Տեղեկատվություն

9.1. Բակտերիաներում գեների արտահայտման կարգավորումը - Կենսաբանություն


Օպերոնը

Իր մանր բջիջի մեջ `մանրէ E. coli պարունակում է ամբողջ գենետիկական տեղեկատվությունը, որն անհրաժեշտ է նյութափոխանակության, աճի և վերարտադրության համար: Այն կարող է սինթեզել իրեն անհրաժեշտ յուրաքանչյուր օրգանական մոլեկուլ գլյուկոզայից և մի շարք անօրգանական իոններից: Ներսում գտնվող գեներից շատերը E. coli արտահայտված են սկզբունքորեն. այսինքն ՝ դրանք միշտ «միացված» են: Մյուսները, սակայն, ակտիվ են միայն այն ժամանակ, երբ իրենց արտադրանքը անհրաժեշտ է բջիջին, ուստի դրանց արտահայտությունը պետք է կարգավորվի:

Երկու օրինակ.

  • Եթե ​​տրիպտոֆան ամինաթթուն (Trp) ավելացվում է մշակույթին, մանրէները շուտով դադարում են արտադրել հինգ ֆերմենտներ, որոնք նախկինում անհրաժեշտ էին Trp- ի սինթեզելու համար գլյուկոզայի շնչառության ժամանակ արտադրվող միջանկյալ նյութերից: Այս դեպքում `ֆերմենտային գործողության արտադրանքի առկայությունը ռեպրեսիաներ ֆերմենտների սինթեզ:
  • Ընդհակառակը, նոր ենթաշերտի ավելացումը կուլտուրայի միջավայրին կարող է դրդել նոր ֆերմենտների ձևավորում, որոնք կարող են մետաբոլիզացնել այդ սուբստրատը: Եթե ​​վերցնենք մշակույթը E. coli որը սնվում է գլյուկոզայով և տեղափոխում է որոշ բջիջներ միջավայր, որը պարունակում է լակտոզա, տեղի է ունենում իրադարձությունների բացահայտ հաջորդականություն:
    • Սկզբում բջիջները հանգիստ են. Նրանք չեն փոխակերպում լակտոզան, նրանց այլ նյութափոխանակության գործունեությունը նվազում է, և բջիջների բաժանումը դադարում է:
    • Շուտով, սակայն, մշակույթը նորից սկսում է արագ աճել, երբ կաթնաշաքարն արագորեն սպառվում է: Ինչ է տեղի ունեցել? Հանգստի միջակայքում բջիջները սկսեցին արտադրվել երեք ֆերմենտներ.

Երեք ֆերմենտներն են

  • ա ներթափանցել որը լակտոզա է տեղափոխում պլազմային թաղանթով կուլտուրայի միջավայրից դեպի բջջի ներս
  • բետա-գալակտոսիդազա որը փոխակերպում է կաթնաշաքարը միջանկյալ ալոլակտոզայի և այնուհետև այն հիդրոլիզացնում է գլյուկոզայի և գալակտոզայի: Լակտոզայի առկայության դեպքում բջիջներում բետա-գալակտոզիդազի քանակը փոքր քանակից բարձրանում է մինչև բջջի քաշի գրեթե 2%-ը:
  • ա տրանսացետիլազ որի գործառույթը դեռ անորոշ է:

The լակ օպերոն

Լակտոզայի առկայությանը արձագանքելու կարողությունը միշտ առկա էր: Երեք հարուցված ֆերմենտների գեները բջջի գենոմի մի մասն են: Բայց քանի դեռ կաթնաշաքարը չէր ավելացվել կուլտուրայի միջավայրին, այդ գեները չէին արտահայտվում (β-գալակտոզիդազը թույլ էր արտահայտված՝ այնքան, որ լակտոզան վերածվի ալոլակտոզայի): Գենի արտահայտումը վերահսկելու ամենաուղիղ միջոցը դա է կարգավորել դրա արտագրման արագությունը; այսինքն՝ արագությունը, որով ՌՆԹ պոլիմերազը տառադարձում է գենը սուրհանդակ ՌՆԹ-ի (mRNA) մոլեկուլների մեջ։

