Опероны биосинтеза аминокислот

При обсуждении регуляции фага λ мы видели, что контроль транскрипции некоторых генов может осуществляться с помощью позитивной регуляции, основанной на антитерминации. Белки N и Q действуют на РНК-полимеразу таким образом, что она оказывается способной продолжать транскрипцию, минуя определенные терминаторные последовательности, которые в отсутствие этих белков останавливают транскрипцию. Регуляция экспрессии генов с помощью антитерминации также является характерной особенностью функционирования бактериального генома. Наиболее интенсивно антитерминация была изучена на примере организации ряда оперонов биосинтеза аминокислот в нескольких видах бактерий. Эти исследования также значительно расширили наши представления о природе самого процесса терминации. Оказалось, что в этих оперонах антитерминация происходит при участии рибосом. Это открытие выявило тесную связь между процессами транскрипции и трансляции. Оно позволило объяснить, каким образом nonsense-мутации в полицистронных оперонах типа lac-оперона могут привести к проявлению полярных эффекторов, а также предложить механизм антитерминационного действия белков N и Q. Триптофановый оперон (trp) E.coli включает пять генов, кодирующих ферменты пути биосинтеза триптофана (рис. 15.20). Эти гены транскрибируются в виде полицистронной мРНК, синтез которой инициируется на промоторе, находящемся под контролем прилегающего операторного участка, подобно тому как это организовано в случае lac-оперона. Транскрипция контролируется взаимодействием оператора и белка-репрессора, эффектором которого служит триптофан - конечный продукт пути биосинтеза, направляемого продуктами генов trp-оперона. При избытке триптофана он связывается со свободным репрессором и оказывает аллостерическое влияние на его структуру, в результате чего репрессор начинает прочно связываться с оператором. С другой стороны, при недостатке триптофана происходит его диссоциация из комплекса с репрессором, после чего и сам репрессор отделяется от операторной последовательности; начинается транскрипция trp-оперона. В этом случае говорят, что триптофан выступает в роли корепрессора trp-оперона.

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 195

Рис. 15.20. Триптофановый оперон (trp) E. coli. Показаны два продукта транскрипции - полицистронная мРНК и аттенуированная РНК, считываемая с лидерного участка в ус-	ловиях терминации транскрипции. (По Platt Т., 1978. In: The Орегон, eds. I. H. Miller, W. S. Reznikoff, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, N. Y.)

При изменении концентрации триптофана от предельно высокой до предельно низкой наблюдается примерно 600-кратное увеличение уровня экспрессии trp-оперона. В то же время сам комплекс (репрессор — триптофан) отвечает только за 70-кратное увеличение уровня транскрипции оперона. Более того, мутации, инактивирующие репрессор, не снимают полностью влияние триптофана на экспрессию trp-оперона. В отсутствие репрессора наблюдается 8-10-кратное различие в уровне транскрипции генов оперона в зависимости от содержания в среде триптофана. Эта разновидность контроля экспрессии называется аттенуацией. Она связана с регуляцией на участке, расположенном между промотором и первым геном триптофанового оперона trpE. Этот участок, называемый аттенуатором (а), был открыт, когда впервые выяснилось, что наличие небольших делеций справа от промотора trp повышает уровень экспрессии генов оперона не менее чем в восемь раз. Поскольку эти делении не затрагивают ни операторной, ни промоторной области, можно было предположить, что аттенуатор по сути дела является терминатором. Анализ РНК-транскриптов, инициированных на промоторе trp в нормальных клетках E.coli, действительно показал, что большинство из них терминированы в области лидерной последовательности (рис. 15.20) в точке, отстоящей на 140 п. н. от промотора. При этом лишь в 10% случаев поток транскрипции достигает структурных генов оперона. Нуклеотидная последовательность лидерного транскрипта trpоперона, терминируемого на аттенуаторном участке, показана на рис. 15.21. Она характеризуется двумя любопытными особенностями. Первая - это наличие сайта связывания с рибосомой. За этим сайтом следует открытая рамка считывания, кодирующая небольшой полипеп-