Індукція і репресія

Яскравим і найбільш вивченим прикладом контролю експресії генів є регуляція синтезу β-галактозидази у E.coli.

Н₂О

Лактоза т галактоза + глюкоза

β-галактозидаза

Коли E.coli росте на середовищі з лактозою в якості єдиного джерела вуглецю, вона містить приблизно 3 000 молекул β-галактозидази, хоча у відсутності лактози містить менше 3х молекул.

Фермент β-галактозидаза – індуцибельний фермент, його кількість зростає у присутності невеликої молекули, названої індуктором, у даному випадку похідного лактози – алолактози. Гени ферментів, які включені в біосинтези амінокислот та інших продуктів – ферментів анаболізму – регулюються дещо по-іншому, ніж гени ферментів катаболізму. Наявність амінокислоти в середовищі може інгібувати утворення ферментів, що відповідають за її біосинтез. Це логічно, оскільки економить клітині енергію та біоматеріал.

Ферменти, кількість яких зменшується в присутності кінцевого продукту, називаються репресибельними ферментами, а метаболіти, що призводять до зменшення концентрації репресибельних ферментів – корепресори.

Розрізняють ще конститутивні ферменти, кількість яких в клітині постійна.

Механізм індукції та репресії

Індукція та репресія принципово відрізняються на рівні транскрипції.

Коли E.coli росте на середовищі без лактози, вона не має мРНК, що кодує синтез β-галактозидази. У присутності лактози кожна клітина має від 35 до 50 копій β-галактозидазної мРНК. Рівень синтезу мРНК контролюється спеціальним білком-репресором, який синтезується під керівництвом регуляторних генів. Важливість регуляторних генів і репресорів демонструється на прикладі мутантів з інактивованими регуляторними генами – конститутивних мутантів. Ці мутанти продукують ферменти незалежно від того потрібні вони, чи ні.

Рис. 2. Схема індукції синтезу ферментів катаболізму лактози: А – індуктор відсутній. Продукт гена-регулятора утворюється конститутивно, взаємодіє з оператором, транскрипція структурних генів не відбувається; Б – індуктор присутній. Взаємодія індуктора з репресором інактивує його. Репресор не взаємодіє з оператором, структурні гени транскрибуються.

Хоча відповіді на присутність метаболітів різні, індукція та репресія – це форми негативного контролю: синтез мРНК проходить набагато швидше у відсутності контролюючого фактора. Розглянемо механізм репресії.

Білок-репресор зв’язується зі специфічним сайтом на ДНК, названим оператором. Репресор утворює комплекс з молекулою ДНК, потім швидко ковзає вздовж ДНК, доки не досягне оператора, і тоді зупиняється. Порція репресора лягає у великий жолоб сайта-оператора ДНК і N-термінальні кінці охоплюють ДНК. Поверхня білка-репресора ідеально підходить до специфічного зв’язування з подвійною спіраллю ДНК.

Як репресор інгібує транскрипцію? Промотор, до якого приєднується РНК-полімераза, розташований поряд з оператором, іноді оператор навіть перекриває промотор. Репресор, приєднаний до оператора, не дозволяє ДНК-полімеразі зв’язуватись з промотором, і таким чином інгібує транскрипцію.

Регуляторні гени відповідають за синтез активного репресора. Індуктор зв’язується з репресором, переводить його в неактивну форму, і тим самим стимулює транскрипцію.

Абсолютно протилежне спостерігається в системі, яка контролюється репресією. Білок-репресор у самому початку неактивний, він стає активним тільки тоді, коли до нього приєднується корепресор. Корепресор інгібує транскрипцію шляхом активації білка-репресора.

Експресія генів у прокаріот регулюється в основному на рівні транскрипції (зчитування). Це означає, що в залежності від умов оточуючого середовища та внутрішньоклітинного метаболізму отримуються сигнали про те які гени і з якою частотою необхідно зчитати.

Такі сигнали мають хімічну будову, це низькомолекулярні сполуки (цукри, їх похідні, амінокислоти, нуклеотиди) і називаються ефекторами. Ефектори не вступають безпосередньо в контакт з ДНК, а діють через посередника, який називається регуляторним білком. Ефектор приєднується до регуляторного білка, змінює його конформацію і можливість приєднання до ДНК. Якщо регуляторний білок зв’язаний з ДНК у відсутності ефектору, то він називається репресором. Якщо білок зв’язується з ДНК у присутності ефектору (корепресору), його називають апорепресором.

Ділянки ДНК, до яких приєднуються регуляторні білки – це не самі структурні гени, а ділянки ДНК, що прилягають до них і називаються промоторами і операторами.

Промотор – це ділянка ДНК, що розпізнається ДНК-залежною РНК-полімеразою. Він є місцем зв’язування РНК-полімерази, з нього починається транскрипція.

Оператор – це ділянка ДНК між промотором і структурними генами. Він теж взаємодіє з регуляторним білком-репресором.

Промотор, оператор, структурні гени і термінатор (роль термінатора остаточно не виявлена, тому у більшості літературних джерел він не розглядається в якості складової частини оперону) утворюють оперон. Білки, які кодуються одним опероном, це, як правило, ферменти одного метаболічного шляху.

За синтез регуляторних білків відповідають гени-регулятори, які розташовані по сусідству або далеко від даного оперону.

мРНК не стійка, час її напіврозпаду становить від 0,5 до 5 хв.

Розрізняють оперони індуцибельні ( оперони шляхів катаболізму) та репресибельні (оперони шляхів анаболізму).

BOX

Катаболізм (дисиміляція) – сукупність метаболічних процесів (ферментативних реакцій) в організмі, спрямованих на розщеплення складних органічних речовин на простіші. При цьому виділяється енергія та запасається у вигляді АТФ. Анаболізм (асиміляція) – сукупність хімічних процесів, спрямованих на утворення та оновлення структурних частин клітин і тканин. При цьому здійснюється синтез складних молекул з більш простих та накопичується енергія у вигляді хімічних зв’язків.