23. Организация оперонов

Оперон — функциональная единицагеномаупрокариот, в состав которой входятцистроны(гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним (илинесколькими)промоторами. Такая функциональная организация позволяетэффективнее регулироватьэкспрессию(транскрипцию) этих генов. Концепциюоперона для прокариот предложили в 1961 году французскиеученыеЖакобиМоно, за что получилиНобелевскую премиюв1965году. Опероны по количеству цистронов делят на моно-, олиго- и полицистронные,содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов(генов).Характерным примером оперонной организации генома прокариот являетсялактозный оперон.Начинается и заканчивается оперон регуляторными областями — промоторомв начале итерминаторомв конце, кроме этого, каждый отдельный цистрон может иметь в своей структуре собственный промотори/или терминатор.

Регуляция экспрессии генов у прокариот

изучение регуляции генной активности у прокариот привелофранцузских микробиологов Ф. Жакоба и Ж. Моно к созданию (1961)оперонной модели регуляции транскрипции.

Оперон — это тесно связаннаяпоследовательность структурных генов, определяющих синтез группыбелков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований.Например, это могут быть гены, которые детерминируют синтез ферментов,участвующих в метаболизме какого-либо вещества или в синтезе какого-токомпонента клетки. Оперонная модель регуляции экспрессии геновпредполагает наличие единой системы регуляции у таких объединенных водин оперон структурных генов, имеющих общий промотор и оператор.Особенностью прокариот является транскрибирование мРНК со всехструтурных генов оперона в виде одного полицистронного транскрипта, скоторого в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды.Примером участия генетических и негенетических факторов в регуляцииэкспрессии генов у прокариот может служить функционирование лактозногооперона у кишечной палочки

 Е. colt 

(рис. 3.86). При отсутствии в среде, накоторой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор,синтезируемый геном-регулятором (I), взаимодействует с оператором (О),препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипцииструктурных генов Z, Y, А. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимеразавзаимодействует с промотором и осуществляет транскрипциюполицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всехферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержаниялактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит квосстановлению способности репрессора соединяться с оператором ипрекращению транскрипции генов Z, Y, А.Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот вопероны, является

координированной.Синтез полицистронной мРНКобеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих вбиохимическом процессе.3.6.6.4. Регуляция экспрессии генов у эукариотВ связи с особенностями организации отдельных генов эукариот и генома вцелом регуляция генной активности у них характеризуется некоторымиотличиями по сравнению с прокариотами.У эукариот не установлено оперонной организации генов. Гены,определяющие синтез ферментов одной цепи биохимических реакций, могутбыть рассеяны в геноме и, очевидно, не имеют, как у прокариот, единой регулирующей системы (ген-регулятор, оператор, промотор). В связи с этимсинтезируемые мРНК у эукариот моноцистронны, т.е. являются матрицамидля отдельных пептидных цепей.В настоящее время механизмы регуляции и координации активностиэукариотических генов интенсивно изучаются. Установлено, что ихфункционирование несомненно подчиняется регуляторным воздействиям,однако регуляция транскрипции у эукариот является,комбинационной,т.е.активность каждого гена регулируется большим спектром генов-регуляторовУ многих эукариотических генов, кодирующих белки и транскрибируемыхРНК-полимеразой II, в ДНК имеется несколько областей, которые узнаются разными белками-регуляторами. Одной из них является область, расположенная вблизи промотора. Она включает около 100 пар нуклеотидов,в том числе ТАТА-блок, располагающийся на расстоянии 25 пар нуклеотидовот точки начала транскрипции. Установлено, что для успешногоприсоединения РНК-полимеразы II к промотору необходимопредварительное соединение с ТАТА-блоком особого белка — факторатранскрипции — собразованием стабильного транскрипционного комплекса.Именно этот комплекс ДНК с белком узнается РНК-полимеразой II.Последовательности нуклеотидов, примыкающие к ТАТА-блоку, формируюттребуемый для транскрипцииэлемент, расположенный перед промотором.Другая область, играющая важную роль в регуляции активностиэукариотических генов, располагается на большом расстоянии от промотора(до нескольких тысяч пар нуклеотидов) и называетсяэнхансером(от англ.enhance —усиливать).И энхансер, и препромоторный элемент эукариотических генов содержасерию коротких нуклеотидных последовательностей, которые связываются ссоответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействияэтих белков происходит включение или выключение генов.Особенностью регуляции экспрессии эукариотических генов является такжесуществование белков-регуляторов, которые способны контролироватьтранскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки- регуляторы. В связи с этим некоторые (главные) белки-регуляторы обладаюткоординирующим влиянием на активность многих генов и их действиехарактеризуется плейотропным эффектом (рис. 3.88). Примером можетслужить существование белка, который активирует транскрипциюнескольких специфических генов, определяющих дифференцировкупредшественников жировых клеток.Ввиду того что в геноме эукариот имеется много избыточной ДНК, а вкаждой клетке организма транскрибируется всего 7—10% генов, логичнопредположение о том, что у них преобладает позитивный генетическийконтроль, при котором активация небольшой части генома оказывается болееэкономичной, нежели репрессия основной массы генов.Несомненной особенностью регуляции транскрипции у эукариот являетсяподчиненность этих процессов регулирующим влияниям со стороныгормоноворганизма. Последние часто играют роль индукторовтранскрипции. Так, некоторые стероидные гормоны обратимо связываютсяособыми белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированныйгормоном рецептор приобретает способность соединяться соспецифическими участками хроматина, ответственными за регуляциюактивности генов, в которых рецепторы узнают определенныепоследовательности ДНК.Специфичность регулирующего воздействия гормона на транскрипциюобусловлена не только природой самого гормона, но и природой клетки-мишени, синтезирующей специфический белок-рецептор, который влияет натранскрипцию определенного для данной клетки набора генов. Примеромучастия гормонов в регуляции активности определенных генов можетслужить влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскомутипу при наличии специфического белка-рецептора. Отсутствие последнегопри мутации соответствующего гена не дает возможности гормонупроникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение определенногонабора генов: развивается синдром тестикулярной феминизации, илисиндром Морриса (см. разд. 3.6.5.2).Следующая особенность регуляции генной активности у эукариот связана собразованием стойкого комплекса ДНК с белками —  хроматина Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам,поэтому они, несомненно, участвуют и в процессах регуляции геннойактивности (см. разд. 3.5.4). Непременным условием для осуществлениятранскрипции у эукариот является предварительная декомпактизацияхроматина на соответствующем участке, где временно утрачивается связь сHi-гистонами и несколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами.Правда, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходетранскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становитсявозможным и происходит дерепрессия гена.Отличительной особенностью регуляции экспрессии генов у эукариотявляется возможность ее осуществления не только на стадии транскрипции,но и на других этапах растянутого во времени процесса реализациинаследственной информации. Регуляция на стадии транскрипции являетсянаиболее экономичной, но недостаточно быстро реагирующей на изменениеситуации. Так, возникшая в клетке потребность в каком-либо белке не можетбыть быстро удовлетворена путем включения транскрипциисоответствующего гена. Синтезированный транскрипт должен подвергнутьсяпроцессингу, затем зрелая мРНК должна выйти из ядра в цитоплазму и,образуя комплекс с рибосомами, осуществить трансляцию информации,синтезировав пептид, который, лишь пройдя посттрансляционное изменение,формирует активный белок, необходимый клетке.В том случае, когда клетке нужно прекратить синтез какого-то продукта,после выключения транскрипции соответствующего гена в цитоплазмунекоторое время будут продолжать поступать созревающие молекулы мРНК,осуществляющие там синтез пептидных цепей, пока они не деградируют поддействием ферментов. Таким образом, для эффективной регуляцииэкспрессии генов у эукариот должны существовать механизмы, работающиене только на стадии транскрипции, но и на других этапах этого процесса.Связанная с экзон-интронной организацией генов необходимостьпроцессичга,в том числесплайсинга,

