Регуляция экспрессии генов у прокариот

Регуляция транскрипции в клетках осуществляется на уровне индивидуальных генов, их блоков и даже целых хромосом. Возможность управления многими генами, как правило, обеспечивается наличием у них общих регуляторных последовательностей нуклеотидов, с которыми взаимодействуют однотипные факторы транскрипции. В ответ на действие специфических эффекторов такие факторы приобретают способность с высокой точностью связываться с регуляторными последовательностями генов. Следствием этого является ослабление или усиление транскрипции (репрессия или активация) соответствующих генов.

РЕГУЛЯЦИЯ НА УРОВНЕ ИНИЦИАЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ

Активность многих генов прокариот регулируется с помощью белковых факторов, взаимодействующих с регуляторными участками промоторов генов. При этом происходят как активация транскрипции генов, так и подавление считывания генетической информации РНК-полимеразами. В первом случае регуляторные белковые факторы называют активаторами, осуществляющими позитивную регуляцию транскрипции, а во втором - репрессорами. Регуляцию, связанную с подавлением транскрипции, называют негативной.

У активируемых бактериальных промоторов образование открытых комплексов в отсутствие активаторов является лимитирующей стадией при инициации транскрипции. Первичная структура активируемых промоторов весьма слабо соответствует каноническим структурам.

Механизмы инициации транскрипции.

1. Распространенным механизмом активации транскрипции с помощью белков-активаторов является облегчение ее инициации РНК-полимеразой после образования контакта между ферментом и белком-активатором, связанными с регуляторной областью промотора, что сопровождается конформационными изменениями РНК-полимеразы.

2. Многие активаторы транскрипции, в том числе и Сrр-сАМР, сгибают молекулу ДНК после взаимодействия с ней, причем центр такого изгиба находится в сайте связывания активатора. Изгибание ДНК служит для обоспечения контакта между специфическими областями поверхностей молекул активатора и РНК-полимеразы. Важным следствием образования контактов между активаторами и холоферментом РНК-полимеразы является часто наблюдаемый синергизм в связывании обоих белков с соответствующими промоторами.

3. Некоторые регуляторные элементы бактерий, участвующие в активации транскрипции могут располагаться на большом расстоянии (нескольких сотен нуклеотидов) от промоторов на которые они оказывают свое действие. В этом случае контакт активатора с РНК-полимеразой обеспечивается благодаря выпетливанию участка ДНК, расположенного между данными регуляторными элементами, что приводит к пространственному сближению двух белков.

Другим путем достижения белком-активатором молекулы РНК-полимеразы на удаленном промоторе (например, промоторе поздних генов бактериофага Т4) является его перемещение вдоль отрезка ДНК, разделяющего эти два регуляторных элемента. Процесс такого перемещения может быть инициирован последовательностями нуклеотидов, расположенными выше или ниже промотора на расстоянии нескольких сотен пар оснований.

4. Одним из давно обсуждающихся вопросов является необходимость изменения структуры ДНК в окрестностях промоторов под действием белков-активаторов для активации транскрипции.

В ряде случаев такие доказательства были получены. Так, в mer-локусе Е. coli, обеспечивающем устойчивость бактериальных клеток к ионам ртути, связывание Меr-белка с регуляторным участком промотора (mеrТ) в присутствии ртути сопровождается раскручиванием спирали ДНК в районе промотора на ~50°. Это приводит к образованию правильного расстояния между сайтами связывания активатора и промотором, так как первый расположен необычно - между нуклеотидами в положениях -35 и -10 промотора. Без такого изменения структуры ДНК связавшийся с ним активатор не может образовать правильного контакта с РНК-полимеразой.

Механизм репрессии транскрипции

1. Простейший механизм репрессии заключается в стерическом блокировании связывания РНК-полимеразы с промотором. Это происходит в том случае, если последовательности нуклеотидов мест посадки РНК-полимеразы на промотор и репрессора на оператор перекрываются.

2. Некоторые бактериальные белки-репрессоры могут оказывать свое негативное действие на этапы инициации, происходящие после связывания РНК-полимеразы с промотором.

