Триптофановий оперон – приклад репресибельних оперонів

У триптофановом опероні, як і в лактозном, теж є подвійний механізм регуляції. По-перше, як завжди, регулюється переміщення РНК-полімерази по оператору. Другим же (і чутливішим) об'єктом регуляції є не зв’язування РНК полимерази з промотором, а закінчення транскрипції на атенюаторі.

Нагадаємо: атенюатор - це присутня в деяких оперонах ділянка ДНК між оператором і генами, на якому за певних умов припиняється транскрипція оперону.

Як правило, оперони, що мають атенюатор, є репресибельними і контролюють синтез (анаболізм) того або іншого необхідного компонента - наприклад, аминокислоти: триптофану, гістидину, фенілаланина.

Схема триптофанового оперону: Пр – промотор, О - оперон, Л – лидерний відділ оперона, Ат – атенюатор, R – білок репресор, Е- РНК-полімераза, ЛП – лідерний пептид, Е₁…Е₅ – ферменти синтезу триптофана, Р₁…Р₄ – проміжні метаболіти синтезу триптофана.

Триптофановый оперон включає 5 цистронів які кодують 4 ферменти заключного етапу утворення триптофану. При цьому останній фермент містить субодиниці 2 видів, тому кодується двома цистронами. Разом з тим, ген останнього ферменту ланцюга знаходиться поза даним опероном.

За промотором і оператором в оперонах цього типу знаходиться т. з. лідерний відділ; саме він закінчується атенюатором.

In процесі транскрипції цього відділу утворюється лідерна ділянка мРНК. Останній тут зв'язує рибосому і починаэ трансляцію з утворенням лідерного пептиду (ЛП). Ключова особливість останнього - серед його 14 амінокислотних залишків містяться 2 залишки триптофану, тобто тої самої амінокислоти, синтез якої контролюється опероном.

Аналогічно, в ЛП фенілаланінового оперону серед 15 залишків - 7 залишків фенілаланіна, а в ЛП гістидинового оперона - 7 підряд залишків гістидину. Тому механізм атенюаторної регуляції в усіх цих випадках однаковий.

Повернемося до триптофановому оперону. Коли in клітині достатня кількість триптофану, то синтез лідерного пептиду йде без затримки: рибосома, що його утворює, відстає від РНК-полімерази. В цих умовах при досягненні РНК-полімеразою атенюатора з високою часткою ймовірності спрацьовує сигнал про закінчення транскрипції: РНК-полімераза диссоціює на ДНК і гени не зчитуються.

Таким чином, триптофан, швидко включаючись в лідерний пептид, блокує через атенюаторний механізм синтез ферментів, необхідних для його утворення. Правда, блокування це - не повне, оскільки зберігається невелика вірогідність того, що РНК-полімераза все ж здолає атенюаторну ділянку.

Якщо, навпаки, концентрація триптофану в клітині низька, то рибосома затримується з синтезом лідерного пептиду і відстає від РНК-полімерази. Це так змінює конфігурацію ДНК або лідерного відділу мРНК, що сигнал про закінчення трансляції на атенюаторі не спрацьовує. Кожна молекула РНК-полімерази проходить цю "небезпечну" ділянку і транскрибує гени. Тобто активно синтезуються ферменти, необхідні для поповнення запасу триптофану в клітині.

Відмітимо: зміст триптофану в самих цих ферментах дуже невелике. Тому його дефіцит в клітині не дуже сильно позначається на швидкості трансляції структурних цистронів мРНК (на відміну від синтезу лідерного пептиду).

Отже, через атенюаторный механізм триптофан може пригнічувати активність "свого" оперону, але, як було сказано, не до кінця.

Глибше пригнічення активності оперону відбувається при дуже високій концентрації триптофану. Тоді реалізується другий (і загальний) спосіб регуляції. Триптофан зв’язуються із специфічним білком-репресором і підвищує його спорідненість до оператора триптофанового оперону. Це повністю блокує цей оперон.

ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ У ЕУКАРІОТ

Гени ряду білків і РНК

Тепер звернемося до еукариот.

Як ми знаємо, одна з відмінних рис більшості генів еукаріот - наявність в їх складі некодуючих ділянок - інтронів.

Інша особливість полягає в тому, що разом з унікальними генами (представленими в гаплоїдному геномі одиничним числом копій) зустрічаються гени, що багаторазово повторюються.

Щоб проілюструвати ці дві особливості, розглянемо деякі конкретні гени.

Гени гістонів

Гістони - основні (по кислотно-лужних властивостям) білки, що беруть участь у формуванні нуклеосомної структури хроматину. Кожен з п'яти видів цих білків (Н1, Н2А, Н2В, Н3 і Н4) кодується відповідним геном.

Ось характерні риси організації цих генів (див.мал):

а) всі 5 гістонових генів згруповані в єдиний кластер довжиною приблизно в 6900 н.п.

б) такі кластери повторюються в геномі багатократно: у людини – приблизно 35 раз (в гаплоїдному наборі хромосом), у морського їжака – 300-1000 раз. Це пришвидшує синтез гістонів в S- фазі клітинного циклу.

