Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4

Сделаем небольшое отступление, чтобы обсудить регуляцию активности генов. Обсудим мы ее на примере бактерий. У них регуляция активности генов несколько проще, чем у высших организмов, но принцип тот же. Мы уже говорили о переключении работы групп генов при помощи изменения сродства РНК-полимеразы к промотору. Напомним. РНК-полимераза — это фермент, который считывает генетическую информацию с ДНК и синтезирует матричную РНК. Как вы помните, в РНК-полимеразе есть а-фактор — белок, который распознает промотор и помогает РНК-полимеразе на него сесть и начать транскрипцию. Таким образом переключается работа больших групп генов, это такая системная регуляция. Клетка переключается с одной жизненной программы на другую. Сегодня будет рассказано о еще двух системах регуляции. Они называются катаболитная активация (или катаболитная репрессия), и активация-репрессия отдельных оперонов. Оказалось, что у бактерий группы генов, которые кодируют совместно работающие белки, расположены рядом. Ниже приведен пример лактозного оперона (гены, кодирующие белки, которые перерабатывают лактозу). Первый фермент, кодируемый геном lacZ, необходим для расщепления лактозы при извлечении энергии из сахара лактозы; ген lacY кодирует фермент пермеазу, который переносит лактозу из внешней среды внутрь клетки; третий ген также кодирует фермент, метаболизирующий лактозу. Эти три гена находятся рядом друг с другом, и считываются с одного промотора.

Гены, транскрибируемые с одного промотора, называются опероном. В данном случае мы говорим о лактозном опероне. Концепция оперона была предложена Жакобом, Моно и Вольманом, за что они получили Нобелевскую премию.

Каким же образом регулируется работа этого оперона? Для того, чтобы он работал, необходимо, чтобы РНК-полимераза распознала промотор и начала синтез матричной РНК. При этом в ней будут считаны сразу три гена, и с полученнрой мРНК будут синтезированы три отдельных белка. Выгодно было бы для кишечной палочки включать работу лактозного оперона, когда лактоза есть, и выключать, когда лактозы нет. Эта система работает следующим образом. После промотора, до начала структурных генов (гены, кодирующие белки), находится участок, который называется оператор. На нем в отсутствии лактозы находится белок, называемый белком-репрессором лактозного оперона. Он кодируется отдельным геном, находящимся рядом с лактозным опероном и постоянно работающим. С этого гена синтезируется своя мРНК, с нее транслируется белок-репрессор, и этот репрессор садится на операторный участок. Когда здесь находится белок-репрессор, РНК-полимераза не может сесть на промотор и начать синтез. Белок-репрессор физически не дает ей этого сделать. Если в среде появляется лактоза, она связывается с белком-репрессором, тот меняет свою конфигурацию и отваливается от оператора. РНК-полимераза может начать свою работу и считать структурные гены. То есть, в присутствии лактозы синтез мРНК лактозного оперона разрешен, в ее отсутствие — запрещен, репрессирован.

В присутствии глюкозы для Е. coli не выгодно использовать другие сахара — лактозу, галактозу, мальтозу (период генерации при росте на глюкозе — 50 мин, на лактозе — 80 мин). При использовании лактозы необходимы некоторые дополнительные реакции, переводящие ее в форму, которую клетка может использовать.

Значит, если во внешней среде имеются одновременно и лактоза, и глюкоза, то запускать обработку лактозы невыгодно; нужно использовать более выгодную для клетки глюкозу. Существует несколько возможных алгоритмов того, как это сделать, некоторые из которых реализуются в других оперонах. Для лактозного оперона природа придумала такое решение. У кишечной палочки есть белок, который вместо того, чтобы репрессировать этот оперон, его активирует. Этот белок называется белок-активатор катаболитных генов (БАК, английская аббревиатура ВАС). Дело в том, что лактозный промотор сам по себе не настолько сильный, чтобы с него шла хорошая транскрипция. БАК садится перед промотором и помогает РНК-полимеразе начать транскрипцию. Без этого белка РНК-полимераза не способна запустить транскрипцию с лактозного промотора. А сесть перед промотором белок может только тогда, когда в клетке нет глюкозы.

Как устроена эта система. Дело в том, что БАК способен связаться с ДНК только тогда, когда белку присоединен циклический аденазинмонофосфат (цАМФ). Это вещество образуется из АТФ специальным ферментом аденилатциклазой. В присутствии глюкозы аденилатциклаза блокируется и концентрация цАМФ в клетке падает, и цАМФ больше не может связываться с БАК. БАК диссоциирует с промотра, транскрипция прекращается. Когда глюкоза попала в клетку, она ингибирует работу аденилатциклазы, белок слезает не только с лактозного, но и с некоторых других промоторов, в частности, прекращается метаболизм мальтозы и некоторых других сахаров прекращается, потому что глюкоза — наиболее выгодный продукт.