Комплекс САР-сАМР является положительным сигналом при регуляции экспрессии этих оперонов (галактозного и арабинозного). Например, для экспрессии ara- и gal-onepонов должны произойти дерепрессия с помощью индукторов - арабинозы и галактозы соответственно и связывание комплекса САР-сАМР с областью промотора. Так, у бактерий, растущих на глюкозе, уровень внутриклеточного сАМР и соответственно комплекса САР-сАМР очень низок. Поэтому, если даже в среде присутствует арабиноза или галактоза, в клетках не образуются ферменты, необходимые для утилизации этих сахаров. При уменьшении количества глюкозы уровни сАМР и САР-сАМР увеличиваются и опероны в присутствии необходимых индукторов начинают экспрессироваться. Подобная комбинация позитивной и негативной систем регуляции очень важна, поскольку это предотвращает образование ферментов, потребность в которых в данный момент отсутствует.
Комплекс САР-сАМР при регуляции экспрессии ферментов, участвующих в деградации аминокислот, пуринов и пиримидинов
Сигнальная система САР-сАМР регулирует также работу оперонов, кодирующих ферменты, которые участвуют в деградации аминокислот, пуринов и пиримидинов. Накопление в клетке САР-сАМР служит сигналом «голодания»: в ответ на него снижается экспрессия оперонов, кодирующих ферменты расщепления аминокислот, пуринов и пиримидинов. В этом случае логика работы системы также состоит в том, чтобы предотвратить образование ненужных ферментов в период голодания.
г). Регуляция экспрессии триптофанового оперона
Триптофановый оперон состоит из оператора, и пяти структурных генов (А-Е). Последний кодирует ферменты, участвующие в биосинтезе триптофана – одной из незаменимых ам.к. по мере увеличения концентрации триптофана наступает момент, когда его дальнейший синтез становится нежелательным и транскрипция прекращается.
Триптофан синтезируется в Е.соli из ароматического предшественника – хоризмовой кислоты – в ходе пяти последовательных реакций, катализируемых ферментным комплексом из пяти белков (прозрачка 10, 2). Эти кодируемые trp-опероном белки образуются согласованно, примерно в равных количествах, при трансляции полицистронной мРНК длиной 7000 нуклеотидов, транскрибируемой с промотора. При наличии в среде достаточного для роста бактерий количества триптофана клетки Е. coli образуют ферменты биосинтеза триптофана в очень малых количествах. Однако если клетки лишены экзогенного триптофана, то в них начинается довольно интенсивный синтез всех пяти ферментов. Содержание ферментов этой группы в клетках Е.соli может различаться до 700 раз в зависимости от внутриклеточного уровня триптофана.
Подобный разброс в уровне экспрессии обусловлен наличием двух практически независимых механизмов регуляции, каждый из которых «подгоняет» уровень синтеза trp -мРНК к концентрации внутриклеточного триптофана.
Механизмы: их два. Эффекты этих двух регуляторных механизмов комплементарны, мультипликативны и позволяют увеличивать степень экспрессии оперона.
1) основан на репрессии, изменяющей эффективность инициации транскрипции в промоторе.
Репрессия триптофанового оперона.
Транскрипция trp -оперона блокируется, когда репрессор связывается с последовательностью trp -оператора. Ген trp R, кодирующий репрессорный белок мол. массой 58 000 Да, находится далеко от trp -оперона. Для того чтобы trp R-белок мог связаться с оператором и действовать как репрессор, он должен образовать комплекс с триптофаном. Поскольку уровень экспрессии trpR очень низок и не зависит от триптофана, концентрация активного репрессора отражает концентрацию внутриклеточного триптофана.
Нуклеотидные последовательности trp -оператора и промотора перекрываются (прозрачка 11, 2), поэтому связывание комплекса репрессор-триптофан с оператором препятствует правильному взаимодействию РНК-полимеразы с промотором. При этих условиях транскрипция оперона не осуществляется и ферменты биосинтеза не образуются. В отсутствие триптофана не происходит и связывания репрессора с оператором, что позволяет РНК-полимеразе без помех инициировать транскрипцию на промоторе и. синтезировать мРНК.
2) называется аттенуацией и регулирует транскрипцию с помощью сигнала терминации транскрипции, расположенного между промотором и началом первого структурного гена (прозрачка 10, 3).
Аттенуация экспрессии триптофанового оперона.
Регуляция работы триптофанового оперона с помощью аттенуации осуществляется при участии последовательности, находящейся на расстоянии примерно 100-140 пар оснований от начала транскрипции (прозрачка 10). Этот так называемый лидерный сегмент, trpL, содержит аттенуаторную последовательность, которая вынуждает РНК-полимеразу прервать транскрипцию как раз перед началом trp Е-гена с отделением фрагмента РНК длиной 141 нуклеотид- trp-лидерной мРНК. Подобная терминация происходит при уровнях триптофана в клетках от среднего до высокого. При низком уровне триптофана терминация транскрипции в пределах аттенуаторной последовательности в значительной мере блокируется, и транскрипция проходит через терминатор с образованием полноразмерной мРНК trp-оперона.