В хромосомі кластери слідують тамдемно один за одним.

в) В різних кластерах однотипні гістонові гени не завжди повністю ідентичні. Тому і самі гістони (Н1, Н2А, Н2В) дуже схожі, але в різних білках.

г) В усіх кластерах гени розташовуються в одній і тій же послідовності і розділені між собою спейсерами.

На спейсеры припадає близько 70 % усієї довжини кластера.

д) Важлива особливість гістонових генів - відсутність в них інтронів (чим вони відрізняються від більшості генів еукаріот).

Інша особливість - відносний високий вміст пар ГЦ : так, в гені Н3 воно дорівнює 0,52, а в середньому по усій ДНК людини - 0,39.

е) У людини і більшості інших еукаріот в усіх п'яти гістонових генах в якості кодуючої виступає один і той же ланцюг ДНК.

У дрозофіли, як вже відзначалося, в кластері гістонових генів в трьох випадках (гени Н1, Н2А і Н3) кодуючим є один ланцюг, а в двох інших випадках (гени Н2В і Н4) - інший ланцюг. При цьому гени розташовані в такому порядку (Н1, Н2В, Н2А, Н4, Н3), що гени з протилежною орієнтацією правильно чергуються один з одним.

ж) Виключаючи дрозофілу, у еукаріот кластер гістонових генів транскрибується як єдине ціле - у вигляді однієї довгої про-мРНК, яка містить інформацію про усі п'ять гістонові білки.

Але при дозріванні цієї про-мРНК вона розрізається на п'ять окремих гістонових мРНК.

У дрозофіли гени гістонів повинні транскрибуватися окремо, причому у різних напрямах.

Гени рибосомних РНК

Як уже згадувалося, до складу рибосом входять рРНК чотирьох видів.

Дані РНК розрізняються по константі седиментації; відповідно до цього їх і позначають:

а) Гени усіх рРНК локалізуються в ядерцевих організаторах, тобто тих ділянках хромосом, які асоційовані з ядерцями.

При цьому ген найменшої рРНК (5S-рРНК) розташовується окремо від генів інших рРНК. А гени інших трьох рРНК об'єднані в кластер (див.мал.).

б) Подібно гістоновим генам, гени рРНК представлені великим числом копій. У людини кількість копій (у розрахунку на гаплоїдний геном) приблизно дорівнює 100, у жаби в соматичних клітинах - близько 900.

У дозріваючих ооцитах жаби відбувається вибіркове і різке збільшення числа генів рРНК (т. з. ампліфікація) - до 2 млн. копій на ядро.

в) Інша схожість з гістоновими генами полягає у відсутності інтронів, а також у вищому (чим в середньому по ДНК) відносному вмісті пар ГЦ.

г) Довжина кластера трьох генів рРНК - приблизно 8000 н. п. У кластері гени розділені двома спейсерами, але особливо великим є спейсер між сусідніми кластерами - близько 5000 н. п.

д) Кожен кластер знову (подібно до кластера гістонових генів) транскрибується як єдине ціле: утворюється одна молекула про-рРНК, що містить (окрім спейсеров) послідовність усіх трьох рРНК.

Таким чином, організація генів рРНК і гістонів є дуже схожою.

Гени гемоглобіну

У нормі, як відомо, зустрічаються 4 види гемоглобіну (Нb), до складу яких входять субодиниці 5 видів:

Причому в Нb F-ланцюга бувають двох видів: γ^G і γ^А (відмінність - по одному амінокислотному залишку).

Відповідно, білкова частина Нb кодується шістьма генами: α, β, δ, ε, γ^G і γ^А. (Крім того, декілька генів кодують ферменти синтезу тема - небілкового компонента Нb).

а) На відміну від попередніх генів, гени Нb вважаються унікальними: представлені дуже невеликим числом копій.

б) При цьому α-ген глобіну знаходиться в іншій хромосомі, ніж інші глобінові гени, і повторюється в цій хромосомі двічі.

А чотири глобінові гени - γ^G, γ^А, α і β - об'єднані в кластер (див.мал.), який теж повторюється лише декілька раз.

Таке розташування генів може мати два не виключаючих один одного пояснення.

По-перше, гени, що входять в кластер, мабуть, утворились в еволюції з одного гена, який кілька разів подвоювався. Після цього його копії еволюціонували кожна по-своєму.

По-друге, субодиниці, що кодуються цими генами, на відміну від α-ланцюгів, входять до складу лише якогось одного виду Нb, який утворюється на певній стадії онтогенезу. Сусідство відповідних генів може полегшувати перемикання активності з одного гена на інший.

в) В глобіновому кластері дуже великі три спейсерні ділянки: варіюючи від 4000 до 14 000 н. п., вони складають більшу частина довжини кластера.

Усередині генів містяться досить великі діялнки интронів: в гені β їх два - з довжиною 120 і 555 н. п.

г) Транскрибуються гени глобінового кластера, очевидно, окремо один від одного (оскільки їх експресія проходить на різних стадіях онтогенезу).