Этот тип регуляции был открыт благодаря исследованиям Ф. Жакоба
и Ж. Моно, которые пытались выяснить, каким образом бактериальные
клетки реагируют на изменение условий окружающей среды. В частно-
сти, изучался синтез фермента β-галактозидазы у бактерий E. coli. Если
бактерии E. coli выращивать на среде с глюкозой, то β-галактозидаза не
синтезируется. Если клетки перенести в среду с лактозой, то содержание
фермента β-галактозидазы, участвующего в расщеплении лактозы, уве-
личивается в 1000 раз. Такая активация транскрипции называется индук-
цией. Одновременно с β-галактозидазой индуцируется синтез еще двух
ферментов: β-галактозидпермеазы, обеспечивающей транспорт лактозы
внутрь клетки через цитоплазматическую мембрану, и β-галактозид-
трансацетилазы. Установлено, что дефект в любом из трех генов, ответ-
ственных за синтез одного из этих ферментов, приводит к неспособности
утилизировать лактозу. При наличии в среде лактозы синтез трех фер-
ментов начинается одновременно. Это позволило предположить, что ге-
ны, ответственные за их синтез, располагаются на хромосоме рядом (об-
разуют кластер) и запускаются одним механизмом в ответ на воздейст-
вие индуктора – лактозы. Следовательно, в клетке бактерий должен быть
какой-то репрессор, который блокирует транскрипцию структурных ге-
нов в отсутствие индуктора. Как только индуктор инактивирует репрес-
сор, структурные гены, ответственные за синтез ферментов, выходят из-
под репрессии и начинается их транскрипция.
На основании полученных данных Ф. Жакоб и Ж. Моно предположи-
ли, что хромосома бактерий состоит из групп отдельных генов, имеющих
общую регуляцию и объединяемых в опероны. Опероном называют
группу функционально связанных между собой генов. Белки, кодируе-
мые генами одного оперона, – это, как правило, ферменты, катализи-
рующие разные этапы одного метаболического пути. Транскрипция ге-
нов оперона ведет к синтезу одной общей молекулы иРНК.
Lac-оперон состоит из кодирующей области, представленной тремя
структурными генами, ответственными за синтез ферментов: β-галакто-
зидазы, β-галактозидпермеазы и β-галактозидтрансацетилазы; а также из
промоторно-операторной области. Оператор представляет собой не-
большой участок ДНК, граничащий с первым структурным геном. С
оператором может связываться белок-репрессор, блокируя инициацию
(начало) транскрипции. Промотор – это небольшой участок ДНК перед
оператором. Он служит местом связывания ДНК-зависимой РНК-поли-
меразы (транскриптазы) и от него начинается транскрипция ДНК. Опе-
ратор и промотор в некоторой степени перекрываются таким образом,
что когда репрессор связан с ДНК в области оператора, то РНК-полиме-
раза не может связаться с промотором и транскрипция структурных ге-
нов не происходит. Следовательно, промотор, оператор и структурные
гены образуют оперон.
Транскрипционная активность входящих в оперон генов регулирует-
ся специальным геном-регулятором, или регуляторным геном (ген R),
который может располагаться рядом со структурными генами или на не-
котором расстоянии от них. Ген R кодирует синтез специфического бел-
ка-репрессора. Репрессор – аллостерический белок, имеющий два центра
связывания: один центр узнает оператор, другой – взаимодействует с
эффектором или индуктором. Для Lac-оперона индуктором является лак-
тоза, которая связывается с репрессором, переводит его в неактивную
форму, в результате чего репрессор отсоединяется от оператора.
Различают опероны индуцибельные и репрессибельные. Индуци-
бельные опероны ответственны за катаболизм лактозы, арабинозы, га-
лактозы и других углеводов. Рассмотрим работу индуцибельного оперо-
на на примере Lac-оперона.
В основе индукции синтеза ферментов лактозного оперона лежит ме-
ханизм негативной, или отрицательной, регуляции. В отсутствие лактозы
молекула репрессора, активная в свободном состоянии, связывается с
оператором, закрывая при этом промотор, что препятствует связыванию
с ним РНК-полимеразы и началу транскрипции структурных генов. При
наличии в среде внешнего индуктора лактоза транспортируется с помо-
щью β-галактозидпермеазы внутрь клетки и с помощью фермента β-га-
лактозидазы превращается в аллолактозу, которая действует как внут-
ренний индуктор. Ферменты β-галактозидпермеаза и β-галактозидаза
присутствуют и в неиндуцированных клетках, но в концентрациях, со-
ставляющих менее 0,001 от их концентраций после полной индукции.
Аллолактоза связывается с репрессором, который при этом претерпевает
конформационное изменение, уменьшающее его сродство к ДНК опера-
тора, и в результате репрессор отсоединяется от lac-оператора. Начина-
ется транскрипция структурных генов, приводящая к синтезу ферментов
катаболизма лактозы. При удалении из клетки индуктора репрессор сно-
ва переходит в активное свободное состояние, связывается с оператором,
что приводит к прекращению синтеза соответствующих ферментов.