Գենի տրանսկրիպցիան սկսվում է նկարում պատկերված որոշակի նուկլեոտիդից+1«. ՌՆԹ պոլիմերազան իրականում կապվում է այս կայքի« հոսանքին հակառակ »(այսինքն ՝ 5 'կողմում) կայքի հետ և բացում է կրկնակի պարույրը, որպեսզի սկսվի մեկ շղթայի տառադարձումը: ՌՆԹ պոլիմերազայի պարտադիր վայրը կոչվում է խթանող: բակտերիաները, խթանողի երկու առանձնահատկությունները կարևոր են.

  • հաջորդականությունը TATAAT (կամ նման բան) կենտրոնացած 10 նուկլեոտիդների հոսանքին հակառակ +1 կայք և
  • մեկ այլ հաջորդականություն (TTGACA կամ դրան շատ մոտ ինչ -որ բան) կենտրոնացած էր 35 նուկլեոտիդների հոսանքին հակառակ:

Երկու շրջանների միջև ԴՆԹ-ի ճշգրիտ հաջորդականությունը կարծես թե կարևոր չէ: Լակտոզային ի պատասխան սինթեզված երեք ֆերմենտներից յուրաքանչյուրը կոդավորված է առանձին գենով: Երեք գեները միաժամանակ դասավորված են բակտերիալ քրոմոսոմի վրա:

Լակտոզայի բացակայության դեպքում I գենի կողմից կոդավորված ռեպրեսորային սպիտակուցը կապվում է լակ օպերատոր և կանխում է արտագրումը: Ալլակտոզայի ճնշումը ռեպրեսորին առաջացնում է այն հեռանալ օպերատորից: Սա հնարավորություն է տալիս ՌՆԹ պոլիմերազային արտագրել օպերոնի երեք գեները: Ստացված միակ mRNA մոլեկուլը թարգմանվում է երեք սպիտակուցների:

The լակ ճնշող կապվում է երկու տասնյակ նուկլեոտիդների հատուկ հաջորդականության հետ, որը կոչվում է օպերատոր. Օպերատորի մեծ մասը գտնվում է խթանողի ներքևում: Երբ ռեպրեսորը կապված է օպերատորի հետ, ՌՆԹ պոլիմերազան չի կարողանում շարունակել հոսանքն ի վար `գենի արտագրման իր խնդիրը: Լաք ճնշիչը ներկայացնում է սպիտակուցների միայն մի փոքր մասը E. coli բջիջ:

Օպերոնը օպերատորի և սպիտակուցը կոդավորող երեք գեների համակցությունն է:

Գենը կոդավորող լակ ռեպրեսորը կոչվում է Ես գենը: Այն պատահում է, որ գտնվում է հենց հոսանքին հակառակ լակ խթանող. Այնուամենայնիվ, դրա ճշգրիտ տեղադրությունը, հավանաբար, կարևոր չէ, քանի որ այն իր ազդեցությանը հասնում է իր սպիտակուցային արտադրանքի միջոցով, որը ազատ տարածվում է ամբողջ բջիջում: Եվ, փաստորեն, որոշ ճնշողների գեները տեղակայված չեն իրենց վերահսկած օպերատորների մոտ:

Թեև ռեպրեսորներն ազատ են ցրվում բջջի միջով, ինչպես է, օրինակ, լաք ռեպրեսորը գտնում օպերատորի 24 բազային զույգերի մեկ ձգվածությունը ԴՆԹ-ի 4,6 միլիոն բազային զույգերից: E. coli գենոմ? Ստացվում է, որ ռեպրեսորն ազատ է կապելու ամենուրեք երկուսն էլ օգտագործելով ԴՆԹ -ի վրա

  • ջրածնային կապեր և
  • իոնային (էլեկտրաստատիկ) փոխազդեցություններ նրա դրական լիցքավորված ամինաթթուների (Lys, Arg) և ԴՆԹ-ի դեօքսիրիբոզա-ֆոսֆատային ողնաշարի բացասական լիցքերի միջև:

