Опероны

Общий план строения оперона

Оперонная организация генома типична для прокариот, хотя встречается и у других организмов. Классический оперон состоит из структурной и регуляторной частей, которые работают как единый механизм.

Основные элементы оперона:

• Структурные гены. Это последовательности ДНК, в которых зашифрована информация о белках, тРНК и рРНК. Транскрипция этих генов идет совместно, поэтому на выходе получается единая молекула — полицистронная РНК.
• Промотор. Стартовая площадка для фермента РНК-полимеразы. Он может примыкать к следующему звену или даже перекрываться с ним.
• Оператор. Своеобразный «рубильник», контролирующий работу структурных генов. С этим участком связываются специфические регуляторные белки. Если оператор свободен, транскрипция протекает беспрепятственно; если заблокирован белком-репрессором — останавливается.
• Терминатор. Финальный участок, на котором синтез РНК завершается.

Обратите внимание, что ген-регулятор не входит в состав самого оперона. Он располагается поодаль, снабжен собственным промотором и отвечает за синтез регуляторного белка. Этот белок обладает высоким сродством к оператору и физически взаимодействует с ним.

Типы контроля экспрессии

В зависимости от того, как регуляторный белок влияет на РНК-полимеразу, выделяют два основных типа контроля работы оперона.

У прокариотических организмов механизмы управления генами чаще всего реализуются по типу негативной регуляции.

Лактозный оперон (Lac-оперон)

Работа лактозного оперона (Lac-оперона) — классический пример негативной индукции. Регуляторный ген lacI кодирует белок-репрессор, а структурные гены кодируют ферменты для расщепления и транспорта лактозы: $\beta$-галактозидазу (lacZ), $\beta$-галактозидпермеазу (lacY) и $\beta$-галактозидтрансацетилазу (lacA). Продукт гена lacA крайне важен: он переводит лактозу в форму алло-лактозы, которая выступает в роли индуктора.

1. Фаза индукции (включение) Происходит, когда в среде появляется лактоза:

1. Синтезированный белок-репрессор находится в клетке.
2. Образовавшаяся алло-лактоза связывается с активным центром репрессора.
3. Третичная структура белка-репрессора меняется, из-за чего он теряет способность удерживаться на операторе.
4. Оператор освобождается, РНК-полимераза садится на промотор, и начинается синтез ферментов для усвоения сахара.

2. Фаза инактивации (выключение) Срабатывает, когда запасы лактозы исчерпаны:

1. Индуктор (алло-лактоза) отсутствует.
2. Белок-репрессор возвращается в исходную форму и прочно связывается с оператором.
3. Создается физическое препятствие в операторно-промоторной зоне.
4. РНК-полимераза не может присоединиться к ДНК, транскрипция прекращается, ферменты не образуются.

Триптофановый оперон

Триптофановый оперон содержит гены, отвечающие за биосинтез аминокислоты триптофан. Его работа строится по принципу негативной репрессии. В отличие от лактозной системы, здесь подавление работы генов вызывает сам конечный продукт — триптофан, который выступает в роли корепрессора.

Изначально синтезируемый белок-репрессор (апорепрессор) неактивен, так как распадается на мономеры. Пока триптофана нет, оператор свободен, РНК-полимераза работает, и клетка синтезирует аминокислоту.

Как только концентрация триптофана становится достаточной, он связывается с неактивным белком-репрессором. Это взаимодействие меняет пространственную конфигурацию белка — он активируется, присоединяется к оператору и наглухо блокирует транскрипцию. Синтез останавливается, поскольку клетка уже обеспечена необходимым веществом.

Опероны эукариот

Долгое время в биологии господствовало мнение, что оперонный принцип строения генома — эксклюзивная черта прокариот. Однако современные генетические исследования опровергли эту догму.

Выяснилось, что эукариотические гены также могут объединяться в опероны. Яркий пример — свободноживущие нематоды (Caenorhabditis elegans), в геноме которых обнаружены опероны, включающие до восьми генов. Кроме того, подобные генетические конструкции найдены у трипаносом, некоторых видов мух, растений и даже у млекопитающих.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Пространственные изменения третичной структуры белка-репрессора
• Функции β-галактозидазы и β-галактозидпермеазы в метаболизме
• Молекулярные отличия оперонов прокариот и эукариот
• Детальный механизм позитивного контроля транскрипции
• Специфика транскрипции полицистронной мРНК у нематод

Другие темы раздела «Молекулярная генетика»

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