Например, молекулы репрессора gal-оперона Е. coli, связавшиеся с операторами O_Е и O_I центры последовательностей которых расположены соответственно на расстояниях -60, 5 и +53, 5 по отношению к точке инициации транскрипции, вызывают образование петли участка ДНК, заключенного между ними, но не препятствуют взаимодействию РНК-полимеразы с промотором. Они оказывают свое действие на последующие этапы инициации, предшествующие образованию первой фосфодиэфирной связи. В том случае, если лишь одна молекула репрессора связывается с внешним оператором O_Е, он частично ингибирует транскрипцию путем взаимодействия с α -субъединицей РНК-полимеразы. Это сопровождается понижением уровня, но не полным прекращением синтеза РНК gal- oпepoна, т.е. более тонким изменением уровня экспрессии соответствующих генов.

Регулирование экспрессии генов

1. Низкомолекулярные эффекторы могут изменять активность РНК-полимеразы не только опосредованно через белки-регуляторы, но и непосредственно при взаимодействии с ферментом.

Например, с помощью гуанозинтетрафосфата (ррGрр) в клетках Е. coli осуществляется координация экспрессии генов рибосомных РНК (рРНК) и белков. Этот необычный нуклеотид (известный также под названием " магического пятна") синтезируется бактериальными клетками в условиях внутриклеточного недостатка аминокислот, что приводит к значительному снижению интенсивности транскрипции генов рРНК и белков и одновременной стимуляции синтеза РНК оперонов, контролирующих биосинтез аминокислот. В присутствии ppGpp очищенная РНК-полимераза прекращает синтез рРНК с одного из двух промоторов этих оперонов, что приводит к ослаблению, но не полному прекращению их транскрипции.

2. У бактерий имеются белки-регуляторы, обладающие активностью как активатора, так и репрессора транскрипции.

Такими " амфотерными" свойствами обладает, в частности, репрессор сI фага λ. Белок-активатор катаболитных оперонов (Сrр-белок) активирует транскрипцию бактериальных генов, продукты которых участвуют в расщеплении (катаболизме) различных органических соединении (преимущественно сахаров), используемых растущей бактериальной клеткой в качестве источника углерода. Свои свойства активатора Сrр-белок приобретает лишь в комплексе с циклическим АМР (сАМР). Внутриклеточная концентрация сАМР возрастает у бактерий, растущих на бедных питательных средах, и понижается в условиях избытка легко усвояемых источников углерода, например глюкозы. Поэтому система Сrр-сАМР обеспечивает включение экспрессии катаболитных оперонов лишь на бедных питательных средах. Сrр-белок может выступать и в роли репрессора транскрипции генов галактозного оперона Е. coli. Если все гены катаболитных оперонов активируются Сrр-белком в присутствии сАМР, то негативная регуляция их транскрипции происходит индивидуально. Хорошо известными примерами такого рода являются регуляции транскрипции lac-оперона Е. coli под действием Lac-репрессора, а также галактозного и арабинозного оперонов специфическими белками-репрессорами этих оперонов.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА РНК НА УРОВНЕ ЭЛОНГАЦИИ И ТЕРМИНАЦИИ

РНК-полимераза в процессе элонгации цепей РНК перемещается неравномерно вдоль матричной ДНК и во время ее движения имеют место остановки (паузы). Время задержки молекул РНК-полимеразы в определенных участках транскрибируемых генов меняется под действием различных белковых факторов. При этом эффективность транскрипции соответствующих фрагментов ДНК зависит от последовательностей нуклеотидов, окружающих транскрибируемые участки генов.

Основная регуляторная роль терминаторов транскрипции заключается в прекращении синтеза РНК на границе гена и освобождении полученной РНК из транскрипционного комплекса. Терминаторы встречаются не только на границах одиночных генов, но и в конце генов, входящих в состав оперонов. Эффективность терминации транскрипции на таких внутренних терминаторах может регулироваться, что сопровождается изменением скорости синтеза РНК на последовательностях нуклеотидов оперонов, расположенных за терминаторами.