ԴՆԹ-ի վրա քայլելուց հետո ռեպրեսորը կարող է շարժվել դրա երկայնքով, մինչև այն հանդիպի օպերատորի հաջորդականությանը: Այժմ սպիտակուցի երրորդային կառուցվածքի ալոստերային փոփոխությունը թույլ է տալիս նույն ամինաթթուներին կապեր հաստատել `հիմնականում ջրածնային կապեր և հիդրոֆոբ փոխազդեցություններ` օպերատորների հաջորդականության որոշակի հիմքերով:

The լակ ռեպրեսորը բաղկացած է չորս նույնական պոլիպեպտիդներից (այսպիսով `« հոմոթետրաչափ »): Մոլեկուլի մի մասն ունի տեղ (կամ տեղամասեր), որոնք հնարավորություն են տալիս նրան ճանաչել և կապվել lac օպերատորի 24 բազային զույգերի հետ: Theնշիչի մեկ այլ հատված պարունակում է կայքեր, որոնք կապվում են ալոլակտոզայի հետ: Երբ ալոլակտոզը միավորվում է ռեպրեսորի հետ, այն առաջացնում է մոլեկուլի ձևի փոփոխություն, այնպես որ այն այլևս չի կարող կցված մնալ օպերատորի ԴՆԹ-ի հաջորդականությանը։ Այսպիսով, երբ կաթնաշաքարն ավելացվում է կուլտուրայի միջավայրին, այն հանգեցնում է նրան, որ ռեպրեսորն ազատվում է օպերատորից, և ՌՆԹ պոլիմերազն այժմ կարող է սկսել օպերոնի 3 գեների արտագրումը: միայնակ -ի մոլեկուլը սուրհանդակային ՌՆԹ.

Դժվար թե սկսվի տառադարձումը, նախքան ռիբոսոմները կցվեն աճող mRNA մոլեկուլին և տեղափոխվեն այն ներքև թարգմանել հաղորդագրությունը երեք սպիտակուցների մեջ: Դուք կարող եք տեսնել, թե ինչու են կետադրական կոդոնները `UAA, UAG կամ UGA - անհրաժեշտ երեք ֆերմենտներից յուրաքանչյուրի համար mRNA ծածկագրող մասերի միջև թարգմանությունը դադարեցնելու համար: Այս մեխանիզմը բնորոշ է բակտերիաներին, բայց մի քանի առումներով տարբերվում է էուկարիոտների մոտ հայտնաբերված մեխանիզմից.

  • Էուկարիոտների գեները կապված չեն օպերոնների հետ (բացառությամբ նման նեմատոդների C. elegans եւ tunicates նման Ciona intestinalis).
  • Էուկարիոտների առաջնային տառադարձումները պարունակում են միայն մեկ գենի տառադարձում (վերը նշված բացառություններով):
  • Տրանսկրիպցիան և թարգմանությունը ֆիզիկապես կապված չեն էուկարիոտների մեջ, ինչպես դրանք բակտերիաներում են. տառադարձումը տեղի է ունենում միջուկում, մինչդեռ թարգմանությունը տեղի է ունենում ցիտոսոլի մեջ (մի քանի բացառություններով):

C. elegans

C. elegans- ը էուկարիոտներից շատերից տարբերվում է նրանով, որ իր գեների զգալի մասն (15-20%) ունի խմբավորված օպերոններում `յուրաքանչյուրը 2 -ից 8 գեն պարունակող: Ինչպես բակտերիաները, այնպես էլ օպերոնի բոլոր գեները տառադարձվում են մեկ խթանիչից, որն արտադրում է մեկ առաջնային տառադարձում (նախա-մՌՆԹ): Այս օպերոնների որոշ գեներ, ինչպես և բակտերիաներում, ներգրավված են նույն կենսաքիմիական ֆունկցիայի մեջ, բայց դա չի կարող այդպես լինել շատերի համար: C. elegans Օպերոնները նաև տարբերվում են բակտերիաներից այն բանից, որ յուրաքանչյուր նախնական mRNA վերածվում է յուրաքանչյուր գենի առանձին mRNA- ի, այլ ոչ թե թարգմանվում որպես միավոր:

