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

180 Экспрессия генетического материала

станты диссоциации, определяемой по закону действующих масс как

где [О], [R], [OR] - это молярные концентрации операторной ДНК, репрессора и комплекса оператор—репрессор соответственно. Для оператор-репрессорного комплекса значение К составляет величину порядка 10 ^-13 М, что свидетельствует о высокой прочности этого комплекса. Исходя из этих данных становится ясно, почему присутствие всего лишь десяти молекул репрессора в клетке оказывается достаточным для полной репрессии lac-оперона.

Репрессор обладает также достаточно высоким сродством и к неоператорной ДНК. Так, с poly-d(AT) он связывается с константой диссоциации около 10^-8 М. На прочности связывания с неоператорной ДНК присутствие индуктора никак не сказывается. Эти данные указывают на то, что в клетке новосинтезированные молекулы репрессора, а также комплексы репрессор-индуктор всегда связаны с ДНК. Тетрамеры репрессора, судя по всему, отыскивают операторную последовательность скорее с помощью линейной диффузии, или «скольжения», по хромосоме, чем посредством обычной пространственной диффузии в цитозоле. Ясно, что первый способ поиска должен быть намного оперативнее второго (рис. 15.11). Именно потребности быстрого поиска, по-видимому, объясняют особую выгоду палиндромного строения операторной последовательности, которая в этом случае может быть идентифицирована репрессором при продвижении по хромосоме с любой стороны. Модель поиска оператора lac-репрессором, основанная на представлении

Рис. 15.11. Схематическое изображение процесса поиска lac-репрессором области lacоператора на хромосоме E. coli, организованной в тесно сплетенный клубок-нуклеоид. Подробности - в тексте.

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

Î5. Регуляция экспрессии генов у прокариот 181

о скольжении по хромосоме, помогает понять также выгоду тетрамерной структуры, которая характерна для репрессора, несмотря на то, что собственно с ДНК связываются только две из четырех субъединиц белка. Как известно, хромосома E.coli, имеющая колоссальный линейный размер, в действительности плотно сплетена в очень компактный клубок - нуклеоид. Кроме того, с ДНК связано множество различных белков, которые также могут препятствовать свободному скольжению lacрепрессора. Наличие у связанного с ДНК репрессора «лишней» пары свободных субъединиц может способствовать его перемещению от одного сегмента ДНК к другому и таким образом облегчать доступ к искомой операторной области (рис. 15.11).

Катаболитная репрессия

Lac-penpeccop служит типичным примером белка-негативного регулятора, при действии которого подавляется экспрессия контролируемых им генов. Действие репрессора в свою очередь контролируется низкомолекулярными эффекторами - в данном случае аллолактозой. В действительности lac-оперон находится также под контролем белка-позитивного регулятора, вовлеченного одновременно в регуляцию целого ряда различных катаболитных систем Е. соli. Действие этого позитивного регулятора опосредованно контролируется оптимальным источником углерода-глюкозой. Глюкоза ингибирует транскрипцию генов lacоперона даже в присутствии лактозы, причем в штаммах I^- и 0^c в той же степени, что и в диких штаммах. Это означает, что действие глюкозы не влияет непосредственно на взаимодействие репрессора и оператора. Действие глюкозы реализуется через посредника, в роли которого выступает циклический AMP (cAMP). Содержание сАМР внутри клетки контролируется с помощью двух уравновешивающих друг друга процессов - синтеза при участии аденилатциклазы и деградации под действием фосфодиэстеразы (рис. 15.12). В отсутствие глюкозы наблюдается высокий, а в ее присутствии-низкий уровень с AMP в клетке. Механизм, благодаря которому содержание глюкозы в клетке контролирует уровень сАМР, неизвестен. Тем не менее не вызывает сомнений, что сАМР служит в качестве эффектора, отражающего этот аспект клеточного метаболизма.

Изучение мутантов, неспособных к активации катаболитных функций, позволило выявить механизм влияния сАМР на транскрипцию генов lac-оперона. Обнаружены два типа такого рода мутаций. Мутации первого типа приводят к инактивации аденилатциклазы (рис. 15.12). Мутации второго типа инактивируют белок-активатор катаболитных генов (или САР-белок от англ, catabolite activator protein), связывающий сАМР. Мутанты этого типа можно отобрать благодаря тому, что они неспособны утилизировать одновременно два различных типа Сахаров (в частности, лактозу и глюкозу) в качестве источников углерода. Оказалось, что мутации, подавляющие обе функции одновременно, картируются в генах, отличных от тех, которые входят в состав какого-либо из соответствующих оперонов, но необходимых для экспрессии обоих оперонов и утилизации как лактозы, так и галактозы.