10.5: Prokariotyczne aktywatory i represory transkrypcji

Organizacja strukturalna genów prokariotycznych w ich genomie znacznie różni się od organizacji genów eukariotycznych. Geny prokariotyczne są zorganizowane w taki sposób, że geny białek zaangażowanych w ten sam proces biochemiczny lub funkcję są umieszczone razem w grupach. Ta grupa genów wraz z ich elementami regulacyjnymi jest zbiorczo nazywana operonem. Funkcjonalne geny operonu ulegają wspólnej transkrypcji, tworząc pojedynczą nić mRNA znaną jako policistronowy mRNA.

Transkrypcja genów prokariotycznych w operonie jest regulowana przez dwa typy białek wiążących DNA, znane jako aktywatory i represory. Aktywatory wiążą się z promotorem, miejscem inicjacji transkrypcji i pomagają w wiązaniu polimerazy RNA, kluczowego enzymu biorącego udział w transkrypcji. Represory wiążą się z operatorami, krótkimi sekwencjami regulatorowymi w operonie pomiędzy promotorem a genami i hamują wiązanie polimerazy RNA z promotorem.

Strukturalnym warunkiem wstępnym dla aktywatorów i promotorów jest to, aby mogły one istnieć w dwóch alternatywnych konformacjach, jednej, w której mogą wiązać się z DNA, i drugiej, w której nie mogą. Inną charakterystyczną cechą aktywatorów jest to, że mają one dwie powierzchnie wiążące, które jednocześnie wiążą się zarówno z polimerazą RNA, jak i DNA. Ta rekrutacja dwóch cząsteczek przybliża polimerazę do promotora i pomaga w jego wiązaniu. Aktywatory nie pełnią roli katalitycznej w transkrypcji, a ich funkcja ogranicza się do ułatwiania wiązania enzymu z DNA. W przypadku braku aktywatora polimeraza RNA może nadal wiązać się z DNA i wykazywać niski poziom ekspresji. Jeśli w tym układzie obecny jest represor, podstawowa ekspresja tego genu jest uniemożliwiona.

Regulacja ekspresji genów prokariotycznych jest w dużej mierze zależna od dostępności składników odżywczych i wymagań organizmów. Te składniki odżywcze kontrolują wiązanie aktywatorów i represorów z operonem i zapewniają ekspresję tylko wymaganego zestawu genów. Na przykład obecność tryptofanu w komórce prowadzi do jego związania z represorem, co zapobiega transkrypcji operonu trp i późniejszej produkcji tryptofanu.

Prokariota zawierają kolisty genom, w którym w wielu przypadkach geny powiązane z pewnymi procesami biochemicznymi znajdują się bezpośrednio obok siebie w sekwencji DNA.

Te klastry genów, znane jako operony, mają pojedynczy promotor i są transkrybowane do pojedynczego mRNA. Ekspresja operonu jest kontrolowana przez aktywatory i represory, białka, które odpowiednio promują lub hamują transkrypcję.

Aktywator wiąże się z promotorem, co prowadzi do wiązania polimerazy RNA, a następnie transkrypcji operonu.

Represor oddziałuje z inną sekwencją DNA znajdującą się w pobliżu promotora, znaną jako operator. Kiedy represor wiąże się z operatorem, zapobiega wiązaniu się polimerazy RNA z promotorem, hamując transkrypcję.

Regulacja genów prokariotycznych jest często zależna od dostępności składników odżywczych. U niektórych bakterii, gdy stężenie glukozy jest niskie, prowadzi to do akumulacji cyklicznego AMP.

Cykliczny AMP wiąże się z aktywatorem, białkiem aktywatora katabolitu, a razem wiążą się z promotorem. To inicjuje ekspresję operonu lac, operonu zawierającego geny, które pozwalają bakteriom metabolizować cukry inne niż glukoza.

Tryptofan jest aminokwasem niezbędnym do syntezy białek. Kiedy nie jest dostępny w środowisku, niektóre organizmy są zdolne do wytwarzania własnego tryptofanu. Geny do jego syntezy są obecne w operonie, który jest regulowany przez represor.

Kiedy stężenie tryptofanu jest wysokie, kojarzy się z represorem. Kompleks ten może następnie wiązać się z operatorem, blokując polimerazę RNA i hamując transkrypcję.