Corepressors

Ինչպես նշվեց վերևում, բջջում առկա պրեկուրսորներից տրիպտոֆանի սինթեզը պահանջում է 5 ֆերմենտ: Դրանք կոդավորող գեները խմբավորված են մեկ օպերոնի մեջ ՝ սեփական խթանողի և օպերատորի հետ միասին: Այս դեպքում, սակայն, ի ներկայություն տրիպտոֆան բջիջում անջատվում է օպերոնը։ Երբ Trp-ն առկա է, այն կապվում է Trp ռեպրեսորի վրա գտնվող կայքի հետ և հնարավորություն է տալիս Trp ռեպրեսորը `օպերատորին կապելու համար: Երբ Trp- ը ներկա չէ, ռեպրեսորը հեռանում է իր օպերատորից, և սկսվում է 5 ֆերմենտ կոդավորող գեների տառադարձումը:

Վերոնշյալ նկարը ցույց է տալիս տրիպտոֆան ճնշիչի (յուրաքանչյուր վահանակի աջ կողմը) ստերեո տեսքը, որը կապված է նրա օպերատորի ԴՆԹ -ի հետ (ձախ կողմում): Ռեպրեսորը երկու նույնական պոլիպեպտիդների հոմոդիմեր է (հորիզոնական կարմիր գծի երկու կողմերում): ԴՆԹ-ի հետ կապը տեղի է ունենում միայն այն ժամանակ, երբ տրիպտոֆանի մոլեկուլը (կարմիր օղակները) կապված է ռեպրեսորի յուրաքանչյուր մոնոմերի հետ: Այս հսկողության մեխանիզմի բջիջի օգտակարությունը պարզ է: Էական մետաբոլիտի, այս դեպքում ՝ տրիպտոֆանի, բջիջում առկայությունը անջատում է սեփական արտադրությունը և դրանով իսկ դադարում է անհարկի սպիտակուցի սինթեզը: Ինչպես ցույց է տալիս անունը, ճնշողներն են բացասական վերահսկողություն մեխանիզմներ, օպերոնների անջատում

  • սուբստրատի բացակայության դեպքում (մեր դեպքում լակտոզա) կամ
  • էական մետաբոլիտի առկայությունը (տրիպտոֆանը մեր օրինակն է):

Այնուամենայնիվ, որոշ գեների տրանսկրիպցիա է E. coli գտնվում է դրական վերահսկողության ներքո:

Տառադարձության դրական վերահսկողություն. CAP

Լակ ռեպրեսորի բացակայությունը էական է, բայց բավարար չէ լաք օպերոնի արդյունավետ արտագրման համար: ՌՆԹ պոլիմերազայի գործունեությունը կախված է նաև ԴՆԹ-ին կապող մեկ այլ սպիտակուցի առկայությունից, որը կոչվում է կատաբոլիտ ակտիվացնող սպիտակուց (CAP). Ինչպես lac ռեպրեսորը, այնպես էլ CAP- ն ունի երկու տեսակի կապող տեղ. Մեկը կապում է նուկլեոտիդային ցիկլային AMP- ն, իսկ մյուսը ՝ խթանողի հոսանքին հակառակ 16 բազային զույգերի հաջորդականություն:

Այնուամենայնիվ, CAP-ը կարող է կապվել ԴՆԹ-ին միայն այն դեպքում, երբ cAMP-ը կապված է CAP-ին: երբ բջջում cAMP- ի մակարդակը ցածր է, CAP- ը չի կարողանում կապել ԴՆԹ -ն, ուստի RNA պոլիմերազը չի կարող սկսել իր աշխատանքը, նույնիսկ ճնշիչի բացակայության դեպքում: Այսպիսով, լակ օպերոնը երկուսի տակ է բացասականճնշող) և դրական (ԳԼԽԱՐԿ) վերահսկողություն: Ինչո՞ւ։

