о нескольких тысячах белков .Но при нормальных условиях роста она синтезирует около 600-800 различных белков , а это означает , что многие гены не транскрибируются , т.е не активны .Гены белков , функции которых в метаболических процессах тесно связаны , часто в геноме группируются вместе в структурные единицы (опероны) .Согласно теории Жакоба и Моно , оперонами называют участки молекулы ДНК , которые содержат информацию о группе функционально взаимосвязанных структурных белков , и регуляторную зону, контролирующую транскрипцию этих генов . Структурные гены оперона экспрессируются согласованно , либо все они транскрибируются , и тогда оперон активен , либо один из генов не «прочитывается « , и тогда оперон неактивен .Когда оперон активен и все его гены транскрибируются , то синтезируется полицистронная мРНК, , служащая матрицей для синтеза всех белков этого оперона .Транскрипция структурных генов зависит от способности РНК-полимеразы присоединяться к промотору , расположенному на 5'- конце оперона перед структурными генами .

Связанные РНК-полимеразы с промотором зависит от присутствия белка-репрессора на смежном с промотором участке , который называют «оператор « .Белок -репрессор синтезируется в клетке с постоянной скоростью и имеет сродство к оперативному участку .Структурно участки промотора и оператора частично перекрываются , поэтому присоединение белка-репрессора к оператору создает стерическое препятствие для присоединения РНК-полимеразы .

Большинство механизмов регуляции синтеза белков направлено на изменение скорости связывания РНК-полимеразы с промотором , влияя таким образом на этап инициации транскрипции .Гены , осуществляющие синтез регуляторных белков , могут быть удалены от оперона , транскрипцию которого они контролируют .[3]

1.2 Регуляция транскрипции оперонных генов

Регуляция экспрессии генов с помощью факторов транскрипции может осуществляться по позитивному или негативному принципу . Если наличие регулятора на промоторе(строение прокариотического промотора Приложение 1) гена стимулирует экспрессию , обеспечивая посадку на промотор РНК-полимеразы , то этот тип регуляции называют позитивным .Если же регулятор ,наоборот, препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором , то такую регуляцию называют негативной .

Активность экспрессии бактериальных оперонных генов преимущественно определяется регуляторными белками-репрессорами , связывающими оператор .При связывании белком -регулятором оперативного участка активность генов репрессируется (негативная регуляция ) .Уровень активности оперонных генов может регулироваться также и по позитивному типу . В этом случае регулятор связывается не с оператором , а с особой областью промотора , в результате чего обеспечиваются дополнительные участки связывания РНК-полимеразы ,а транскрипция оперонных генов ,соответственно , активируется .

Способность белков ,модулирующих активность экспрессии у бактерий , связываться с регуляторными участками оперона часто зависит от низкомолекулярных веществ .

В зависимости от того , как малые молекулы , связывающиеся с регуляторами , влияют на активацию , опероны называют индуцибельными или репрессибельными , а низкомолекулярные регуляторы соответственно индукторами или корепрессорами . В репрессибельных оперонах белок-репрессор связывается с оператором и ингибирует экспрессию в присутствии малых молекул корепрессора , а индуцибельные опероны активируются в присутствии коиндукторов .

Низкомолекулярные коиндукторы и корепрессоры , которые связываются с белковыми регуляторами , как правило , функционально связаны с белковыми продуктами генов .Например , если гены оперона кодируют ферменты , то низкомолекулярные регуляторы могут быть представлены субстратами или продуктами тех реакций , которые катализируются данными ферментами .Так экспрессия триптофанового оперона репрессируется триптофаном , а при низкой концентрации или при полном его отсутствии наблюдается повышение активности транскрипции .Низкомолекулярными регуляторами могут быть также вещества , не являющиеся субстратами или продуктами реакций .К примеру , лактозный оперон контролируется не лактозой , а ее стериоизомером аллолактозой .Подобные соединения называют добровольными индукторами .

Регуляцию с участием белковых и низкомолекулярных регуляторов можно разделить на четыре типа .

1 .Негативная репрессибельная :

Белковый регулятор -репрессор;

Низкомолекулярный регулятор- корепрессор .

Оперон находится в активном состоянии при отсутствии или низких концентрациях корепрессора , когда репрессор имеет низкое сродство с оператором .Появление в клетке корепрессора в соответствующих концентрациях способствует связыванию репрессора с оператором В результате РНК-полимераза вытесняется из промотора и транскрипция ингибируется .

2.Негативная индуцибельная :

Белковый регулятор- репрессор ;

Низкомолекулярный регулятор - индуктор .

