Биологический каталог




Современная генетика. Том 2

Автор Ф.Айала, Дж.Кайгер

связано множество различных белков, которые также могут препятствовать свободному скольжению lac-репрессора. Наличие у связанного с ДНК репрессора «лишней» пары свободных субъединиц может способствовать его перемещению от одного сегмента ДНК к другому и таким образом облегчать доступ к искомой операторной области (рис. 15.11).

Катаболитная репрессия

Lac-penpeccop служит типичным примером белка-негативного регулятора, при действии которого подавляется экспрессия контролируемых им генов. Действие репрессора в свою очередь контролируется низкомолекулярными эффекторами-в данном случае аллолактозой. В действительности /ас-оперон находится также под контролем белка-позитивного регулятора, вовлеченного одновременно в регуляцию целого ряда различных катаболитных систем Е. coli. Действие этого позитивного регулятора опосредованно контролируется оптимальным источником углерода-глюкозой. Глюкоза ингибирует транскрипцию генов lac-оперона даже в присутствии лактозы, причем в штаммах / ~ и Ос в той же степени, что и в диких штаммах. Это означает, что действие глюкозы не влияет непосредственно на взаимодействие репрессора и оператора. Действие глюкозы реализуется через посредника, в роли которого выступает циклический AMP (с AMP). Содержание сАМР внутри клетки контролируется с помощью двух уравновешивающих друг друга процессов-синтеза при участии аденилатциклазы и деградации под действием фосфодиэстеразы (рис. 15.12). В отсутствие глюкозы наблюдается высокий, а в ее присутствии-низкий уровень сАМР в клетке. Механизм, благодаря которому содержание глюкозы в клетке контролирует уровень сАМР, неизвестен. Тем не менее не вызывает сомнений, что сАМР служит в качестве эффектора, отражающего этот аспект клеточного метаболизма.

Изучение мутантов, неспособных к активации катаболитных функций, позволило выявить механизм влияния сАМР на транскрипцию генов /ас-оперона. Обнаружены два типа такого рода мутаций. Мутации первого типа приводят к инактивации аденилатциклазы (рис. 15.12). Мутации второго типа инактивируют белок-активатор катаболитных генов (или САР-белок от англ. catabolite activator protein), связывающий сАМР. Мутанты этого типа можно отобрать благодаря тому, что они неспособны утилизировать одновременно два различных типа Сахаров (в частности, лактозу и глюкозу) в качестве источников углерода. Оказалось, что мутации, подавляющие обе функции одновременно, картируются в генах, отличных от тех, которые входят в состав какого-либо из соответствующих оперонов, но необходимых для экспрессии обоих оперонов и утилизации как лактозы, так и галактозы.

Рис. 15.12. Регуляция содержания циклического AMP (сАМР) в клетке может осуществляться как на уровне синтеза из АТР, так и на уровне деградации до 5'-АМР. На каком из этих этапов осуществляется регуляция сАМР, связанная с содержанием глюкозы, неизвестно.

®~®~®-0-СНу0

Л? Й АТР

ОН ОН

Аденилатциклаза

NH3 5N

Изучение транскрипции генов lac in vitro с использованием /ас-опе-рона, встроенного в ДНК трансдуцирующего фага X,, очищенной РНК-полимеразы и очищенного САР-белка, показало, что САР-белок стимулирует транскрипцию только в виде комплекса с сАМР. Участок связывания комплекса САР-сАМР примыкает к промотору lac, о чем свидетельствует отсутствие влияния с AMP на транскрипцию мутантного Jac-оперона, содержащего делецию L1 на участке от гена / до промотора, которая в то же время не сказывается на связывании с промотором РНК-полимеразы. Участок связывания САР-белка содержит последовательность, характеризующуюся симметрией второго порядка. Точечные мутации в этой последовательности подавляют способность комплекса САР—сАМР активировать промотор (рис. 15.9). САР-белок представляет собой димер и состоит из двух идентичных субъединиц, содержащих по 209 аминокислотных остатков. Считают, что активация РНК-полимеразы происходит в результате кооперативного связывания двух димеров САР—сАМР с инвертированными участками последовательности в вышеупомянутой области симметрии. В то же время некоторые другие опероны содержат лишь один центр связывания САР-бел

ка и не содержат симметричных последовательностей. Поэтому для их активации необходимо участие только одного димера САР—сАМР.

Для интерпретации активирующего действия комплекса САР— сАМР были предложены две модели. В одной из них предполагается, что САР—сАМР, связанный с ДНК, взаимодействует непосредственно с РНК-полимеразой, что облегчает образование так называемого открытого комплекса фермента с промоторной областью ДНК. При этом исходят из того, что РНК-полимераза сама по себе эффективно образовать такой комплекс не может. Другая модель построена на представлении о том, что САР—сАМР при связывании изменяет структуру самого промотора, который после этого оказывается способным взаимодействовать с РНК-полимеразой. Имеется ряд аргументов в пользу каждой из этих моделей, и не исключено, что активация транскрипции САР-бел-ком в различных оперонах может осуществляться разными способами.