Պարզվում է, որ խոսքը միայն գոտիների ու կախոցների մասին չէ։ Այս երկակի համակարգը հնարավորություն է տալիս բջիջին ընտրություններ կատարել. Օրինակ, ի՞նչ պետք է անի բջիջը և՛ գլյուկոզայով, և՛ լակտոզայով սնվելիս: Նման ընտրությամբ ներկայացվել է. E. coli (պատճառներով, որոնց մասին մենք կարող ենք միայն ենթադրել) ընտրում է գլյուկոզան: Այն կատարում է իր ընտրությունը՝ օգտագործելով այս երկու կառավարման սարքերի փոխազդեցությունը:

Չնայած լակտոզայի առկայությունը հեռացնում է ռեպրեսորը, գլյուկոզայի առկայությունը նվազեցնում է բջիջում cAMP- ի մակարդակը և դրանով իսկ հեռացնում CAP- ը: Առանց CAP- ի, RNA պոլիմերազի կապը արգելակված է, չնայած որ դրան խանգարող ռեպրեսոր չկա, եթե այն կարողանա կապվել: Նրա ընտրության մոլեկուլային հիմքը ներկայացված է վերը նշված նկարում:

CAP- ը բաղկացած է երկու նույնական պոլիպեպտիդներից (հետևաբար այն հոմոդիմեր է): Դեպի C-տերմինալ, յուրաքանչյուրն ունի ալֆա պարույրի երկու շրջան՝ նրանց միջև կտրուկ թեքումով: Դրանցից ավելի երկարը կոչվում է ճանաչման խխունջ քանի որ այն պատասխանատու է ԴՆԹ-ի հիմքերի որոշակի հաջորդականության ճանաչման և կապի համար:

Վերոնշյալ նկարը ցույց է տալիս CAP-ի մոդելը: Երկու մոնոմերները նույնական են: Յուրաքանչյուր մոնոմեր ԴՆԹ -ում ճանաչում է նուկլեոտիդների հաջորդականություն ՝ ալֆա ոլորաձև պիտակավորված տարածաշրջանի միջոցով Ֆ. Նկատի ունեցեք, որ երկու ճանաչման պարույրները միմյանցից 34Å հեռավորության վրա են գտնվում, ինչը այն հեռավորությունն է, որով անհրաժեշտ է ԴՆԹ-ի մոլեկուլը (ձախ կողմում) ճշգրիտ մեկ ամբողջական պտույտ կատարելու համար:

CAP- ի յուրաքանչյուր պոլիպեպտիդի ճանաչման ուղղաձիգները, իհարկե, նույնական են: Բայց դրանց կողմնորոշումը դիմերի մեջ այնպիսին է, որ նրանց ճանաչած հիմքերի հաջորդականությունը պետք է ընթանա հակառակ ուղղությամբ, որպեսզի յուրաքանչյուր ճանաչման պարույր ճիշտ կապվի: Հակառակ ուղղություններով հոսող հիմքերի զույգերի երկու նույնական հաջորդականությունների այս դասավորությունը կոչվում է an շրջված կրկնում.
Պարզվել է, որ CAP- ի և դրա պարտադիր կայքի պատկերազարդ ռազմավարությունը լայնորեն կիրառվում է: Քանի որ ավելի ու ավելի շատ ԴՆԹ կարգավորող սպիտակուցներ են հայտնաբերվել, պարզվում է, որ շատերը կիսում են այն հատկանիշները, որոնք մենք գտնում ենք CAP-ում.

