Регуляция экспрессии гена у прокариот. Модель оперона. Регуляция по типу индукции (лактозный оперон) и по типу репрессии (триптофановый оперон).
Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно ʜебольшими размерами. У кишечной палочки (Е. coli) он предϲҭавлен кольцевой молекулой ДНК длиной около 1 мм, кот-я содержит 4·106 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. Оϲʜᴏвная маϲса ДНК прокариот (около 95%) активно траʜскрибируется в каждый даʜный момент времени. Как было сказаʜо выше, геном прокариотической клетки оргаʜизоваʜ в виде нуклеоида - комплекса ДНК с ʜегистоҥовыми белками.
Характеризуя наϲледственный материал прокариотической клетки в целом, ʜеобходимо оҭᴍетить, что он заключен ʜе только в нуклеоиде, но также присутствует в цитоплазме в виде ʜебольших кольцевых фрагментов ДНК - плазмид.
Плазмиды - это широко раϲпростраʜенные в живых клетках вʜехромосомные геʜетические элементы, способные существовать и размножаться в клетке автоҥомно от геномной ДНК. Описаʜы плазмиды, которые реплицируются ʜе автоҥомно, а только в соϲҭаве геномной ДНК, в которую они включаются в определенных учаϲтках. В ϶ҭᴏᴍ случае их называют эписомами.
В прокариотических (бактериальных) клетках обнаружены плазмиды, которые ʜесут наϲледственный материал, определяющий такие свойства, как способность бактерий к конъюгации, а также их устойчивость к ʜекоторым лекарственным веществам.
Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны (гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним (или несколькими) промоторами.
Опероны по количеству цистронов делят на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов). Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Жакоб и Моно, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.
Лактозный оперон (lac оперон) — полицистронныйоперон бактерий, кодирующий гены метаболизмалактозы.
Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозыу кишечной палочки (Escherichia coli) была впервые описана в 1961 году учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно[1] (получившими в 1965 году Нобелевскую премию совместно с А. Львовым). Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.
Лактозный оперон (lac operon) состоит из трех структурных генов, промотора, оператора и терминатора. Принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.
Структурные гены лактозного оперона — lacZ, lacYи lacA:
· lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу,
· lacY кодирует β-галактозид пермеазу, мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки.
· lacA кодирует β-галактозид трансацетилазу, фермент, переносящий ацетильную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.
Для катаболизма лактозы необходимы только продукты генов lacZ и lacY, роль продукта гена lacAне ясна. Возможно, что реакция ацетилирования дает бактериям преимущество при росте в присутствии определенных неметаболизируемых аналогов бета-галактозидов, поскольку эта модификация ведет к их детоксикации и выведению из клетки.
РНК-полимераза начинает транскрипцию с промоторного района, который перекрывается с операторным районом. В отсутствие или при низкой концентрации лактозы в клетке белок-репрессор, который является продуктом моноцистронногооперона LacI, обратимо соединяется с операторным районом и препятствует транскрипции. Таким образом, в отсутствие лактозы в клетке ферменты для метаболизма лактозы не синтезируются.
Даже в случае, когда в плазматической мембране клетки отсутствует фермент β-галактозидпермеаза, лактоза из окружающей среды может попадать в клетку в небольших количествах. В клетке две молекулы лактозы связываются с белком-репрессором, что приводит к изменению его конформации и далее к диссоциации белка-репрессора от операторного участка. Может осуществляться транскрипция генов лактозного оперона. При снижении концентрации лактозы новые порции белка-репрессора взаимодействуют с операторными последовательностями и препятствуют транскрипции. Данный механизм регуляции активности лактозного оперона называют позитивной индукцией. Веществом-индуктором служит лактоза; при её связывании с белком-репрессором происходит его диссоциация от операторного участка.
Если в клетке концентрация глюкозы достаточная для поддержания метаболизма, активация лактозного оперона не происходит. Промоторная последовательность лактозного оперона «слабая», поэтому даже при отсутствии белка-репрессора на операторном участке транскрипция практически не инициируется. Когда концентрация глюкозы в клетке снижается, происходит активация фермента аденилатциклазы, которая катализирует превращение АТФ в циклическую форму — цАМФ(циклическую форму АМФ в данном случае также называют «сигналом клеточного голода»). Глюкоза является ингибитором фермента аденилатциклазы и активирует фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий превращение молекулы цАМФ в АМФ. цАМФ соединяется с белком, активирующим катаболизм (англ. САР, catabolism activating protein), при этом образуется комплекс, который взаимодействует с промотором лактозного оперона, изменяет его конформацию и приводит к повышению сродства РНК-полимеразы к данному участку. В присутствии лактозы происходит экспрессия генов оперона. Данный механизм регуляции активности лактозного оперона называют негативной индукцией. «Негативным индуктором» служит глюкоза, которая подавляет активность лактозного оперона.
Итак, ферменты для усвоения лактозы синтезируются в клетке кишечной палочки при двух условиях:
1. наличие лактозы;
2. отсутствие глюкозы.