Репрессор в присутствии индуктора теряет сродство с промотором и позволяет РНК-полимеразе инициировать трансляцию .При низких концентрациях индуктора (или полном его отсутствии ) ген репрессирован.

3.Позитивная индуцибельная :

Белковый регулятор - активатор ;

Низкомолекулярный регулятор - индуктор .

Активатор в присутствии индуктора связывается с регуляторным участком гена и стимулирует посадку РНК-полимеразы на промотор .Экспрессия оперона усиливается :

4.Позитивная репрессибельная :

Белковый регулятор - активатор ;

Низкомолекулярный регулятор - корепрессор .

При отсутствии корепрессора в клетке активатор и РНК-полимераза связаны с промотором - ген активен .Повышение концентрации корепрессора снижает сродство активатора с промотором.РНК-полимераза тоже диссоциирует от промотора и экспрессия ингибируется .[1]

1.3 Индукция синтеза белков .Lac-оперон

Теория оперона была предложена на основании данных , полученных при изучении свойств лактозного оперона (lac-оперона ) E.coli, т.е оперона , в котором закодированы белки , участвующие в усвоении лактозы .

Клетки E.coli обычно растут на среде , используя в качестве источника углерода глюкозу .Если в среде культивирования глюкозу заменить на дисахарид лактозу , то по прошествии нескольких минут клетки адаптируются к изменившимся условиям .Они начинают продуцировать 3 белка , обеспечивающих утилизацию лактозы .Один из этих белков - фермент в-галактозидаза , катализирующий гидролитическое расщепление лактозы до глюкозы и галактозы .

Гидролиз лактозы в-галактозидазой

В присутствии глюкозы клетки E.coli содержат менее 10 молекул этих ферментов на клетку .Перенос клеток на среду , содержащую лактозу , вызывает индукцию - увеличение количества молекул каждого из ферментов до 5000(Приложение 2).

Теория оперона обьясняет это явление следующим образом .В отсутствие индуктора (лактозы) белок-репрессор связан с оператором .А поскольку участки оператора и промотора перекрываются , то присоединение репрессора к оператору препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором , и транскрипция структурных генов не идет .Когда в среде появляется индуктор , т.е лактоза , то он присоединяется к белку-репрессору , изменяет его конформацию и снижает сродство к оператору . РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены .[3]

1.4 Контроль экспрессии лактозного оперона E.coli

Негативный индуцибельный контроль

Лактозный оперон (lac-оперон) , как и большинство других полицистронных генетических структур , кодирует последовательности нескольких функционально связанных белков .Три структурных гена lacZ , lacY и lacA кодируют , соответственно , в-галактозидазу (катализирует расщепление в-галактозидной связи ), пермеазу ( осуществляет трансмембранный перенос низкомолекулярных веществ , в том числе лактозы) и в-галактозилтрансацетилазу (ацетилирует галактозу).

Со стороны промотора lacP к оперону примыкает регуляторный ген lacI, который кодирует белок-репрессор , связывающий оператор lacО в отсутствии аллолактозы-стереоизомера лактозы. Оператор занимает область размером около 26 п.н., которая находится в пределах нуклеотидов с положениями от -5 до +21.Частично область оператора перекрывается с промотором lacP , поэтому наличие репрессора на операторе не дает возможности РНК-полимеразе связаться с промотором и индуцировать транскрипцию .

Ген lacI транскрибируется независимо от регуляторов с постоянной скоростью .А поскольку процессы образования и распада продукта этого гена имеют равные соотношения , это обеспечивает постоянное присутствие в клетке определенного количества репрессора .Поскольку продукт этого гена является трансдиффундирующим , нет жесткой необходимости его расположения в пространственной близости возле оперона .Действительно , в отличие от гена lacI большинство регуляторных генов , кодирующих белки-репрессоры , распологаются на некотором удалении от оперонов , активность которых они контролируют .

Белок-репрессор lac-оперона (36Кд) взаимодействует с ДНК за счет N-терминальной области , состоящей из 59 аминокислотных остатков (1-59).Остальная часть молекулы (С-концевая область ) содержит аминокислотные остатки 60 -360 и носит название «ядра» .Аминокислотные остатки в положениях 50-80 составляют шарнир , соединяющий две структурные области , а остальные аминокислоты (81-360)определяют способность белка к образованию тетрамерной структуры и связыванию индуктора .

В области оператора присутствуют два участка связывания репрессора .Каждый из этих участков связывается димером репрессора .В результате на двух операторных участках в составе лактозного оперона формируется тетрамерная структура .Активный репрессор способен связываться с любым участком ДНК ,однако со специфическими последовательностями оператора связывается в 20 раз сильнее , чем с другими сайтами .

