Страйер Л. Биохимия. Том 3

Подождите немного. Документ загружается.

Вопросы и задачи

1. Образование Ile-тРНК происхо-

дит через связанный с фермен-

том промежуточный продукт Ilе-АМР. Бу-

дет ли, по вашему мнению, образовываться

Р-меченный АТР из

РР

, если инкубиро-

вать каждый из следующих наборов компо-

нентов в присутствии специфического акти-

вирующего фермента?

а) АТР и

б) тРНК, АТР и

РР

в) Изолейцин, АТР и

РР

2. Из бактерий, выращенных на

«тяжелой» (содержащей

С и

N) и на «легкой» (

С и

N) среде, получи-

ли рибосомы. Эти 70S-рибосомы добавили

в систему с активным синтезом белка in

vitro. Через несколько часов из смеси ото-

брали пробу и проанализировали ее центри-

фугированием в градиенте плотности.

Сколько полос 70S-рибосом вы ожидаете

увидеть в градиенте плотности?

3. Сколько богатых энергией фос-

фатных связей затрачивается на

синтез белка из 200 остатков, если исходить

из готовых аминокислот?

4. Существует два основных меха-

низма элонгации биологических

молекул (рис. 27.26). 1-й механизм основан

Рис. 27.26. Два механизма элонгации.

на отщеплении активирующей группы (по-

меченной на рисунке крестиком) от расту-

щей цепи. При синтезе по 2-му механизму

активирующая группа отщепляется от при-

соединяющегося к растущей цепи мономе-

ра. Укажите, по какому из механизмов, 1-му

или 2-му, протекают следующие реакции

биосинтеза.

а) Синтез гликогена.

б) Синтез жирных кислот.

в) С

—> С

при синтезе

холестерола.

г) Синтез ДНК.

д) Синтез РНК.

е) Синтез белка.

5. Мутации, в результате которых

возникают терминирующие ко-

доны, называются нонсенс-мутациями. Эти

мутации могут быть супрессированы изме-

ненными тРНК. Например, мутантная РНК

считывает кодон UGA как триптофановый

кодон. Какое наиболее вероятное замеще-

ние основания произошло в этой мутантной

тРНК?

6. Придумайте реактив для кова-

лентного мечения по сродству

участков связывания тРНК в рибосоме. Как

бы вы синтезировали такой реактив?

7. мРНК-транскрипт одного гена

фага Т7 содержит следующую

последовательность оснований:

Предскажите, к какому результату приведет

мутация отмеченного стрелкой G при его

замене на А.

8. Что общего между коррекцией

ошибок при синтезе белка

и ДНК?

Дополнительные вопросы см.: Wood W. В.,

Wilson J.H., Benbow R.M., Hood L. E.,

Biochemistry: A Problems Approach,

Benjamin, 1974, ch. 18.

ГЛАВА 28

Регуляция выражения

гена в фенотипе

Мы уже видели, что активность многих бел-

ков регулируется с помощью различных ме-

ханизмов, например протеолитической ак-

тивации, аллостерических взаимодействий

и ковалентной модификации. В этой главе

рассматривается регуляция скорости синте-

за белка, которая также играет принци-

пиально важную роль в обшей картине ме-

таболизма клетки. У бактерий активность

гена регулируется в основном на уровне

транскрипции, а не трансляции. Мы сосредо-

точим внимание на лактозном и триптофа-

новом оперонах Е. coli и на регуляторных

аспектах цикла развития бактериофага λ,

так как молекулярные механизмы регуля-

ции в этих системах хорошо изучены. Более

того, именно интенсивное исследование

этих систем позволило сформулировать не-

которые общие принципы регуляции выра-

жения гена в фенотипе (экспрессии гена)

у прокариот и вирусов. Экспрессия гена у эу-

кариот регулируется иначе, как это станет

очевидно из следующей главы.

28.1. β-Галактозидаза -

индуцибельный фермент

Е. coli может использовать лактозу в каче-

стве единственного источника углерода.

