Регуляция экспрессии генов у прокариот

Структурная организация оперона

Согласно теории оперона, регуляция у прокариот осуществляется на уровне транскрипции. Оперон — это специфический участок молекулы ДНК, состоящий из нескольких элементов:

• Промотор: стартовая площадка, с которой связывается фермент РНК-полимераза.
• Оператор: контрольный участок, управляющий запуском транскрипции. Важная особенность заключается в том, что зоны оператора и промотора частично накладываются друг на друга.
• Структурные гены: содержат информацию о группе белков (ферментов), которые совместно участвуют в одном метаболическом пути.

Работой оперона управляет белок-репрессор. Информация о его строении зашифрована в гене-регуляторе, который располагается на некотором удалении от самого оперона. Этот белок синтезируется в клетке с постоянной скоростью, а активность гена-регулятора контролируется его собственным белковым продуктом. Если репрессор связан с оператором, он создает физическое препятствие для РНК-полимеразы, и процесс транскрипции не запускается.

Механизм индукции (Лактозный оперон)

Этот тип регуляции характерен для катаболических путей, то есть реакций распада. В данном случае исходный субстрат (лактоза) выступает в роли индуктора.

1. В отсутствие лактозы: Активный белок-репрессор прочно держится за оператор. Комплекс блокирует РНК-полимеразу, поэтому транскрипция структурных генов не идет.
2. При появлении лактозы: Концентрация индуктора растет, и его молекулы связываются со специальным центром белка-репрессора. Из-за этого репрессор меняет свою пространственную конформацию, его сродство к оператору резко снижается, и он отсоединяется от ДНК, уходя в цитозоль.

Освобожденный путь позволяет РНК-полимеразе связаться с промотором. Начинается считывание генов и образуется единая полицистронная мРНК. Затем на рибосомах синтезируются ферменты для утилизации лактозы: $\beta$-галактозидаза (белок А), пермеаза (белок В) и галактозидтрансацетилаза (белок С). По мере расщепления лактозы её концентрация падает, и система постепенно возвращается в исходное состояние.

Механизм репрессии (Гистидиновый и Изолейциновый опероны)

Регуляция по механизму репрессии работает по принципу отрицательной обратной связи и типична для анаболических процессов (синтеза молекул). Здесь конечный продукт метаболизма работает как корепрессор.

• Синтез идет (дефицит продукта): Ген-регулятор производит белок-репрессор в изначально неактивной форме (апорепрессор). Он не имеет сродства к оператору и не мешает РНК-полимеразе. В результате беспрепятственно синтезируются нужные ферменты. Например, в гистидиновом опероне транскрибируются 10 структурных генов, кодирующих ферменты для создания гистидина.
• Синтез заблокирован (избыток продукта): При накоплении конечного вещества (гистидина или изолейцина) молекулы корепрессора связываются с неактивным белком-репрессором. Происходит аллостерическое изменение структуры, и формируется активный комплекс «репрессор + корепрессор». Его сродство к ДНК резко возрастает, комплекс садится на оператор и стерически закрывает путь РНК-полимеразе. Транскрипция прекращается.

Аналогичным образом регулируется биосинтез изолейцина из треонина у бактерий E. coli: высокая концентрация синтезированного изолейцина вызывает ретроингибирование, выключая экспрессию соответствующих структурных генов и предотвращая избыточное накопление аминокислоты в клетке.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Структура и каталитические функции $\beta$-галактозидазы, пермеазы и трансацетилазы.
• Метаболический путь биосинтеза изолейцина из треонина у прокариот.
• Молекулярные механизмы аллостерической регуляции конформации белков-репрессоров.
• Специфика трансляции полицистронной мРНК на рибосомах бактерий.

Другие темы раздела «Матричные биосинтезы»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.