10.5: Прокариотические активаторы и репрессоры транскрипции

Организация генов прокариот в их геноме заметно отличается от таковой у эукариот. Гены прокариот организованы таким образом, что гены белков, участвующих в одном и том же биохимическом процессе или функции, расположены вместе в группах. Эта группа генов вместе с их регуляторными элементами известна под общим названием оперон. Функциональные гены оперона транскрибируются вместе, образуя одну цепь мРНК, известную как полицистронная мРНК.

Транскрипция прокариотических генов в опероне регулируется двумя типами ДНК-связывающих белков, известных как активаторы и репрессоры. Активаторы связываются с промотором, местом инициации транскрипции, и способствуют связыванию РНК-полимеразы, ключевого фермента, участвующего в транскрипции. Репрессоры связываются с операторами, короткими регуляторными последовательностями в опероне между промотором и генами, и ингибируют связывание РНК-полимеразы с промотором.

Структурной предпосылкой для активаторов и промоторов является то, что они должны быть способны существовать в двух альтернативных конформациях: в одной они могут связываться с ДНК, а в другой — не могут. Другой характерной особенностью активаторов является то, что они имеют две связывающие поверхности, позволяющие одновременно связываться как с РНК-полимеразой, так и с ДНК. Такое привлечение двух молекул приближает полимеразу к промотору и способствует ее связыванию. Активаторы не играют каталитической роли в транскрипции, и их функция ограничивается облегчением связывания фермента и ДНК. В отсутствие активатора РНК-полимераза все еще может связываться с ДНК и демонстрировать низкие уровни экспрессии. Если в этой системе присутствует репрессор, то базальная экспрессия этого гена предотвращается.

Регуляция экспрессии прокариотических генов во многом зависит от доступности питательных веществ и потребностей организмов. Эти питательные вещества контролируют связывание активаторов и репрессоров с опероном и обеспечивают экспрессию только необходимого набора генов. Например, присутствие триптофана в клетке приводит к его связыванию с репрессором, который предотвращает транскрипцию оперона trp и последующую продукцию триптофана.

Прокариоты содержат циркулярный геном, где во многих случаях родственные гены для определённых биохимических процессов расположены непосредственно рядом друг с другом в последовательности ДНК. Эти генные кластеры, известные как опероны, имеют один промотор и транскрибируются в одну мРНК. Экспрессия оперона контролируется активаторами и репрессорами, белками которые поощряют или подавляют транскрипцию, соответственно.

Активатор связывается с промотором, что приводит к связыванию РНК-полимеразы и последующей транскрипции оперона. Репрессор взаимодействует с другой последовательностью ДНК, расположенной в непосредственной близости к промотеру, известной как оператор. Когда репрессор привязывается к оператору, это предотвращает привязку РНК-полимеразы к промотеру, ингибируя транскрипцию.

Прокариотическое генное регулирование часто зависит от доступности питательных веществ. В некоторых бактериях, когда глюкоза присутствует в низкой концентрации, это приводит к накоплению циклической АМФ. Циклическая АМФ присоединяется к активатору, белоку-активатору катаболита, и вместе они связываются с промотером.

Это инициируетэкспрессию lac-оперона, оперона, содержащего гены, которые позволяют бактерии метаболизировать сахара, отличные от глюкозы. Триптофан аминокислота, которая требуется для синтеза белков. Когда она отсутствует в окружающей среде, некоторые организмы способны производить её из собственного триптофана.

Гены для её синтеза присутствуют в опероне, который регулируется репрессором. При высоких концентрациях триптофана, он ассоциируется с репрессором. Затем этот комплекс может связываться с оператору, блокируя РНК-полимеразу и.

подавляя транскрипцию.