112

Часть IV.

Информация

Главный фермент в метаболизме этого са-

хара - β-галактозидаза, гидролизующая

лактозу на галактозу и глюкозу (рис. 28.1).

При выращивании на лактозе клетка Е. coli

содержит несколько тысяч молекул β-галак-

тозидазы. Если же выращивать Е. coli на

других источниках углерода, например на

глюкозе или глицероле, то число молекул

β-галактозидазы на клетку не достигает де-

сяти. Лактоза индуцирует значительное уве-

личение количества β-галактозидазы в клет-

ке Е. coli, причем она вызывает синтез новых

молекул фермента, а не активирует профер-

мент (рис. 28.2). Следовательно, β-галакто-

зидаза - индуцибельный фермент. Одновре-

менно и согласованно с β-галактозидазой

синтезируются еще два белка - галактозид-

пермеаза и тиогалактозид-трансацетилаза.

Пермеаза необходима для переноса лак-

тозы через бактериальную клеточную мем-

брану, трансацетилаза же не имеет суще-

ственного значения для метаболизма лак-

тозы. Физиологическая роль трансацети-

лазы пока не установлена, in vitro она ката-

лизирует перенос ацетильной группы аце-

тил-СоА на гидроксильную группу при С-6

тиогалактозида.

Физиологическим индуктором β-галакто-

зидазы является аллолактоза, которая обра-

зуется из лактозы в результате реакции

трансгликозилирования. Синтез аллолак-

тозы катализируется теми несколькими мо-

лекулами β-галактозидазы, которые имеют-

ся в клетке еще до индукции. Изучение

природы индукторов показало, что неко-

торые β-галактозиды служат индукторами,

Рис. 28.1. β-Галактозидаза гидролизует

лактозу.

не являясь при этом субстратами β-галакто-

зидазы, тогда как другие соединения ведут

себя как субстраты, не будучи при этом ин-

дукторами. Например, изопропилтиогалак-

тозид (ИПТГ) неметаболизируемый индук-

тор (его также называют холостым индук-

тором).

28.2. Открытие регуляторного гена

Ключом к изучению механизма индукции

β-галактозидазы стало открытие того фак-

та, что под действием всех исследованных

индукторов количество пермеазы и транса-

цетилазы возрастало прямо пропорцио-

нально количеству β-галактозидазы. Даль-

нейший прогресс был достигнут при изуче-

нии мутантов. Оно показало, что β-галакто-

зидаза, пермеаза и трансацетилаза коди-

руются тремя генами - z, у и а соответствен-

но - которые расположены друг за другом.

Были получены мутанты, утратившие спо-

собность к синтезу одного из этих белков.