Регуляция работы лактозного оперона в зависимости от концентрации лактозы происходит по принципу отрицательной обратной связи: чем больше лактозы — тем больше ферментов для её катаболизма (положительная прямая связь); чем больше ферментов — тем меньше лактозы, чем меньше лактозы — тем меньше производится ферментов (двойная отрицательная обратная связь).
Триптофа́новый оперо́н — оперон, содержащий гены ферментов, задействованных в биосинтезеаминокислоты триптофан. Триптофановый оперон имеется у многих бактерий, впервые был описан у Escherichia coli. Триптофановый оперон является важной экспериментальной моделью для изучения регуляции экспрессии генов.
Триптофановый оперон был описан в 1953 году Жаком Моно и сотрудниками. Он стал первым опероном, для которого была показана регуляция посредством репрессии. В то время как лактозный оперон активируется веществом, на утилизацию которого он направлен (лактозой), триптофановый оперон подавляется триптофаном — соединением, за биосинтез которого ответственен данный оперон. Он содержит 5 структурных генов (цистронов): trpE, trpD, trpC, а также trpB и trpA, кодирующие субъединицы триптофансинтазы[en]. На значительном расстоянии от оперона находится ген trpR, кодирующий белок, подавляющий экспрессию триптофанового оперона. Продукт этого гена в присутствии триптофана связывается с оператором и блокирует транскрипцию оперона. В отличие от lac-оперона, в состав trp-оперона входит особая последовательность — аттенюатор[en], необходимая для тонкой регуляции транскрипции оперона.
Регуляция триптофаного оперона регулируется двумя способами: с помощью белка-репрессора (репрессия), а также с помощью особой последовательности — аттенюатора. При этом в каждом из этих случаев регуляция осуществляется по принципу отрицательной обратной связи.
Структура триптофанового белка-репрессора
Белок-репрессор (триптофановый репрессор) имеет молекулярную массу 58 кДа, кодируется геном trpR, расположенным на значительном расстоянии от самого оперона. Ген trpR непрерывно экспрессируется на невысоком уровне, образуя мономеры, которые затем объединяются в тетрамеры. В отсутствие триптофана эти тетрамеры неактивны и распадаются в нуклеоплазме. Однако если концентрация триптофана в клетке высока, то тетрамеры связываются с триптофаном. При этом происходит изменение конформации репрессора, позволяющее ему связаться с оператором. В данном случае существенно, что в триптофановом опероне нуклеотидные последовательности оператора и промотора перекрываются, так что присоединение комплекса L-триптофан•белок-репрессор автоматически блокирует связывание РНК-полимеразы с промотором. Таким образом, транскрипция триптофанового оперона блокируется[1].
Аттенюация является вторым механизмом регуляции trp-оперона. Этот способ регуляции возможен потому, что у прокариот, лишённых ядра, процессы транскрипции и трансляции не разделены во времени и пространстве, как у эукариот, и идут одновременно: пока РНК-полимераза синтезирует мРНК, синтезированный участок этой мРНК транслируется рибосомой. В связи с этим процесс трансляции может оказывать непосредственное влияние на транскрипцию оперона.
Сразу после оператора в триптофановом опероне располагается последовательность длиной 162 п. н.[2], получившая название лидерной последовательности. Она кодирует так называемый лидерный пептид, который получил такое название, поскольку с полицистронной мРНК триптофанового оперона этот пептид синтезируется первым. В состав лидерной последовательности входит особая аттенюаторнаяпоследовательность (аттенюатор), которая, влияя на вторичную структуру синтезируемой мРНК, способна вызывать преждевременную терминацию транскрипции. Аналогичная последовательность имеется также у бактерий рода Salmonella[3].
В trp-опероне Escherichia coli аттенюатор имеет 4 области с обращёнными повторами[en]. Транскрипция аттенюатора приводит к образованию шпилек в мРНК. Возможны 3 варианта шпилек, а именно между последовательностями: 1—2, 2—3, 3—4. При этом образование шпильки 1—2 блокирует образование шпильки 2—3, а образование шпильки 2—3, в свою очередь, препятствует образованию шпильки 3—4. Только шпилька 3—4 является терминаторной, то есть при её образовании РНК-полимераза с высокой вероятностью диссоциирует от ДНК, и транскрипция прерывается.
Часть лидерного транскрипта кодирует короткий пептид длиной 14 аминокислотных остатков — лидерный пептид. Этот пептид содержит 2 располагающихся друг за другом триптофановых остатка. Триптофан — редкая аминокислота (на 100 остатков аминокислот белка Escherichia coliприходится 1 триптофановый остаток), в условиях нехватки триптофана внутриклеточная концентрация комплекса W-tRNATrp•EF-Tu•GTP становится очень низкой и рибосома начинает «зависать» на триптофановых кодонах, так как соответствующий комплекс не может «найтись» быстро. Останавливаясь на двух триптофановых кодонах, рибосома закрывает первую из 4 областей обращённых повторов. Из-за этого образуется шпилька 2—3, а терминаторная шпилька 3—4 не образуется, и транскрипция продолжается дальше в область структурных генов. Итак, в условиях недостатка триптофана ферменты, необходимые для его синтеза, образуются[3].
