Регуляция транскрипции генов

Изучение генетики регуляторных механизмов показало, что контроль экспрессии генов и у фагов и у бактерий осуществляется с использованием однотипных регуляторных элементов. Наличие подобных регуляторных элементов характерно для всех прокариот.

Регуляция генетической экспрессии придает организмам необходимую гибкость в выборе способов утилизации доступных в данной ситуации ресурсов, что позволяет поддерживать максимальную скорость репродукции и обеспечивать устойчивость по отношению к действию неблагоприятных факторов окружения. Так, бактерии, растущие на богатой среде, содержащей удобный источник углерода, например глюкозу, а также все 20 аминокислот, могут размножаться быстрее, если они не расходуют своих ресурсов на синтез ферментов, необходимых для утилизации менее удобных источников углерода и для биосинтеза самих аминокислот.

Наиболее простой и эффективный контроль генетической активности у прокариот осуществляется на уровне транскрипции. Все процессы, протекающие в бактериальной клетке, — образование аминокислот, нуклеотидов и других важных метаболитов, репликация, транскрипция, трансляция, катаболизм, высвобождение энергии, реакции на внешние воздействия — требуют участия белков. Однако энергетических ресурсов клетки не хватает для одновременного осуществления транскрипции и трансляции (экспрессии) всех структурных генов. Поэтому постоянно экспрессируются только те гены, которые кодируют белки, поддерживающие основные клеточные функции, а транскрипция остальных структурных генов регулируется.

Бактериям необходимо уметь быстро отвечать на изменения в окружающей среде. В условиях их обитания поступление питательных веществ может постоянно меняться. Их выживаемость зависит от способности переключать метаболизм с одного субстрата на другой. Легкая приспособляемость – большое преимущество бактерий.

Однако при этом необходима экономичность, поскольку бактерия, которая в ответ на изменение условий использует пути, требующие больших энергетических затрат, может оказаться в невыгодном положении. Очевидно, что было бы неэкономично производить все ферменты метаболического пути, который не может быть использован из-за отсутствия субстрата. Бактерия не синтезирует ферментов того или иного пути в отсутствие соответствующего субстрата, но способна в любое время начать их синтез при появлении такового.Данный эффект получил название «индукция ферментов». Данные о механизмах, регулирующих активность генов в клетке, были впервые получены при изучении регуляции синтеза ферментов у Е. coli,у которой контролирующий механизм такового типа представлен организацией генов лактозной системы (lac – оперон, система регуляции генов, сбраживающих лактозу) – классический пример транскрипционного контроля генетической активности.

Синтез β-галактозидазы, фермента, расщепляющего дисахарид лактозу до галактозы и глюкозы, индуцируется, когда в питательной среде присутствует лактоза, а оптимальный источник углерода – глюкоза – отсутствует.

В отсутствие субстрата в ферменте нет необходимости. Процессы индукции и репрессии связаны не с одним ферментом. Ферменты, необходимые для осуществления определенного пути биосинтеза, детерминируются генами, сцепленными друг с другом.

В других случаях, фермент, участвующий в синтезе определенной аминокислоты или другого метаболита, не образуется в клетке, в присутствии этой аминокислоты.

Она позволяет бактериальной клетке избежать перевода своих ресурсов на ненужную в данный момент синтетическую активность.

Функционирование каждого типа регуляции определяется малыми молекулами, которые являются либо продуктом, либо продуктом ферментативной деятельности. Малые молекулы (являются субстрактом), индуцирующие образование ферментов, способных метаболизировать их, названы индукторами. «Процесс репрессии» -прекращение синтеза фермента, необходимого для синтеза вещества, которое внезапно появляется в среде. Например, если в среде, на которой выращиваются бактерии присутствует триптофан, синтез фермента синтегеазы немедленно прекращается. Триптофан – являющийся продуктом ферментативной деятельности. Малые молекулы, которые предотвращают образование ферментов способных синтезировать их, названы корепрессорами.

Жакоб и Моно предложили в 1961 г. механизм, объясняющий индукцию и репрессию – механизм «включения» и «выключения» генов. Полную единицу выражения генов, включающих структурные гены, регуляторный ген и оператор Жакоб и Моно определяли как оперон.

Гены, кодирующие необходимые для клетки белки с ферментативными или структурными функциями, называются структурными генами. В группу структурных генов входят также гены, кодирующие р-РНК и т-РНК.

Активность этих генов регулируется еще одним геном-регулятором.Ген-регулятор может находиться на некотором расстоянии от структурных генов. Он кодирует белок репрессор, который препятствует активности структурных генов.

Характер такого взаимодействия определяется в белке репрессора двух участков связывания, один из которых предназначен для индуктора, а другой для оператора.

Оператор, определяющий, будут ли гены активными. Оператор воздействует непосредственно на соседние структурные гены.

Включение оперона с помощью индуктора.В отсутствии индуктора белок-репрессор связывается с оператором таким образом, что прилегающие структурные гены не могут транскрибированы. Он мешает перемещению РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК, и транскрипция блокируется. Однако индуктор способен присоединяться к репрессору, который более не связывается с оператором. Итак, белок репрессор с одной стороны предотвращает транскрипцию, а с другой стороны может узнавать молекулы индуктора.

