Back to chapter

10.5:

Прокариотические активаторы и репрессоры транскрипции

JoVE Core
Molecular Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Molecular Biology
Prokaryotic Transcriptional Activators and Repressors

Languages

Share

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.

10.5:

Прокариотические активаторы и репрессоры транскрипции

Организация прокариотических генов в их геномах заметно отличается от таковой у эукариот. Прокариотические гены организованы таким образом, что гены белков, участвующих в одном и том же биохимическом процессе или функции, расположены вместе в группах. Эта группа генов вместе со своими регуляторными элементами известна как оперон. Функциональные гены оперона транскрибируются вместе, образуя единую 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, участком 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.

Предварительным структурным условием для активаторов и промоторов является то, что они должны иметь возможность существовать в двух альтернативных конформациях: в одной они могут связываться с ДНК, а во второй – нет. Другой характерной особенностью активаторов является то, что они имеют две поверхности связывания, которые одновременно связываются как с РНК-полимеразой, так и с ДНК. Это комплектование 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 демонстрирует низкие уровни экспрессии. Если в этой системе присутствует репрессор, то базальная экспрессия этого гена не допускается.

Регулирование 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, что предотвращает транскрипцию оперона trp и последующее производство триптофана.

Suggested Reading

  1. Alberts et al., 6th edition; pages 380-383
  2. Shaw, K. (2008) Negative transcription regulation in prokaryotes. Nature Education 1(1):122