При наличии индуктора (аллолактозы) в клетке происходит его связывание аллостерическими центрами репрессора .Это приводит к изменению пространственной структуры молекулы репрессора , в результате чего сила его взаимодействия с оператором снижается примерно в тысячу раз .Репрессор легко покидает оператор , смещаясь на другие участки ДНК , уступая место РНК-полимеразе .Свободные молекулы репрессора при этом не появляются .Так происходит индукция экспрессии lac-оперона .

Следует заметить , что отсутствие лактозы не выключает лактозный оперон полностью .В неиндуктивных условиях поддерживается так называемый базальный уровень экспрессии , который обеспечивает минимальную концентрацию белковых продуктов гена .Когда в среде появляется лактоза , в-галактозидаза гидролизует ее ,а в результате побочной реакции осуществляется перенос галактозильного остатка на продукты на продукты гидролиза лактозы преимущественно с образованием аллолактозы и галактобиозы .Это имеет большое значение для индукции транскрипции lac-оперона , поскольку сама лактоза оказывает лишь незначительный индуцирующий эффект .

Согласно механизму индукции , lac-оперон относится к оперонам , экспрессия которых контролируется за счет негативной индуцибельной регуляции .Однако активность экспрессии lac-оперона может усиливаться также за счет позитивной индуцибельной регуляции .[1]

1.5 Позитивная индуцибельная регуляция

У ряда оперонов , кодирующих катаболитные гены , обнаружена способность связывать в области промотора особый регуляторный белок ,который так и называют :белок, активирующий катаболитный ген (БАК или СAP -catabolite activator protein ).САР обеспечивает дополнительные сайты связывания с РНК-полимеразой и способствует более эффективной ее посадке на промотор .По сути , САР можно рассматривать не как обязательный , а как усиливающий фактор индукции экспрессии некоторых оперонных генов .

Контроль активности lac-оперона через САР зависит не от наличия лактозы , а от концентрации глюкозы в среде и в клетке .Сродство САР с промотором зависит от концентрации сАМР в клетке .Повышение концентрации сАМР способствует повышению сродства САР с промотором и наоборот . Количество молекул сАМР определяется активностью двух ферментов :аденилатциклаза синтезирует сАМР из АТР , а фосфодиэстераза гидролизует фосфодиэфирную связь сАМР , превращая его в АМР. Активность обоих ферментов аллостерически регулируется глюкозой . Аденилатциклаза ингибируется глюкозой , а фосфодиэстераза ,наоборот , - активируется .Таким образом , если концентрация глюкозы достаточна для питания клетки , то активность аденилатциклазы низкая , а фосфодиэстеразы - высокая .Поэтому при наличии глюкозы в клетке поддерживается низкая концентрация сАМР ,следовательно , активации катаболитных генов , в том числе lac-оперона , не происходит .Снижение количества глюкозы приводит к противоположному результату :аденилатциклаза активируется , а активность фосфодиэстеразы , наоборот , угнетается .В результате концентрация сАМР увеличивается , и образуется комплекс сАМР-САР , который связывается с промотором и усиливает транскрипцию .

Молекула сАМР является довольно важной регуляторной молекулой в живом мире .У животных сАМР выполняет роль вторичного посредника в передаче гормонального сигнала (у растений возможность функционирования аденилатциклазной системы в процессах регуляции остается под вопросом ).У бактерий сАМР является сигналом отсутствия глюкозы в среде , потому эту молекулу называют «сигналом голода « у бактерий .

Двойная регуляция lac-оперона через репрессор и САР обеспечивает тонкую чувствительность бактериальной клетки к источнику питания и позволяет оптимизировать метаболизм в соответствии с принципами максимальной экономии . [1]

Приложение 1

Структура промотора у прокариот [4]

Приложение 2

Механизм индукции лактозного оперона .А - в отсутствие индуктора ( лактозы) белок -репрессор связан с оператором .РНК-полимераза не может присоединиться к промотору , транскрипция структурных генов оперона не идет ;Б- в присутствии лактозы белок -репрессор присоединяет ее , изменяет свою конформацию и теряет сродство к оператору .РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены :в-галактозидазы(А) , катализирующей гидролиз лактозы до глюкозы и галактозы ;галактозидпермеазы(В), осуществляющей транспорт лактозы и других галактозидов в клетки ; тиогалактозидтрансацетилазы(С) - фермента , способного переносить ацетильную группу ацетил-КоА на тиогалактозу .Функция его в процессе утилизации лактозы пока неясна .[3]

Размещено на Allbest.ru