Ген регулятор промотор оператор структурные гены а в с выключается   мономер тетрамер репрессора репрессора

Промотор – участок ДНК, ответственный за (ДНК-зависимый) связывание –РНК – полимеразы, индуцирующей транскрипцию

Ферменты     Ген регулятор промотор оператор а в с   индуктор

Полная единица выражения генов, включающих структурные гены, регуляторный ген и оператор Жакоб и Моно определяли как оперон. Обычно оперон находится под контролем единственного промотора, и при его транскрипции образуется одна длинная молекула мРНК, кодирующая несколько белков. Первая модель была создана для lас – оперон (лактозные гены), которыми до настоящего времени остается наиболее полно охарактеризованным опероном (lас – оперон, система регулирующая ферментов, сбрасывающих лактозу).

Согласно классическим представлениям ген обозначает единицу генетического материала, которая передается от родителей потомству, и может быть обнаружена по ее способности мутировать в различные состояния, рекомбинировать и функционировать, то есть определять тот или иной фенотип.

Рис 3. Транскрипция в бактериальной клетке. А, Структурные гены (А, В, С и D) оперона находятся под транскрипционным контролем оператора (о) и промотора (р). РНК-полимераза связывается с участками, находящимися на расстоянии 10 (-10) и 35 (-35) пар оснований от сайта инициации транскрипции (+1). t- Стоп-сигнал, ответственный за остановку транскрипции, α, β, γ и S - белки, продукты генов А, В, С, D. Б. То же, что и на рис. А, но показано связывание РНК-полимеразы с промоторной областью.

В отличие от прокариот у эукариот опероны в большинстве своем отсутствуют, т. е. каждый эукариотический структурньй ген имеет свой собственный набор регуляторных элементов.

Существенную роль в регуляции транскрипции у эукариот, помимо опосредованной взаимодействием между ДНК и белками, играют также белок-белковые взаимодействия.

Несмотря на индивидуальность набора регуляторных элементов у структурных генов эукариот, каждый из них имеет промоторный участок (ТАТА-бокс, или бокс Хогнесса) из восьми нуклеотидов ТАТААААА, включающий последовательность ТАТА; последовательность GGССААТCТ (СААТ-бокс); участок из повторяющихся динуклеотидов GC (GC-бокс). Эти элементы находятся на расстоянии 25, 75 и 90 п.н. от сайта инициации соответственно (рис. 3). Транскрипция структурного гена эукариот начинается со связывания с ТАТА-боксом фактора транскрипции HD (TFIID), который представляет собой комплекс по крайней мере из 14 белков. Затем с TFIID и участками ДНК, примыкающими к ТАТА-боксу, связываются другие факторы транскрипции, и, наконец, со всем этим транскрипционным комплексом связывается РНК-полимераза II.Затем при участии дополнительных факторов происходит инициация транскрипции в точке + 1 (рис. 4). Ясно, что если последовательность ТАТА отсутствует или существенно изменена, то транскрипция структурного гена становится невозможной. Идентифицированы также факторы транскрипции, специфичные для регуляторных элементов ССААТ и GC, но пока неясно, как ДНК-белковые взаимодействия могут влиять в этом случае на эффективность транскрипции, если элементы расположены на расстоянии более 75 п.н. от сайта инициации. Кроме того, на расстоянии сотен и даже тысяч пар оснований от сайта инициации находится так называемая энхансерная последовательность, которая многократно повышает скорость транскрипции структурных генов.По-видимому, сближение удаленных регуляторных элементов и соответствующего структурного гена происходит при укладке хромосомной ДНК. Кроме того, факторы транскрипции, которые связываются с определенными энхансерами и регуляторными элементами, могут образовывать цепочку, соединяющую удаленные друг от друга сайты.

Некоторые репрессированные (неэкспрессирующиеся) гены активируются каскадом событий, который запускается каким-либо специфическим внеклеточным сигналом, например повышением температуры или синтезом гормона. Гормон, поступив в кровоток, связывается с рецепторами специфических клеток, облегчающими его проникновение в клетку. Оказавшись в клетке, гормон вступает во взаимодействие с одним из клеточных белков и изменяет его конформацию. В таком измененном состоянии белок проникает в ядро и связывается со специфическим регуляторным элементом, который инициирует транскрипцию соответствующего гена.

Рис 4. Регуляторные элементы структурных генов эукариот. Знаки «— » при числах означают, что эти элементы находятся в молекуле ДНК слева от сайта инициации транскрипции (+1). Стрелка — направление транскрипции. Положение регуляторных элементов и их размер даны без соблюдения масштаба.

Существуют также белки, которые, взаимодействуя с регуляторными элементами, блокируют транскрипцию. Например, известен класс генов позвоночных (примерно 18), активно транскрибирующихся только в нервных клетках. Каждый из этих генов имеет регуляторный элемент из 24 п.н., находящийся «левее» (upstream) сайта +1; он обозначается NRSE (от англ, neuron-restrictive silencer element). Во всех клетках, кроме нейронов, синтезируется NRSF-фактор (от англ, neuron-restrictive silencer factor), который связывается с NRSE и блокирует транскрипцию соответствующих генов. В нейронах NRSF не синтезируется, и упомянутые гены активно транскрибируются.

Итак, регуляция транскрипции у эукариот - это очень сложный процесс. Структурный ген может иметь множество регуляторных элементов, которые активируются специфическими сигналами в клетках разного типа в разное время клеточного цикла. Однако некоторые структурные гены находятся под контролем уникального фактора транскрипции. Специфические белки могут взаимодействовать с определенными регуляторными элементами и блокировать транскрипцию или связываться со всем транскрипционным комплексом еще до инициации транскрипции или во время элонгации.

.