Например, генотип z

обозначает, что

у данного мутанта нет β-галактозидазы, но

имеются в нормальном количестве пермеа-

за и трансацетилаза. Наибольший интерес

представляет класс мутантов, у которого

мутацией затронуты все три белка. Такие

конститутивные мутанты синтезируют без

всякого индуктора большие количества

β-галактозидазы, пермеазы и трансацети-

лазы. Франсуа Жакоб и Жак Моно (Francois

Jacob, Jacques Monod) пришли к выводу, что

скорость синтеза этих трех белков зависит

от какого-то общего элемента, отличного

от генов, кодирующих их последовательно-

сти. Ген этого общего регуляторного эле-

мента был обозначен i. Индуцибельные бак-

терии дикого типа имеют генотип

конститутивные мутанты

по

лактозным генам - генотип i

Каким образом осуществляется влияние

гена i на скорость синтеза белков, коди-

руемых генами z, у и а? Проще всего было

предположить, что ген i кодирует синтез не-

коего компонента цитоплазмы, названного

репрессором, которого либо совсем нет в

-клетках, либо он там неактивен. Эта идея

была проверена в ряде изящных генетиче-

ских экспериментов с частично диплоидны-

ми бактериями, имевшими два набора генов

лактозной области. Один набор содержался

в бактериальной хромосоме, а второй - в по-

ловом факторе F', введенном в клетку при

конъюгации. Например, был получен ди-

плоид i

/Fi

. У этого диплоида гены

находятся в хромосоме, а гены i

- в

эписоме. Является ли этот диплоид индуци-

бельным или конститутивным в отношении

β-галактозидазы? Другими словами, может

ли ген i

бактериальной хромосомы подав-

лять экспрессию гена z

, расположенного

в эписоме? Эксперимент дал совершенно

Рис. 28.2. Увеличение количества β-га-

лактозидазы идет параллельно

увеличению числа клеток в рас-

тущей культуре E.coli. Наклон

этого графика указывает, что

β-галактозидаза составляет

6,6% всего синтезируемого бел-

ка.

28. Регуляция выражения

гена в фенотипе

113

Рис. 28.3. Карта лактозного оперона

и его регуляторного гена.

В карте масштаб не соблюден:

участки р и о в действительно-

сти гораздо меньше, чем коди-

рующие участки генов.

Рис. 28.4. Схема лактозного оперона

в репрессированном (А) и инду-

цированном (Б) состояниях.

четкий результат: диплоид индуцибелен, а не

конститутивен. Такой же результат был по-

лучен и в отношении диплоида i

/Fi

Следовательно, ген i кодирует способный

к диффузии репрессор.

114

Часть IV.

Информация

28.3. Оперон - единица координированной

генетической экспрессии

На основе только что описанных экспери-

ментов Жакоб и Моно постулировали мо-

дель оперона, объясняющую регуляцию бел-

кового синтеза. Генетические элементы этой

модели - регуляторный ген, операторный

ген и набор структурных генов (рис. 28.3).

Регуляторный ген продуцирует репрессор,

который может взаимодействовать с опера-

торным геном. В дальнейшем выяснилось,

что репрессор представляет собой белок.

Операторный ген расположен рядом по со-

седству со структурными генами, которые

он контролирует. Связывание репрессора

с операторным геном препятствует тран-

скрипции структурных генов. Операторный

ген в совокупности со структурными гена-

ми, рядом с которыми он расположен, назы-

вается опероном. В случае лактозного оперо-

на ген i - регуляторный ген, ген о - ген-опе-

ратор, а гены z, у и а - структурные гены.

Кроме того, существует еще промоторный

участок (обозначаемый символом р) для

связывания РНК-полимеразы. Этот участок

инициирования транскрипции расположен

перед операторным геном. Индуктор, на-

пример изопропилтиогалактозид (ИПТГ),

связывается с репрессором и тем самым на-

рушает его взаимодействие с операторным

геном. Теперь гены z, у и а могут транскри-

бироваться. При этом образуется одна

длинная молекула РНК, кодирующая все

три белка (рис. 28.4). Молекулу мРНК, ко-

дирующую более одного белка, называют

полицистронным (или полигенным) тран-

скриптом.

28.4. lас-Репрессор - тетрамерный белок

При выделении репрессора лактозного опе-

рона (lас-репрессор) была использована его

Рис. 28.5. Электронная микрофотогра-

фия lас-репрессора, связанного

с ДНК, содержащей lас-опера-

тор. (Печатается с любезного

разрешения д-ра Jack Griffith.)

способность связываться с ИПТГ. Уолтер

Гилберт и Бенно Мюллер-Хилл (Walter

Gilbert, Benno Muller-Hill) установили, что

lас-репрессор - белок, который связывается

с ДНК, содержащей lас-оперон, но не связы-

вается ни с одной другой ДНК. Как и пред-

полагалось, ИПТГ подавляет связывание

lас-репрессора с lас-операторной ДНК.

Клетка Е. coli дикого типа содержит всего

около десяти молекул lас-репрессора. При

очистке репрессора возникли трудности,

связанные с тем, что он составляет всего

0,001% общего содержания белка. Однако

существуют i

-мутанты, имеющие, по-види-

мому, более эффективный промотор гена i.