Функционирование аттенюаторов - регулируемых терминаторов транскрипции бактерий, сопряжено с синтезом лидерного пептида рибосомами. Этот тип регуляции используется грамотрицательными бактериями для изменения уровня транскрипции многих оперонов, контролирующих биосинтез аминокислот. Отличительной чертой такого типа регуляции является образование альтернативных вторичных структур РНК, которые формируются под влиянием рибосом, прекращающих трансляцию на кодонах аминокислот, которые клеткам необходимо синтезировать. В дополнение к этому, как прокариоты, так и эукариоты обладают способностью реагировать на многие внеклеточные и внутриклеточные процессы изменением скорости элонгации транскриптов.

Влияние условий роста бактериальных клеток на элонгацию цепейРНК. Механизмы преждевременной терминации транскрипции и антитерминации интенсивно используются бактериями для регуляции внутриклеточного метаболизма при изменении условий роста клеток. В частности, скорости синтеза рРНК и тРНК строго координированы со скоростью роста, и наоборот, число делений клеток в единицу времени прямо зависит от скорости транскрипции соответствующих оперонов. Совокупность событий, развивающихся у бактерий в ответ на изменение скорости их роста, например при изменении содержания питательных веществ в среде, получила название строгого ответа. Первичной сигнальной молекулой строгого ответа является гуанозинтетрафосфат - ppGpp, который уменьшает скорость элонгации РНК-полимеразой и вызывает преждевременную терминацию транскрипции в rrnВ-опероне.

Транскрипция оперонов рибосомных белков также контролируется на уровне элонгации. В частности, у Е. coli транскрипция оперона, кодирующего рибосомный белок S10 и десять других рибосомных белков, контролируется через задержку транскрипции, для реализации которой используется продукт третьего гена оперона - рибосомный белок L4. Этот белок взаимодействует со шпилькой синтезируемой РНК, вызывая преждевременную терминацию транскрипции в лидерном участке гена S10 - первом гене оперона. В отличие от классической аттенюации альтернативные вторичные структуры РНК в этом случае не являются причиной изменения эффективности транскрипции соответствующего участка ДНК. Белок L4 связывается со шпилькой на 70-80 нуклеотидов выше сайта терминации транскрипции. Шпилька в синтезируемой РНК образуется выше сайта терминации независимо от присутствия белка L4, однако без него молекула РНК-полимераэы не замечает сигнала терминации транскрипции. Этот механизм предотвращает накопление в клетке свободных рибосомных белков, не включившихся в состав рибосомных субчастиц.

Транскрипция оперона биосинтеза пиримидинов у Е. coli регулируется как на уровне элонгации, так и на этапе освобождения промотора. Первый тип регуляции является еще одним примером классической аттенюации, тогда как во втором случае реализуется нетривиальный механизм. Оперон индуцируется в присутствии низких внутриклеточных концентраций UTP. При повышении ее содержания транскрипционный комплекс продолжает эффективно формироваться на промоторе, однако во время инициации РНК-полимераза начинает реитеративный синтез гомополимера. Синтезируются длинные цепи поли(U), а в продуктивную фазу синтеза РНК фермент не вступает, потому что не может покинуть промотор.

Регуляция транскрипции не всех бактериальных оперонов биосинтеза аминокислот у бактерий следует сценарию аттенюации, характерному для trp-, his-, leu- и ilv -onepонов Е. coli.

В частности, транскрипция trp-оперона В. subtilis также регулируется на уровне элонгации, однако в этом случае в регуляции участвует РНК-связывающий белок TRAP, который, кроме того, взаимодействует с триптофаном. После образования комплекса с триптофаном белок TRAP приобретает способность связываться с РНК оперона в ее лидерном участке. Такое взаимодействие модифицирует вторичную структуру РНК, что способствует терминации транскрипции. В отличие от Е. coli на процесс транскрипции trp-оперона у В. subtilis рибосомы не оказывают прямого влияния.

Литература

Патрушев Л.И. Экспрессия генов. - М.: Наука, 2000. - 527 с.