Регуляция генной экспрессии на уровне транскрипции

Клетки имеют механизмы, регулирующие синтез различных белков. Размер хромосомной ДНК в Е.соli (4,7∙10⁶ нуклеотидных пар) достаточен для кодирования примерно 4000 белков. Однако единовременно синтезируется лишь около 1000 белков. В 46 хромосомах человека число закодированных белков в 100 раз больше, но не все белки постоянно синтезируются. Это означает то, что в клетке биосинтез белков контролируется, причем некоторые белки синтезируются только при определенных условий.

Белки, синтезируемые с постоянной скоростью, называются конститутивными, белки, синтезируемые со скоростью, резко изменяющейся в зависимости от условий – адаптивными, или индуцибельными.

Конститутивные белки (в том числе и ферменты) содержатся в клетках примерно в постоянном количестве, независимо от того, есть ли в них потребность. Предполагается, что они будут нужны клетке всегда. Поэтому промоторы кодирующих их генов не имеют «выключателя», они всегда находятся в положении «включено». Конститутивными белками являются, например ферменты гликолиза. Количество молекул адаптивных белков варьируется в широких пределах. Очевидно, что синтез конститутивных белков не регулируется, а индуцибельных, напротив, подвергается тонкой регуляции.

Стимуляция биосинтеза белков, сопровождающаяся увеличением их количества, называется индукцией, подавление синтеза белков – репрессией. В клетках имеются вещества, сигнализирующие о состоянии метаболизма внутри клеток или организма. С помощью этих веществ можно «включать» или «выключать» синтез белков. Такими веществами у прокариот могут быть поступающие в клетку питательные вещества и некоторые внутриклеточные регуляторы (циклические нуклеотиды).

Впервые схема регуляции биосинтеза белков у прокариот была предложена французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 году. Эта схема была разработана на примере лактозного оперона Е.соli и получила название механизма индукции – репрессии активности генов. Их идеи были подтверждены в ходе различных генетических и биохимических исследований.

Механизм регуляции активности разных транскриптонов (оперонов) у бактерий выглядит следующим образом. В бактериях имеется группа белков, называемых репрессорами, которые контролируют транскрипцию разных оперонов. Участок ДНК, определяющий структуру белка-репрессора, называется геном-регулятором. Он может быть расположен рядом с опероном, а может располагаться на определенном расстоянии от регулируемого оперона.

Все репрессоры связываются с оператором оперона и блокируют транскрипцию; в этом случае не синтезируются определенные мРНК и не идет синтез соответствующих белков.

Способность связываться с оператором зависит от конформации репрессора, которая может быть активной и неактивной. Только в активной форме репрессор способен образовывать слабые связи с оператором и блокировать синтез мРНК и белка; в неактивной форме он не может соединяться с оператором. Вещества, которые инактивируют репрессор, называются индукторами (рис. 30.11).

Рис.30.11.Регуляция экспрессии генов путем индукции

Вещества, переводящие его из неактивного состояния в активное, называются корепрессорами. Следовательно, репрессор имеет участок связывания корепрессора и индуктора (рис.30.12)

Рис.30.12. Регуляция экспрессии генов пути репрессии