У этих мутантов образуется гораздо боль-

ше lас-репрессора. Количество lас-репрессо-

ра увеличивается еще сильнее, если исполь-

зовать трансдуцирующие фаги, несущие

область lас. Зараженные таким фагом клет-

ки Е. coli содержат около 20 000 молекул ре-

прессора (примерно 2% всего белка). Это

прекрасный исходный материал для выделе-

ния lас-репрессора.

Репрессор - тетрамер из идентичных

субъединиц с массой 37 кДа, каждая из ко-

торых имеет один участок связывания с ин-

дуктором. Константа диссоциации ИПТГ

составляет примерно 10

-6

М. Репрессор

очень прочно и быстро связывается с опера-

тором. Константа диссоциации комплекса

репрессор-оператор составляет примерно

-13

М. Такое высокое сродство обуслов-

лено тем, что в клетке Е. coli дикого типа со-

держится всего несколько молекул реп-

рессора. Константа скорости ассоциации

поразительно высока - 7•10

-1

•с

-1

. Из

этого следует, что репрессор находит опера-

торный участок, диффундируя вдоль моле-

кулы ДНК (одномерный поиск), а не ищет

его, находясь в водной среде (трехмерный

поиск)

28.5. Последовательность оснований в

lас-операторе симметрична

Наличие чистого lас-репрессора сделало

возможным выделение lас-оператора

Недавно проведенные исследования показали,

что ситуация намного сложнее: поиск оператора

репрессором включает оба указанных механиз-

ма и в очень большой степени зависит от ион-

ного состава среды.- Прим. перев.

28. Регуляция выражения

гена в фенотипе

115

Рис. 28.6. lас-Репрессор защищает lас-

оператор от расщепления пан-

креатической дезоксирибону-

клеазой.

и определение его последовательности ос-

нований. Гилберт и его сотрудники, воздей-

ствовав ультразвуком на ДНК фага, содер-

жащего lас-область, получили фрагменты

длиной примерно 1000 пар оснований.

К смеси фрагментов добавили lас-рспрессор

и затем профильтровали раствор через ни-

троцеллюлозную мембрану. Фрагменты

ДНК, не связанные с lас-репрессором, про-

шли через фильтр, а комплексы ДНК-ре-

прессор прочно связались с ним. Связанную

ДНК сняли с фильтра с помощью ИПТГ.

Эти элюированные фрагменты ДНК обра-

ботали панкреатической дезоксирибону-

клеазой в присутствии репрессора. Идея

этого этапа эксперимента состояла в том,

что операторный участок, связанный в ком-

плексе с репрессором, должен быть защи-

щен от расщепления дезоксирибонуклеазой

(рис. 28.6). Затем установили последова-

тельность оснований этих операторных

фрагментов, определив последовательность

транскрибированной с этих фрагментов

РНК. Последовательность оснований этого

участка оказалась очень интересной: 28 пар

оснований расположены симметрично отно-

сительно оси второго порядка (рис. 28.7).

Симметрия репрессора, по-видимому, со-

ответствует симметрии оператора. Этот

принцип узнавания приложим также к сиг-

116

Часть IV.

Информация

налам терминирования транскрипции

(разд. 28.8) и к связыванию пептидного

антибиотика актиномицина D с ДНК

(разд. 25.18)

28.6. Циклический AMP стимулирует

транскрипцию многих индуцибельных

катаболических оперонов

Давно уже известно, что в клетках Е. coli,

растущих на глюкозе, активность катаболи-

ческих ферментов, таких, как β-галактозида-

за, галактокиназа, арабинозо-изомераза

и триптофаназа, находится на очень низком

уровне. Очевидно, было бы совершенно из-

лишним синтезировать эти ферменты в ус-

ловиях изобилия глюкозы

. Молекулярный

механизм такого ингибирующего действия

глюкозы, получивший название катаболит-

ная репрессия, был расшифрован. Ключом

к выяснению этого вопроса явились данные

о том, что глюкоза понижает концентрацию

циклического AMP в клетках Е. coli. Затем

обнаружилось, что экзогенный циклический

AMP снимает состояние репрессии, обусло-

вленное присутствием глюкозы. Последую-

щие биохимические и генетические исследо-

вания показали, что циклический AMP

стимулирует инициирование транскрипции

многих индуцибельных оперонов.