  • Սովորաբար դրանք պարունակում են երկու ստորաբաժանում: Հետեւաբար, նրանք են dimers.
  • Նրանք ճանաչում և կապվում են ԴՆԹ-ի հաջորդականությունների հետ շրջված կրկնումներ.
  • Բակտերիաներում ԴՆԹ-ի որոշակի հաջորդականության ճանաչումն ու կապումն իրականացվում է ալֆա պարույրի հատվածի միջոցով: Այսպիսով, այս սպիտակուցները հաճախ նկարագրվում են որպես խխունջ-շրջադարձ-խխունջ սպիտակուցներ. Վերևում ցուցադրված Trp ռեպրեսորը այս խմբի անդամ է:

Riboswitches

Սպիտակուց ճնշողները և հիմնական ճնշողները միակ ճանապարհը չեն, որով բակտերիաները վերահսկում են գեների արտագրումը: Ստացվում է, որ որոշ մետաբոլիտների մակարդակի կարգավորումը կարող է վերահսկվել նաև riboswitches- ով: Ռիբոսպասարկիչը 5'-չթարգմանված շրջանի (5'-UTR) հատվածն է սուրհանդակային ՌՆԹ-ի (mRNA) մոլեկուլում, որն ունի մետաբոլիտի (կամ մերձավոր ազգականի) միացման հատուկ տեղ: Որոշ մետաբոլիտներ, որոնք կապվում են riboswitches- ի հետ, ներառում են.

  • պուրիններ՝ ադենին և գուանին
  • ամինաթթուներ՝ գլիցին և լիզին
  • ֆլավին մոնոնուկլեոտիդ (NADH դեհիդրոգենազի պրոթեզային խումբ)
  • S-ադենոզիլ մեթիոնին, որը մեթիլ խմբեր է նվիրաբերում բազմաթիվ մոլեկուլների, ներառյալ ԴՆԹ-ն և հաղորդիչ ՌՆԹ-ի 5' վերջում գտնվող գլխարկը:
  • tRNAs. Երբ դրանք կապված են իրենց ամինաթթվի հետ (aminoacyl-tRNA), դրանք միանում են mRNA- ի riboswitch- ին, որը կոդավորում է ֆերմենտը (aminoacyl-tRNA synthetase), որը պատասխանատու է tRNA- ի վրա ամինաթթվի բեռնման համար: Սա հանգեցնում է նրան, որ mRNA-ի տրանսկրիպցիան վաղաժամ ավարտվում է: tRNAs առանց ամինաթթվի միացված են նաև միանում riboswitch- ին, բայց այնպես, որ mRNA- ի տրանսկրիպցիան շարունակվի: Դրա թարգմանությունը (բակտերիաների մեջ թարգմանությունը սկսվում է մինչ դեռ տառադարձումը շարունակվում է) առաջացնում է aminoacyl-tRNA սինթետազը, որն օգտագործվում է ամինաթթուն tRNA- ի վրա բեռնելու համար: Այսպիսով, այս ռիբո-անջատիչները կարգավորում են ամինասիլ-tRNA-ների մակարդակը, որոնք արտադրում են ավելի շատ, երբ անհրաժեշտ է, ավելի քիչ, երբ ոչ (մի տեսակ հետադարձ կապի արգելակում):

Յուրաքանչյուր դեպքում riboswitch- ը կարգավորում է տառադարձում գեների, որոնք ներգրավված են այդ մոլեկուլի նյութափոխանակության մեջ: Մետաբոլիտը կապվում է աճող mRNA- ի հետ և առաջացնում ալոստերային փոփոխություն, ինչը որոշ գեների մոտ առաջացնում է mRNA- ի հետագա սինթեզի դադարեցում մինչև ֆունկցիոնալ արտադրանքի ձևավորումը և այլ գեների համար, ինչը մեծացնում է mRNA- ի սինթեզի ավարտը: Երկու դեպքում էլ մեկ արդյունք է վերահսկել այդ մետաբոլիտի մակարդակը:

Որոշ riboswitches վերահսկում են mRNA- ն թարգմանություն այլ ոչ թե դրա տառադարձումը: Առաջարկվել է, որ կարգավորող այս մեխանիզմները, որոնք չեն ներառում որևէ սպիտակուց, ռեկլիկտ են «ՌՆԹ աշխարհից»:


Դիտեք տեսանյութը: Սովորենք. Վայրի Կենդանիներ (Դեկտեմբեր 2021).