Биология. В 3-х томах. Т. 3

Механизм, от которого зависит, присоединится ли аллостерический белок к оператору или нет, прост и при этом чувствителен к изменениям условий внутри клетки. В молекуле репрессора имеется по меньшей мере два активных участка; к одному из них может присоединиться молекула индуктора, а другой служит для присоединения к оператору, выключающего весь оперон.

22.7.2. Индукция ферментов

Присоединение молекулы индуктора к активному участку молекулы репрессора изменяет третичную структуру репрессора (аллостерический эффект; см. разд. 6.6) так, что он не может связаться с геном — оператором и репрессировать его; в результате оператор оказывается в активном состоянии и включает структурные гены.

При выращивании Е. coli на среде с глюкозой ген-регулятор продуцирует белок, обладающий свойствами репрессора, который связывается с геном-оператором и выключает его. Структурные гены при этом не активируются, и ни β-галактозидаза, ни лактозопермеаза не синтезируются. При переносе бактерий на среду с лактозой последняя действует как индуктор, присоединяясь к молекуле репрессора и препятствуя ее соединению с оператором. Структурные гены переходят в активное состояние и продуцируют мРНК для синтеза ферментов, ответственных за поглощение и расщепление лактозы. Таким образом, лактоза индуцирует собственное расщепление (рис. 22.30).

Рис. 22.30. Индукция синтеза β-галактозидазы согласно гипотезе Жакоба-Моно. Цифры указывают последовательность событий

22.7.3. Репрессия ферментов

Если молекула корепрессора присоединяется к соответствующему активному участку репрессора, то это усиливает способность репрессора связываться с оператором; при этом происходит инактивация оператора и тем самым предотвращается включение структурных генов.

Е. coli может синтезировать аминокислоту триптофан при участии фермента триптофансинтетазы. Если клетка содержит избыток триптофана, некоторая его часть действует как корепрессор, связываясь с молекулой репрессора. Молекулы корепрессора и репрессора присоединяются к оператору и подавляют его активность. Структурные гены выключаются, мРНК не образуется, и синтез триптофансинтетазы прекращается. Это пример ингибирования по типу обратной связи на генном уровне (рис. 22.31)[12].

Рис. 22.31. Механизм репрессии синтеза триптофанситетазы согласно гипотезе Жакоба-Моно. Цифры указывают последовательность событий. Прерывистыми стрелками обозначены репрессированные стадии

22.7.4. Регуляция метаболических путей

Описанный выше двойной механизм делает возможным взаимодействие между внутриклеточной средой и генетическим аппаратом для обеспечения тонкой регуляции клеточного метаболизма. На рис. 22.32 показан простой метаболический путь, в котором исходный субстрат и конечный продукт могут играть роль соответственно индуктора и корепрессора. Благодаря этому клетка может синтезировать фермент в таком количестве, которое необходимо в данное время для того, чтобы поддерживать на нужном уровне количество конечного продукта. Такой способ регуляции метаболизма чрезвычайно экономен. Отрицательная обратная связь, осуществляемая путем инактивации первого фермента (а) при его связывании с конечным продуктом (Е), быстро блокирует данный метаболический путь, но не приостанавливает синтез других ферментов (b, с и d). В модели, предложенной Жакобом и Моно, конечный продукт (Е), присоединяясь к репрессору и тем самым усиливая его ингибирующее действие на оператор, подавляет синтез всех ферментов (а, b, с и d) и выключает данный метаболический путь. Индуцирующая функция исходного субстрата на схеме не показана.

Рис. 22.32. Механизм регуляции метаболического пути А Е. Сплошными линиями показаны механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи; прерывистыми линиями-механизмы, действующие во время репрессии. Крестом( х) обозначено блокирование синтеза данного фермента

22.7.5. Видоизмененная гипотеза оперона

После того как в 1961 г. Жакоб и Моно предложили механизм, с помощью которого гены могут включаться и выключаться, были получены другие дан-ные, позволившие прояснить различные аспекты этого механизма. Исходя из генетических данных, было высказано предположение о существовании промотора, расположенного рядом с оператором и действующего между ним и геном-регулятором. Предполагается, что промотор выполняет две функции. Во-первых, промотор-это то место, к которому присоединяется РНК-полимераза, прежде чем начать перемещаться вдоль ДНК, транскрибируя структурные гены в соответствующую мРНК. Это перемещение, конечно, зависит от того, находится ли оператор в активном состоянии или нет. Во-вторых, последовательность оснований в промоторе определяет, какая из цепей двойной спирали ДНК присоединит к себе РНК-полимеразу. Таким образом, от промотора зависит, какая из цепей двойной спирали ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК.

22.8. Генетическая регуляция развития