Циклический AMP, синтезированный

в отсутствие глюкозы, связывается с БАК

(белковый активатор катаболизма) - бел-

ком, представляющим собой димер из

субъединиц массой 22 кДа. Комплекс БАК

с циклическим AMP стимулирует тран-

скрипцию, связываясь вблизи от многих

промоторных участков; БАК без AMP та-

кой способностью не обладает. Опытами по

расщеплению дезоксирибонуклеазой было

установлено, что в случае lас-оперона БАК

связывается рядом с участком связывания

РНК-полимеразы. Точнее, БАК защищает

от расщепления нуклеотиды от —87 до

—49, а РНК-полимераза - нуклеотиды от

При детальном изучении механизма воздей-

ствия laс-репрессора с оператором оказалось,

что вазимодействию не свойственна такая сим-

метрия, так что пока остается не совсем ясным,

почему последовательности laс-оператора (и

многих других операторов) обладают элемента-

ми симметрии,- Прим. перев.

Далеко не очевидно, почему клетки E.coli, как

и многие другие клетки, предпочитают именно

глюкозу всем остальным источникам углерода

и энергии и используют ее до тех пор, пока ее

содержание не будет исчерпано даже в присут-

ствии значительного избытка других сахаров.—

Прим. перев.

Рис. 28.7. Нуклеотидная последователь-

ность lac-оператора. Симме-

тричные участки закрашены

одинаковым цветом.

—48 до +5 (рис. 28.8). При этой системе

нумерации первый транскрибируемый ну-

клеотид обозначается +1. Последователь-

ность оснований ДНК, узнаваемая БАК,

обладает симметрией второго порядка, с ко-

торой мы постоянно сталкиваемся при рас-

смотрении взаимодействий белков с ДНК.

Каким образом БАК стимулирует инициа-

цию синтеза лактозной мРНК в 50 раз? По-

следовательное расположение неперекры-

вающихся участков связывания БАК

и РНК-полимеразы дает основание думать,

что связывание БАК с ДНК порождает

новые участки взаимодействия РНК-поли-

меразы с ДНК. Лактозный репрессор, на-

против, связывается с нуклеотидами от —3

до +21, которые в значительной степени

перекрываются с участком РНК-полиме-

разы (нуклеотиды от —48 до +5). Таким

образом, репрессор препятствует инициа-

ции, блокируя связывание РНК-полимеразы.

По всей вероятности, комплекс циклический

AMP-БАК действует таким же образом

и на другие индуцибельные опероны. Итак,

индуцибелъные опероны контролируются

с помощью комплементарных механизмов,

которые используют в качестве сигнальных

молекул циклический AMP и специфические

индукторы.

28.7. Различные формы одного и того же бел-

ка активируют и ингибируют

транскрипцию арабинозного оперона

Бактерии могут использовать арабинозу

в качестве источника энергии, превра-

щая ее в ксилулозо-5-фосфат - промежуточ-

ный продукт пентозофосфатного пути

(разд. 15.4). Превращение арабинозы в кси-

лулозо-5-фосфат происходит в результате

последовательного действия арабинозо-

изомеразы, рибулокиназы и рибулозо-5-

фосфат-эпимеразы - ферментов, кодируе-

мых генами araА, araВ и araD соответ-

ственно. Эти структурные гены вместе

с промотором (araI) и оператором (araО)

образуют арабинозный оперон (рис. 28.9).