Подводя итоги, можно отметить, что для регуляции экспрессии lac-оперона используются два типа контролирующих факторов, каждый из которых в свою очередь находится под влиянием условий среды. Взаимодействие репрессор—оператор можно назвать регуляцией по принципу «все или ничего». В клетке присутствует всего лишь около 10 молекул репрессора, которые быстро инактивируются даже при низких концентрациях индуктора-производного лактозы. Система взаимодействия комплекса САР—сАМР с соответствующим центром связывания дает возможность более плавно регулировать частоту инициации транскрипции. При низкой концентрации сАМР эта частота невелика, поскольку большинство молекул белка-активатора САР неактивны. При повышенном уровне сАМР значительная доля белка существует в форме комплекса САР—сАМР, заметно повышающего частоту инициации транскрипции генов оперона.

Бактериофаг X

Бактериофаг X оказался настоящей сокровищницей систем генетической регуляции, изучение которых позволило заметно расширить и углубить наши представления о механизмах генетической регуляции у прокариот. В процессе литического развития гены фага X (см. гл. 7) регулируются таким образом, чтобы обеспечивать контролируемую репликацию ДНК, рекомбинацию, синтез структурных белков и сборку частиц потомства фага. В то же время лизогенам по фагу X присущ иной способ экспрессии генов. В лизогенных бактериях репрессированы все гены профага, используемые при литическом развитии, и экспрессируется только один ген, обозначаемый cl, который контролирует репрессию генов профага. Экспрессия гена cl в лизогенах обеспечивает также иммунитет клетки к повторной инфекции другим фагом X.

Ключевой вопрос регуляции развития фага X состоит в том, каким образом принимается решение о выборе между лизогенным и литиче-ским путем развития после инфекции чувствительных клеток. Изучение механизма такого выбора привело генетиков к открытию многих важных особенностей физиологии бактерий и организации систем генетической регуляции. Развитие представлений о регуляции генов фага X происходило параллельно с изучением регуляции экспрессии генов

утилизации лактозы. В обоих случаях было найдено, что структурные гены организуются в опероны, экспрессия которых контролируется ре-прессорами. Большая сложность фага X, позволила гораздо глубже понять механизмы генетической регуляции.

Рассмотрим вначале порядок экспрессии генов фага X, после попадания ДНК инфицирующего фага в чувствительную клетку. В экспрессии фаговых генов можно выделить три стадии, причем каждая последующая стадия зависит от предшествующей. На стадии I, которая начинается сразу после инфекции, РНК-полимераза инициирует транскрипцию с трех промоторов: Р^ и Рд, с каждой стороны от гена с/, а также с Рк', расположенного между генами Q и S (см. рис. 15.13, желтые стрелки). Это короткие транскрипты, которые терминируются на р-зависимых терминаторах tLI, tR1 и tR. In vitro, в отсутствие фактора р, очищенная РНК-полимераза инициирует синтез тех же самых тран-скриптов на очищенной ДНК фага X, причем поток транскрипции преодолевает терминаторы. Это наблюдение привело к представлению о существовании специфических факторов терминации. В результате был очищен так называемый р-белок, индуцирующий терминацию транскрипции in vitro на упомянутых терминаторах (не все терминаторы E.coli являются р-зависимыми).

Транскрипция на стадии I приводит к появлению мРНК для двух белков N и Сто (названия белков набраны прямым шрифтом, а названия генов-курсивом). Функционируя как фактор антитерминации, белок N создает возможность экспрессии генов второй стадии. В присутствии белка N поток транскрипции, инициированный на Р^и Pr, преодолевает р-зависимые терминаторы tL1 и tR1. В результате появляется мРНК от гена сШ до гена int в левом опероне и от гена ell до Q в правом оперо-не. Транскрипция правого оперона прекращается на терминаторе tR, а транскрипция левого оперона прекращается в области Ь2 (рис. 15.13, светло-серые стрелки). Мутанты, дефектные по функции гена N, гибнут из-за очень сильного снижения уровня транскрипции на стадии II, в результате которого гены, существенные как для лизиса, так и для лизоге-низации, не экспрессируются.

Белок N служит позитивным белком-регулятором, поскольку благодаря его действию происходит активация второй стадии экспрессии фага X. В то же время принцип его действия совершенно не похож на принцип действия рассмотренного в предыдущем разделе другого позитивного регулятора-САР-белка. Белок N, по сути дела, не активирует транскрипцию, а способствует ее продолжению, подавляя влияние терминирующих последовательностей. При этом белок N специфически узнает не промотор и не сам терминатор, а определенный участок последовательности, расположенный между этими регуляторными элементами. При изучении мутантов, неспособных к экспрессии генов левого оперона, расположенных за терминаторным участком tL}, и в то же время способных нормально расти и образовывать бляшки на чувствительном бактериальном газоне, был обнаружен сайт, расположенный между PL и N и необходимый

страница 38
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

Скачать книгу "Современная генетика. Том 2" (5.25Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(18.09.2019)