Бактериофагλ

Бактериофаг λ оказался настоящей сокровищницей систем генетической регуляции, изучение которых позволило заметно расширить и углубить наши представления о механизмах генетической регуляции у прокариот. В процессе литического развития гены фага λ (см. гл. 7) регулируются таким образом, чтобы обеспечивать контролируемую репликацию ДНК, рекомбинацию, синтез структурных белков и сборку частиц потомства фага. В то же время лизогенам по фагу λ присущ иной способ экспрессии генов. В лизогенных бактериях репрессированы все гены профага, используемые при литическом развитии, и экспрессируется только один ген, обозначаемый cl, который контролирует репрессию генов профага. Экспрессия гена cl в лизогенах обеспечивает также иммунитет клетки к повторной инфекции другим фагом λ.

Ключевой вопрос регуляции развития фага λ состоит в том, каким образом принимается решение о выборе между лизогенным и литическим путем развития после инфекции чувствительных клеток. Изучение механизма такого выбора привело генетиков к открытию многих важных особенностей физиологии бактерий и организации систем генетической регуляции. Развитие представлений о регуляции генов фага λ происходило параллельно с изучением регуляции экспрессии генов

Айала ф., Кайгер Дж. Современная генетика: в 3-х т. Т. 2. Пер. С англ.: – м.: Мир, 1988. – 368 с.

184 Экспрессия генетического материала

Рис. 15.13. Карта ДНК фага λ; показано положение регуляторных участков и транскрибируемых зон. Три цветные стрелки указывают на стадию транскрипции, которая начинается с промоторов PR, PL, PR' и заканчивается на терминаторах tL1 , tR1 и tR' . Светло-серыми стрелками отмечена стадия транскрипции, протекающая в присутствии	антитерминаторного белка N, а темно-серыми стрелками -III стадия, протекающая в присутствии антитерминаторного белка Q. Волнистыми стрелками обозначена транскрипция под контролем белка cII, черной стрелкой -транскрипция гена cI с промотора prm·

утилизации лактозы. В обоих случаях было найдено, что структурные гены организуются в опероны, экспрессия которых контролируется репрессорами. Большая сложность фага λ позволила гораздо глубже понять механизмы генетической регуляции.

Рассмотрим вначале порядок экспрессии генов фага λ после попадания ДНК инфицирующего фага в чувствительную клетку. В экспрессии фаговых генов можно выделить три стадии, причем каждая последующая стадия зависит от предшествующей. На стадии I, которая начинается сразу после инфекции, РНК-полимераза инициирует транскрипцию с трех промоторов: Р_L и p_r, с каждой стороны от гена cI, а также с Р_R', расположенного между генами Q и S (см. рис. 15.13, желтые стрелки). Это короткие транскрипты, которые терминируются

Айала ф., Кайгер Дж. Современная генетика: в 3-х т. Т. 2. Пер. С англ.: – м.: Мир, 1988. – 368 с.

15. Регуляция экспрессии генов у прокариот 185

на р-зависимых терминаторах t_L1, t_R1 и t_R'. In vitro, в отсутствие фактора ρ, очищенная РНК-полимераза инициирует синтез тех же самых транскриптов на очищенной ДНК фага λ, причем поток транскрипции преодолевает терминаторы. Это наблюдение привело к представлению о существовании специфических факторов терминации. В результате был очищен так называемый р-белок, индуцирующий терминацию транскрипции in vitro на упомянутых терминаторах (не все терминаторы E.coli являются р-зависимыми).

Транскрипция на стадии I приводит к появлению мРНК для двух белков N и Сго (названия белков набраны прямым шрифтом, а названия генов-курсивом). Функционируя как фактор антитерминации, белок N создает возможность экспрессии генов второй стадии. В присутствии белка N поток транскрипции, инициированный на pl и pr, преодолевает р-зависимые терминаторы t_L1 и t_R1. В результате появляется мРНК от гена cIII до гена int в левом опероне и от гена cII до Q в правом опероне. Транскрипция правого оперона прекращается на терминаторе t_R', а транскрипция левого оперона прекращается в области b₂ (рис. 15.13, светло-серые стрелки). Мутанты, дефектные по функции гена Ν, гибнут из-за очень сильного снижения уровня транскрипции на стадии II, в результате которого гены, существенные как для лизиса, так и для лизогенизации, не экспрессируются.

Белок N служит позитивным белком-регулятором, поскольку благодаря его действию происходит активация второй стадии экспрессии фага λ. В то же время принцип его действия совершенно не похож на принцип действия рассмотренного в предыдущем разделе другого позитивного регулятора-САР-белка. Белок Ν, по сути дела, не активирует транскрипцию, а способствует ее продолжению, подавляя влияние терминирующих последовательностей. При этом белок N специфически узнает не промотор и не сам терминатор, а определенный участок последовательности, расположенный между этими регуляторными элементами. При изучении мутантов, неспособных к экспрессии генов левого оперона, расположенных за терминаторным участком t_L1, и в то же время способных нормально расти и образовывать бляшки на чувствительном бактериальном газоне, был обнаружен сайт, расположенный между P_L и N и необходимый для действия белка N. Этот участок (рис. 15.14, A) обозначают символом nut_L (от англ. N utilization). Определение первичной структуры этого участка показало, что в него входит последовательность из 15 п.н., которой свойственна симметрия второго порядка. Анализ последовательности ДНК между P_R и t_R1 показал, что между геном cro и t_R1 находится практически идентичный участок, обозначенный пut_R [рис. 15.14, Б]. Принято считать, что белок N узнает участки nut_L и nut_R ; однако, происходит ли это узнавание при взаимодействии с ДНК или с петлей, образующейся в соответствующем участке РНК-транскрипта, пока остается неизвестным.

В соответствии с современными представлениями о механизмах терминации и антитерминации транскрипции определенное предпочтение можно отдать модели, согласно которой происходит узнавание петли в структуре РНК-транскрипта прежде, чем РНК-полимераза достигает терминаторного участка.

Независимо от конкретных деталей механизма действия N-белка ясно, что он влияет на РНК-полимеразу таким образом, что та после про-