Этот оперон регулируется геном (araС), рас-

положенным рядом с операторным участ-

ком. Подобно лактозному оперону, араби-

нозный оперон может быть активирован

комплексом БАК с циклическим AMP. Ара-

Рис. 28.8. На схеме показаны БАК

и РНК-полимераза, сидящие

на ДНК-матрице. Положение

этих белков было определено

с помощью расщепления ну-

клеазой.

28. Регуляция выражения

гена в фенотипе

117

Рис. 28.9. Карта арабинозного оперона

и его регуляторного гена.

бинозный оперон был первым, в отношении

которого было установлено наличие и поло-

жительной, и отрицательной регуляций.

Продукт гена аrаС - белок, который суще-

ствует в двух функционально различных со-

стояниях Р

и Р

. В отсутствие арабинозы

этот белок действует как репрессор (Р

Форма P

связывается с оператором, что

препятствует транскрипции оперона. Араби-

ноза снимает Р

с оператора и смещает кон-

формационное равновесие в сторону Р

(ак-

тивирующей формы). Затем форма Р

Рис. 28.10. Схема trp-оперона. Показаны

контрольные участки - промо-

тор (р), оператор (о) и аттенюа-

тор (а), а также гены, кодирую-

щие лидерную последователь-

ность (L), и ферменты пути

биосинтеза триптофана (E, D,

С, В и А).

Рис. 28.11. Последовательность основа-

ний trp-оператора. Ось симме-

трии второго порядка обозна-

чена зеленым. Пара оснований,

отмеченная +1,- начало тран-

скрибируемой части оперона.

118

Часть IV.

Информация

вместе с комплексом БАК-сАМР связы-

вается с промоторным участком, что дает

возможность РНК-полимеразе начать тран-

скрипцию. Таким образом, один и тот же

регуляторный белок служит положи-

тельным и отрицательным регулятором.

28.8. Транскрипция триптофанового оперона

регулируется и аттенюатором, и оператором

Еще один регуляторный элемент был от-

крыт Чарльзом Янофски (Charles Yanofsky)

и его коллегами при изучении триптофано-

вого оперона E. coli. Транскрибируемая

с этого оперона мРНК длиной 7kb кодирует

пять ферментов, превращающих хоризмат

в триптофан (разд. 21.9). Эти пять белков

синтезируются при трансляции полици-

стронной trp-мРНК последовательно, коор-

динированно и в эквимолярных количе-

ствах. Трансляция начинается раньше, чем

заканчивается транскрипция. trp-мРНК син-

тезируется примерно за 4 мин и затем бы-

стро разрушается. Короткое время жизни

trp-мРНК, составляющее всего около 3 мин,

позволяет бактериям быстро реагировать

на изменяющуюся потребность в триптофа-

не. Е. coli может менять скорость образова-

ния ферментов биосинтеза триптофана бо-

лее чем в 700

раз.

Как осуществляется эта регуляция?

Первый уровень регуляции достигается пу-

тем взаимодействия специфического репрес-

сора с trp-операторным участком ДНК. trp-

репрессор - белок с массой 58 кДа, коди-

руемый геном trpR, удаленным от trp-оперо-

на на довольно большое расстояние. Ком-

плекс этого репрессора и триптофана прочно

связывается с оператором, тогда как сам по

себе репрессор с ним не связывается. Други-

ми словами, триптофан является корепрессо-

ром. Мишень, на которую действует ком-

плекс триптофана с репрессором,- участок

ДНК, обладающий симметрией второго по-

рядка (рис. 28.11); и в этом случае симме-

трия играет важную роль во взаимодей-

ствии белка с ДНК. Этот операторный

участок перекрывается с промоторным

участком инициирования транскрипции. Та-

Рис. 28.12. Последовательность основа-

ний аттенюаторного участка

trp. Связанные симметрией

второго порядка пары основа-

ний GC-богатой области пока-

заны синим цветом; такие же

пары AT-богатой области по-

казаны желтым цветом.

ким образом, связывание trp-penpeccopa

с оператором препятствует связыванию

РНК-полимеразы с trp-промотором, и гены

trp не транскрибируются.