Механизм регуляции терминации транскрипции в аттенуаторе с помощью изменения содержания триптофана.
Ответ на этот вопрос был получен после того, как определили нуклеотидную последовательность аттенуатора и установили, что на аттенуацию влияет трансляция, идущая одновременно с транскрипцией. Участок из первых 145 нуклеотидов транскрипта trp-оперона содержит три необычных по нуклеотидной последовательности сегмента (прозрачка 12). Один из них кодирует короткий полипептид из 14 аминокислот, две из которых являются тандемными триптофановыми остатками. Два других содержат инвертированные повторы, из-за чего происходит внутримолекулярное спаривание оснований РНК-транскрипта и образование двух альтернативных шпилечных структур (прозрачка 13). Одна из этих структур, в которой спарены сегменты 1 и 2, 3 и 4 соответственно, опосредствует ρ-независимую терминацию транскрипции на участке из нескольких расположенных подряд за четвертым сегментом остатков урацила (разд. 3.2.г). Другая шпилечная структура, в которой сегменты 2 и 3 спарены, а 1 и 4 остаются одноцепочечными, разрешает транскрипции дойти до конца оперона.
Какая именно шпилечная структура образуется при транскрипции аттенуаторного участка - зависит от того, транслируется ли рибосомами полная последовательность, кодирующая полипептид длиной 14 аминокислот. Если синтез лидерного полипептида инициируется в кодоне AUG (прозрачка 12), то рибосомы транслируют следующие 13 кодонов при условии, что имеются все необходимые аминоацил-тРНК. При недостатке триптофанил-тРНК рибосомы останавливаются, когда доходят до тандемных триптофановых кодонов. Если рибосомы останавливаются в одном из триптофановых кодонов, расположенных в аттенуаторном сегменте 1, то последовательности сегментов 2 и 3 свободно спариваются и образуют шпилечную структуру, а сегмент 4 остается одноцепочечным (прозрачка 14). Эта структура не препятствует продолжению транскрипции с образованием полноразмерной trp-мРНК. длиной 7000 нуклеотидов. Если триптофанил-тРНК имеется в количестве, достаточном для трансляции тандемных триптофановых кодонов, то рибосомы движутся до терминаторного кодона лидерного пептида и, поскольку сегмент 2 ассоциирован с рибо-сомой, сегменты 3 и 4 образуют шпильку – структуру, способствующую терминации транскрипции.
Таким образом, аттенуатор позволяет РНК-полимеразе опосредованно «почувствовать» концентрацию триптофанил-тРНК через расположение рибосомы. Возможность трансляции короткой кодирующей последовательности в лидерном сегменте определяет вторичную структуру транскрипта и, следовательно, выбор между терминацией и прочтением последовательности. Наличие достаточного количества триптофанил-тРНК стимулирует терминацию транскрипции, при ее недостатке транскрипция проходит весь оперон.
Суммарный эффект аттенуации и репрессии
Аттенуация и репрессия вместе содействуют оптимальной экспрессии trp-оперона. При избытке триптофана благодаря репрессии блокируется инициация синтеза мРНК. Снижение концентрации триптофана приводит к уменьшению содержания функционального комплекса репрессор - триптофан, и транскрипция возобновляется. Однако при концентрации триптофана, допускающей инициацию транскрипции, количества триптофанил-тРНК еще вполне достаточно для того, чтобы в пределах лидерного участка в основном происходила терминация транскрипции; следовательно, в таких условиях уровень экспрессии оперона еще очень низок. По мере снижения концентрации триптофана репрессия полностью снимается: если концентрация триптофанил-тРНК становится ниже уровня, необходимого для продолжения синтеза, то терминация аттенуируется, а trp-мРНК и ферменты начинают синтезироваться с большей скоростью. Таким образом, экспрессия оперона достигает максимума в отсутствие репрессии и при максимальной аттенуации терминации; экспрессия минимальна при почти полной репрессии оперона и отсутствии аттенуации терминации.
Аттенуация как общий механизм
Аттенуация используется при регуляции экспрессии многих генов и оперонов как у Е.соli, так и у других организмов. Оперон, кодирующий девять ферментов, которые участвуют в биосинтезе гистидина, регулируется исключительно с помощью аттенуации; аттенуатором служит полипептид-кодирующая последовательность с шестью тандемными гистидиновыми кодонами. У оперонов, функционирование которых зависит от содержания определенных аминокислот – треонина и изолейцина (или лейцина), валина и изолейцина, - лидерный участок буквально «напичкан» кодонами для этих аминокислот. Антитерминация, т.е. ослабленная терминация, не требует сопряжения трансляции и транскрипции. Она может осуществляться некоторыми белками, допускающими экспрессию особых кластеров генов только после того, как синтезированы белки, способствующие аттенуации.