Если же концентрация триптофана высока, то «зависания» рибосомы на триптофановых кодонах не происходит: необходимый комплекс триптофанил-тРНКTrp находится быстро. В этом случае рибосома закрывает уже не одну первую, а две первые области обращённых повторов. Остаются свободными области 3 и 4, из-за чего формируется терминаторная шпилька 3—4, а значит, транскрипция останавливается. В итоге образуется лишь короткий нефункциональный пептид. Таким образом, в условиях избытка триптофана ферменты, необходимые для его синтеза, не образуются[3].
Для правильной работы аттенюатора чрезвычайно важна одновременность процессов транскрипции и трансляции лидерного пептида. Чтобы обеспечить её, в лидерной области имеется особый «сайт паузы». Достигнув его, РНК-полимераза приостанавливает транскрипцию, пока не начнётся трансляция. Таким образом процессы транскрипции и трансляции протекают синхронизированно.
Схожий механизм аттенюации имеет место при синтезе других аминокислот: гистидина, фенилаланина и треонина[4]. В аттенюаторе гистидинового оперона Escherichia coliимеется 7 гистидиновых кодонов, фенилаланинового — 7 фенилаланиновых кодонов[5].
Фенотипическая (ненаследственная) изменчивость. Модификации. Нормы реакции. Фенокопии. Примеры.
Модификацио́нная (фенотипи́ческая) изме́нчивость — изменения в организме, связанные с изменением фенотипа вследствие влияния окружающей среды и носящие, в большинстве случаев, адаптивный характер. Генотип при этом не изменяется. В целом современное понятие «адаптивные модификации» соответствует понятию «определённой изменчивости», которое ввёл в науку Чарльз Дарвин.
Под действием определённых условий окружающей среды на организм изменяется течение ферментативных реакций(активность ферментов) и может происходить синтез специализированных ферментов, некоторые из которых (МАР-киназа и др.) ответственны за регуляцию транскрипции генов, зависящую от изменений окружающей среды. Таким образом, факторы окружающей среды способны регулировать экспрессию генов, то есть интенсивность выработки ими специфических белков, функции которых отвечают специфическим факторам окружающей среды.
МОДИФИКАЦИЯ (от лат. modus — мера, вид и facio — делаю)— фенотипическое изменение организма под воздействием факторов внешней среды, Модификации не затрагивают структуру гена, меняется лишь уровень его экспрессии. Чаще всего модификации носят адаптивный характер. Например, изменение размера листовой пластинки в зависимости от освещенности. Неадаптивные модификации называются морфозами и представляют собой аномалии или уродства (см. Морфоз). Предел модификационной изменчивости называется нормой реакции. Чем шире норма реакции, тем выше адаптивные возможности организма. Более широкой нормой реакции обладают количественные признаки, развитие которых определяется несколькими генами (полигенно). Существуют длительные модификации, которые сохраняются на протяжении ряда поколений даже в отсутствии вызвавшего их фактора. Механизм длительных модификаций пока не установлен.
Пример модификации у человека - развитие мускалатуры
Предел проявления модификационной изменчивости организма при неизменном генотипе — норма реакции. Норма реакции обусловлена генотипом и различается у разных особей данного вида. Фактически норма реакции — спектр возможных уровней экспрессии генов, из которого выбирается уровень экспрессии, наиболее подходящий для данных условий окружающей среды. Норма реакции имеет пределы или границы для каждого биологического вида (нижний и верхний) — например, усиленное кормление приведёт к увеличению массы животного, однако она будет находиться в пределах нормы реакции, характерной для данного вида или породы. Норма реакции генетически детерминирована и наследуется. Для разных признаков пределы нормы реакции сильно различаются. Например, широкие пределы нормы реакции имеют величина удоя, продуктивность злаков и многие другие количественные
Границы модификационной изменчивости определяет норма реакции. Она контролируется генотипом и наследуется. Если признак имеет узкую норму реакции, он изменяется незначительно (например, жирность молока у крупного рогатого скота). Признак с широкой нормой реакцииизменяется в широких пределах (например, масса тела).
признаки, узкие пределы — интенсивность окраски большинства животных и многие другие качественные признаки.
Тем не менее, для некоторых количественных признаков характерна узкая норма реакции (жирность молока, число пальцев на ногах у морских свинок), а для некоторых качественных признаков — широкая (например, сезонные изменения окраски у многих видов животных северных широт). Кроме того, граница между количественными и качественными признаками иногда весьма условна.
При фенокопиях измененный под действием внешних факторов признак копирует признаки другого генотипа (пример: прием алкоголя во время беременности приводит к комплексу нарушений, которые могут копировать симптомы болезни Дауна).