В течение некоторого времени считалось,

что ингибирование конечным продуктом ка-

талитической активности первого фермен-

тативного комплекса в пути биосинтеза

триптофана (разд. 21.11) и система ингиби-

рования транскрипции с участием репрессо-

ра и оператора - основные регуляторные си-

стемы биосинтеза триптофана. Эта точка

зрения была неожиданно опровергнута, ког-

да было обнаружено, что у некоторых му-

тантов с делециями между оператором и ге-

ном первого фермента (trpE) в опероне

происходит повышенное образование

trp-мРНК. К тому же анализ 5'-концевой по-

следовательности trp-мРНК показал, что

там имеется лидерная последовательность

длиной 162 нуклеотида, расположенная

перед инициирующим кодоном trpE. Затем

оказалось, что делеции, повышающие со-

держание trp-мРНК, картируются в этой ли-

дерной области, примерно в 30-60 нуклеоти-

дах от начала гена trpE. Следующее

поразительное наблюдение состояло в том,

что при высокой концентрации триптофана

образовывался транскрипт, содержащий

всего 130 нуклеотидов лидерной последова-

тельности ; при нехватке же триптофана син-

тезировалась trp-мРНК длиной 7000 ну-

клеотидов, включающая полную лидерную

последовательность. Отсюда Янофски сде-

лал вывод, что транскрипция trp-оперона

должна регулироваться участком контро-

лируемой терминации, называемым атте-

нюатором. Он локализован между операто-

ром и геном первого фермента пути

биосинтеза триптофана. Этот участок

терминации, регулируемый физиологиче-

скими условиями, подобен участкам тер-

минации в конце других оперонов

(разд. 25.15); он содержит GC-богатую по-

следовательность и следом за ней АТ-бо-

гатый участок. Каждый из этих участков ат-

тенюатора обладает симметрией второго

порядка (рис. 28.12). Кроме того, термини-

рованный лидерный транскрипт заканчи-

вается несколькими U подряд.

Аттенюаторный участок дополняет опе-

ратор в регуляции транскрипции trp-генов.

При изобилии триптофана инициация тран-

скрипции блокируется в результате связыва-

ния комплекса триптофан-репрессор с опе-

ратором. По мере снижения концентрации

триптофана в клетке репрессия снижается

и начинается транскрипция. Однако неко-

торые молекулы РНК-полимеразы поки-

дают матрицу, дойдя до аттенюатора, тогда

как другие продолжают синтезировать пол-

ную trp-матрицу. По мере исчерпания трип-

тофана увеличивается доля молекул РНК-

полимеразы, проходящих через аттенюа-

торный участок.

28.9. Аттенюация опосредуется трансляцией

лидерной мРНК

Каким образом аттенюаторный участок trp-

оперона улавливает концентрацию трипто-

фана в клетке? В решении этого вопроса

особенно важную роль сыграли данные

о том, что часть лидерной мРНК трансли-

руется. Весьма существенно, что в 14-член-

ном лидерном полипептиде (рис. 28.13)

имеются остатки триптофана в положениях

10 и 11. Когда триптофан находится в избы-

тке, синтезируется полный лидерный пеп-

тид. Но если триптофана не хватает, рибо-

сома задерживается на двух располо-

женных тандемом кодонах UGG, поскольку

в этом случае оказывается недостаточным

содержание триптофанил-тРНК. Застряв-

28. Регуляция выражения

гена в фенотипе

119

Рис. 28.13. Последовательность амино-

кислот в лидерном пептиде trp

и последовательность основа-

ний в соответствующей лидер-

ной мРНК.

