Три гена, кодирующие ферменты, ответственные за метаболизм галактозы у E.coli, организованы в оперон с промотором (Р) и примыкающим к нему регуляторным сегментом-оператором (О) на 5'-конце транскрибируемой последовательности: galE-galT-galK. (прозрачка 4).

Гены, кодирующие регуляторные белки, которые связываются с операторными или активаторными последовательностями, могут находиться как вблизи контролируемых ими генов, так и далеко от них. Например, ген, кодирующий репрессор галактозного оперона (gaIR), не сцеплен с транскрипционной единицей, состоящей из генов galE, gal Т и gal К (прозрачка 4).

б) Регуляция экспрессии арабинозного оперона

Синтез ферментов, необходимых для утилизации арабинозы, регулируется двумя сопряженными транскрипционными единицами (прозрачка 4а). Первая – это ara -оперон, состоящий из трех генов, ara В, ara А и ara D, и некоего 5'-контролирующего участка. Вторая представлена геном ara С, кодирующим регуляторный белок, необходимый для транскрипции ara –оперона.

Позитивная или негативная регуляция транскрипции арабинозного оперона зависит от того, образуется или нет комплекс между арабинозой и белком, кодируемым только сцепленным с опероном геном araC (прозрачка 4а) J

в) Регуляция экспрессии лактозното оперона

Рассмотрим позитивную и негативную регуляцию лактозного оперона

- Негативная регуляция лактозного оперона. Бактерии Е. coli могут использовать в качестве единственного источника углерода и энергии лактозу, поскольку они способны образовывать в большом количестве β-галактозидазу- фермент, расщепляющий лактозу на глюкозу и галактозу. Однако при росте на других источниках углерода в клетках E.coli образуется очень мало β -галактозидазы. Ген, ответственный за синтез β -галактозидазы (lac Z), называется индуцибельным, поскольку кодируемый им фермент синтезируется только тогда, когда в клетке присутствуют сахара, имеющие β -галактозильные остатки. Помимо β -галактозидазы, β -галактозиды индуцируют образование еще двух белков: (β -галактозидпермеазы (кодируемой геном lacY), необходимой для проникновения β-галактозидов в клетку, и β -галактозидтрансацетилазы (lac А), фермента с невыясненной пока функцией (прозрачка 5). В этих трех генах- lac Z, lacY и lac А- содержится вся информация о белках, кодируемых lac-опероном. Они транскрибируются в единую полицистронную РНК, при трансляции которой образуются почти одинаковые количества соответствующих белков. Поэтому можно сказать, что три гена lас-оперона экспрессируются согласованно.

Со структурными генами lac-оперона связаны несколько типов регуляторных элементов, ответственных за индуцибельность и координированную регуляцию этих генов (прозрачка 5). Промотор – это нуклеотидная последовательность, с которой связывается РНК-полимераза и начинается транскрипция трех структурных генов. Оператор – это сайт, с которым связывается lac-репрессор, подавляющий транскрипцию lас-оперона. Ген 1асI, не входящий в состав lас-оперона, кодирует репрессор – полипептидную цепь с мол. массой 37 000 Да. Репрессор прочно связывается с оператором, находясь в тетрамерной форме.

Поскольку промоторная и операторная последовательности перекрываются, связывание репрессора с оператором мешает связыванию РНК-полимеразы с промотором, что приводит к блокированию транскрипции структурных генов. Транскрипцию оперона можно индуцировать, если блокировать связывание репрессора с оператором (прозрачка 6). Такое блокирование происходит при связывании одного из β -галактозидов с той или иной субъединицей репрессора, что уменьшает сродство последнего к оператору. После отсоединения репрессора от промотра полимераза может связаться с промотором и инициировать транскрипцию оперона.

Очень важно сохранение нуклеотидной последовательности домена lас-оператора, связывающего репрессор. Об этом свидетельствуют результаты исследования эффективности репрессии in vivo у мутантов с модифицированными репрессорами или операторами (прозрачка 7). Интересные данные были получены и при изучении связывания очищенных репрессорных белков с операторами дикого типа и мутантными формами in vivo. Мутации, уменьшающие сродство репрессора к оператору, приводили к конститутивному синтезу ферментов, кодируемых lac-опероном, т. е. к экспрессии lас-ферментов в отсутствие индуктора. Мутации, сопровождающиеся накоплением репрессора в клетках или увеличением сродства репрессора к оператору, делали lас-оперон неиндуцибельным.

- Позитивная регуляция лактозного оперона. Для экспрессии lас-оперона, как и других индуцибельных оперонов, которые осуществляют контроль синтеза ферментов, участвующих в метаболизме cахаров, необходимо не только снять репрессию оперона, но и получить некий сигнал; Таким сигналом служит комплекс циклического АМР (сАМР) с белком-активатором катаболизма (CAP, от англ. catabolite activator protein), который связывается со специфической последовательностью, находящейся в самом начале lac-промотора (прозрачка 8).

· сАМР, принимающий участие во многих клеточных процессах, образуется из АТР (прозрачка 8а) в ответ на самые разные вне - и внутриклеточные события.

· САР представляет собой димер из идентичных полипептидных цепей с мол. массой 22 кДа.

Связывание комплекса САР-сАМР со специфической последовательностью в начале промотора приводит к усилению транскрипции lac-оперона почти в 50 раз. Сам по себе CAP не способен к такому связыванию и стимуляции транскрипции. Усиление транскрипции с помощью комплекса САР-сАМР можно объяснить:

1) связываясь с ДНК в непосредственной близости от сайта присоединения РНК-полимеразы, он усиливает сродство этого фермента к промотору (прозрачка 9).

2) Альтернативная гипотеза заключается в том, что связывание САР-сАМР с САР-сайтом предотвращает присоединение РНК-полимеразы к расположенному поблизости слабому промотору и увеличивает тем самым вероятность того, что полимераза свяжется с «правильным» промоторным сайтом. Высказывавшееся ранее предположение, что комплекс САР-сАМР изменяет топологию ДНК, так что облегчаются связывание полимеразы и транскрипция, кажется несостоятельным.

Комплекс САР-сАМР является положительным сигналом при регуляции экспрессии и других оперонов, в частности тех, которые кодируют ферменты расщепления углеводов (галактозный и арабинозный оперон) а также работу оперонов, кодирующих ферменты, которые участвуют в деградации аминокислот, пуринов и пиримидинов.

Комплекс САР-сАМР при регуляции экспрессии галактозного и арабинозного оперонов

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.