делает возможным регуляцию этихпроцессов в ядре. В настоящее время обсуждается роль интронных участковДНК в изменении схемы сплайсинга при синтезе антител (см. разд. 3.4.3.2)или цитохрома b(см. разд. 3.4.3.3). Это создает возможность, используя одини тот же первичный транскрипт, обеспечивать образование матриц для разных пептидов, вырезая из них разные последовательности или изменяяпоследовательности на 5'- и 3'-концах мРНК.Очевидно, и транспорт зрелых мРНКизядравцитоплазмутакже регулируется определенным образом, так как установлено, что лишьнебольшая часть РНК, транскрибируемой с генов, после сплайсинга покидаетядро. Значительное количество ее деградирует. Возможно, это является результатом процессинга, приводящего к появлению«неправильных»матриц.Существуют механизмы, обеспечивающие регуляцию процессов синтезапептидных цепей.Они менее экономичны, но отличаются быстротой реагирования на изменения потребностей клетки в данном белке. Регуляциятрансляции осуществляется на стадии инициации путем воздействия на одиниз факторов инициации, катализирующий присоединение к малойсубъединице рибосомы тРНК, несущей метионин (формилметионин) (см. разд. 3.4.3). В результате при наличии в цитоплазме мРНК трансляции на нейне происходит. Такая ситуация наблюдается, например, при отсутствии вцитоплазме гема, что ведет к выключению трансляции глобиновых цепей

  гемоглобина.Наконец, регуляция процесса реализации наследственной информации можетосуществляться и на

стадии посттрансляционных изменений.

Прекращениеэтих процессов обусловливает задержку в формировании активных молекулбелка при наличии необходимых для этого пептидных цепей. Например, дляформирования активной формы белкового гормона — инсулина — изпроинсулина должны вырезаться две субъединицы. Торможение этихпроцессов уменьшает выход конечного активного продукта.Таким образом, рассмотренный выше пример регуляции экспрессии геновдемонстрирует сложнейшие взаимосвязи, которые существуют между ними вгеноме. Формирование любого признака поэтому нельзя рассматривать как результат действия одной пары аллельных генов в генотипе. В любом случае регуляция экспрессии ответственного за этот признак гена осуществляется при участии других генов.