шая рибосома каким-то образом меняет

структуру мРНК, так что РНК-полимераза

транскрибирует оперон за пределами атте-

нюаторного участка. Ключевой аспект это-

го регуляторного механизма состоит в том,

что трансляция и транскрипция тесно сопря-

жены между собой. Рибосомы, транслирую-

щие лидерную trp-мРНК, следуют непос-

редственно за молекулой РНК-полимеразы,

транскрибирующей ДНК-матрицу. Иссле-

дования, проведенные в последние годы, по-

казали, что застрявшая рибосома изменяет

вторичную структуру мРНК: конформация,

при которой основания спариваются, благо-

приятствуя тем самым терминированию

транскрипции, изменяется таким образом,

что РНК-полимераза проскакивает атте-

нюатор (рис. 28.14). Мы начинаем пони-

мать, что молекулы нуклеиновых кислот,

как и белковые молекулы, могут принимать

различные конформации и что изменения

конформации регулируются и имеют дале-

ко идущие физиологические последствия.

28.10. Аттенюаторный участок

гистидинового оперона содержит семь

гистидиновых кодонов подряд

В настоящее время известны еще два оперо-

на биосинтеза аминокислот у E. coli, содер-

жащих аттенюаторные участки. Фенилала-

ниновый оперон и гистидиновый оперон,

подобно триптофановому оперону, содер-

жат регулируемые участки терминации

перед первым геном, кодирующим фермент.

И в этих случаях лидерная область перед

участком терминации транслируется. Уди-

вительна последовательность аминокислот

в лидерном пептиде фенилаланинового опе-

рона: 7 из 15 остатков - фенилаланины

(рис. 28.15). Еще поразительнее лидерный

пептид гистидинового оперона: он содер-

жит семь остатков гистидина подряд. Оче-

видно, что эти лидерные мРНК предназна-

120

Часть IV.

Информация

чены, чтобы улавливать концентрации фе-

нилаланина и гистидина. Если соответ-

ствующих аминоацилированных тРНК не

хватает, трансляция лидера останавливает-

ся. Как уже обсуждалось выше на примере

trp-оперона, считается, что застрявшая ри-

босома таким образом изменяет конформа-

цию мРНК, что у нее происходит спарива-

ние оснований. Это дает возможность

РНК-полимеразе проскакивать аттенюа-

торный участок

. Присутствие семи после-

довательно расположенных кодонов ги-

стидина в лидерной мРНК гистидинового

оперона существенно увеличивает чувстви-

тельность этого детектора. Действительно,

падение концентрации гистидил-тРНК на

15% вызывает троекратное увеличение чис-

ла молекул мРНК, транскрибируемых с это-

го оперона.

28.11. Репрессоры и активаторы

детерминируют развитие умеренных фагов

Обратимся теперь к роли репрессоров и ак-

тиваторов транскрипции в регуляции жиз-

ненного цикла бактериофага лямбда (λ). Зре-

лая вирусная частица состоит из линейной

двухспиральной молекулы ДНК (48 kb), упа-

кованной в белковую оболочку. Существует

два пути развития вируса: он может разру-

шить клетку-хозяина или он может стать ее

компонентом (отсюда и название - уме-

ренный). При литическом пути развития

происходит полное выражение (экспрессия)

фаговых генов, что приводит к лизису бакте-

рии и образованию примерно 100 вирусных

частиц потомства. В другом случае развитие

фага λ может пойти по пути лизогенизации

клетки, когда его ДНК становится кова-

лентно связанной с ДНК клетки-хозяина

в строго определенном месте (сайт-специфи-

ческая интеграция). Этот процесс рекомби-

нации, в котором участвует кольцевая моле-

кула ДНК фага λ, мы обсудим ниже

(разд. 30.16). Когда ДНК фага интегрирует

с ДНК клетки-хозяина, большинство фа-

говых функций выключается. Фаговая ДНК

в таком состоянии называется профагом,

а клетка-хозяин, содержащая профаг - лизо-

генной бактерией. Профаг реплицируется

Автор противоречит собственному утвержде-

нию, что застрявшая рибосома разворачивает

мРНК (см. предыдущий разд.); рибосома дей-

ствительно способствует именно разворачива-

нию мРНК.- Прим. перев.