Лактозный оперон подвержен также регуляции другого типа – пози-
тивной, или положительной. Дело в том, что РНК-полимераза может свя-
заться с промотором лишь тогда, когда к нему присоединен регулятор-
ный белок БАК (белок, активирующий катаболизм), или САР (catabolite
activator protein). Однако БАК может связаться с промотором только в
том случае, если в клетке в достаточно высокой концентрации присутст-
вует циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), т. е. БАК связывается
с промотором только в комплексе с цАМФ. Если в клетке цАМФ отсут-
ствует, то БАК не способен взаимодействовать с промотором. Это было
установлено с использованием феномена диауксического роста (или
диауксии) – при наличии в среде глюкозы и лактозы клетки бактерий
вначале используют глюкозу, а затем после ее полного израсходования
начинают катаболизировать лактозу. Оказалось, что глюкоза репресси-
рует синтез β-галактозидазы. При наличии в среде глюкозы в клетке рез-
ко снижается количество цАМФ. Это явление называют катаболитной
репрессией. Оно наблюдается и в тех случаях, когда вместо лактозы ис-
пользуется какой-то другой углевод. Катаболитная репрессия глюкозой
может быть снята, если в среду добавить цАМФ. Образуется комплекс
цАМФ с БАК, и РНК-полимераза присоединяется к промотору, а далее
идет синтез ферментов катаболизма лактозы, даже в присутствии глюко-
зы.
Кроме индуцибельных оперонов, управляющих катаболизмом угле-
водов, у бактерий имеются и репрессибельные опероны. Это опероны,
ответственные за синтез аминокислот аргинина, гистидина и триптофана.
Максимальная транскрипция структурных генов этих оперонов достига-
ется только при отсутствии в клетке конечных продуктов или эффекто-
ров этих биосинтетических путей. Такие эффекторы, которыми являются
конечные продукты, называют корепрессорами, а соответствующие ре-
гуляторные белки – апорепрессорами. Синтез ферментов репрессибель-
ного оперона включается посредством дерепрессии структурных генов.
Разберем строение триптофанового оперона E. coli (рис. 81). Он со-
стоит их пяти структурных генов, ответственных за синтез пяти фермен-
тов, участвующих в превращении хоризмовой кислоты в триптофан, а
также из промоторно-операторной области. Ген-регулятор (trрR) распо-
ложен на хромосоме на некотором расстоянии от оперона. Он ответстве-
нен за синтез регуляторного белка – апорепрессора, который неактивен в
свободном состоянии, не может связываться с оператором и неспособен,
таким образом, препятствовать началу транскрипции.
Когда конечный продукт метаболического пути – триптофан – накап-
ливается выше определенного уровня, взаимодействует с апорепрессо-
ром и активирует его. Активированный апорепрессор (апорепрессор +
корепрессор) присоединяется к оператору и подавляет транскрипцию
структурных генов триптофанового оперона. Синтез триптофана пре-
кращается.
Установлено, что отсутствие активированного репрессора вызывает
примерно 70-кратное увеличение актов инициации транскрипции. Но
даже в условиях репрессии структурные гены сохраняют низкий уровень
экспрессии. Для того чтобы понизить уровень транскрипции в присутст-
вии триптофана в еще большей степени, в клетках бактерий E. coli име-
ется дополнительный механизм регуляции транскрипции, который назы-
вается аттенуацией, в осуществлении его принимает участие продукт
гена trpL. В условиях избытка триптофана только одна из десяти молекул
РНК-полимеразы, начавшая транскрибирование с промотора, взаимодей-
ствует со структурными генами и продолжает транскрипцию. Таким об-
разом, действие аттенуатора проявляется в терминации транскрипции, а
сам процесс аттенуации классифицируется как регулируемая терминация
транскрипции.
Установлено, что в отличие от репрессии, аттенуация зависит не от
самой аминокислоты, а от образования триптофанил-тРНК, т. е. активи-
рованной аминокислоты, присоединенной к транспортной РНК.
При уменьшении внутриклеточной концентрации триптофана снача-
ла осуществляется дерепрессия. Это значит, что образуется возможность
связывания молекул РНК-полимеразы с промотором Trp-оперона. При
более глубоком голодании снижается уровень триптофанил-тРНК и воз-
никают условия для преодоления аттенуатора.
Таким образом, и в случае индукции путем негативной регуляции
(Lac-оперон), и в случае репрессии синтеза ферментов (Тrp-оперон)
взаимодействие репрессора с оператором приводит к подавлению транс-
крипции соответствующих структурных генов. Различие заключается в
том, что при индукции путем негативной регуляции эффектор (индук-
тор), взаимодействуя с репрессором, понижает сродство репрессора к
оператору, а в случае репрессии эффектор (корепрессор) повышает это
сродство.
|