Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 3 (страница 71)

Е. coli быстро растет на культуральной среде, содержащей глюкозу. При перенесении клеток на среду, содержащую вместо глюкозы лактозу, рост начинается не сразу, а после короткой задержки, но затем идет с такой же скоростью, как и на среде с глюкозой. Проведенные исследования показали, что для роста на лактозной среде необходимо наличие двух веществ, которые Е. coli обычно не синтезирует: Р-галактозидазы, гидролизующей лактозу до глюкозы и галактозы, и лактозопермеазы, делающей клетку способной быстро поглощать лактозу из среды. Это служит примером того, как изменение в условиях среды — замена глюкозы лактозой — индуцирует синтез определенного фермента. Другие эксперименты с Е. coli показали, что высокое содержание в среде аминокислоты триптофана подавляет выработку триптофансинтетазы — фермента, необходимого для синтеза триптофана. Синтез β-галактозидазы служит примером индукции, а подавление синтеза триптофансинтетазы — примером репрессии фермента. На основании этих наблюдений Жакоб и Моно предложили механизм, объясняющий индукцию и репрессию, — механизм "включения" и "выключения" генов.

22.7.1. Гипотеза Жакоба-Моно

Генетические инструкции, определяющие аминокислотную последовательность упомянутых выше белков, заключены в структурных генах, причем инструкции для β-галактозидазы и лактозопермеазы тесно сцеплены в одной хромосоме. Активность этих генов регулируется еще одним геном, который называют геном-регулятором и который препятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген — регулятор может находиться на некотором расстоянии от структурных генов. Доказательства его существования получены при изучении мутантных клеток Е. coli, лишенных этого гена и поэтому вырабатывающих β-галактозидазу непрерывно. Ген — регулятор содержит генетическую информацию для синтеза репрессора, который препятствует активности структурных генов. Репрессор действует на структурные гены не прямо, а опосредованно, оказывая влияние на участок, примыкающий к структурным генам и называемый оператором. Оператор и управляемые им структурные гены в совокупности называют опероном (рис. 22.29).

Репрессор представляет собой особый аллостерический белок, который либо связывается с оператором, подавляя его активность ("выключает" его), либо не связывается с ним, позволяя ему проявлять активность (оставляет его включенным). Когда оператор включен, на структурных генах осуществляется транскрипция и происходит образование мРНК, которую рибосомы и тРНК транслируют в полипептиды; а когда оператор выключен, мРНК не образуется и кодируемые ею полипептиды не синтезируются (рис. 22.29).

Рис. 22.29. Основные структуры и процессы, участвующие в регуляции белкового синтеза согласно гипотезе Жакоба-Моно. Цифры указывают последовательность событий

Механизм, от которого зависит, присоединится ли аллостерический белок к оператору или нет, прост и при этом чувствителен к изменениям условий внутри клетки. В молекуле репрессора имеется по меньшей мере два активных участка; к одному из них может присоединиться молекула индуктора, а другой служит для присоединения к оператору, выключающего весь оперон.

22.7.2. Индукция ферментов

Присоединение молекулы индуктора к активному участку молекулы репрессора изменяет третичную структуру репрессора (аллостерический эффект; см. разд. 6.6) так, что он не может связаться с геном — оператором и репрессировать его; в результате оператор оказывается в активном состоянии и включает структурные гены.

При выращивании Е. coli на среде с глюкозой ген-регулятор продуцирует белок, обладающий свойствами репрессора, который связывается с геном-оператором и выключает его. Структурные гены при этом не активируются, и ни β-галактозидаза, ни лактозопермеаза не синтезируются. При переносе бактерий на среду с лактозой последняя действует как индуктор, присоединяясь к молекуле репрессора и препятствуя ее соединению с оператором. Структурные гены переходят в активное состояние и продуцируют мРНК для синтеза ферментов, ответственных за поглощение и расщепление лактозы. Таким образом, лактоза индуцирует собственное расщепление (рис. 22.30).

Рис. 22.30. Индукция синтеза β-галактозидазы согласно гипотезе Жакоба-Моно. Цифры указывают последовательность событий

22.7.3. Репрессия ферментов

Если молекула корепрессора присоединяется к соответствующему активному участку репрессора, то это усиливает способность репрессора связываться с оператором; при этом происходит инактивация оператора и тем самым предотвращается включение структурных генов.

Е. coli может синтезировать аминокислоту триптофан при участии фермента триптофансинтетазы. Если клетка содержит избыток триптофана, некоторая его часть действует как корепрессор, связываясь с молекулой репрессора. Молекулы корепрессора и репрессора присоединяются к оператору и подавляют его активность. Структурные гены выключаются, мРНК не образуется, и синтез триптофансинтетазы прекращается. Это пример ингибирования по типу обратной связи на генном уровне (рис. 22.31)[12].

Рис. 22.31. Механизм репрессии синтеза триптофанситетазы согласно гипотезе Жакоба-Моно. Цифры указывают последовательность событий. Прерывистыми стрелками обозначены репрессированные стадии

22.7.4. Регуляция метаболических путей

Описанный выше двойной механизм делает возможным взаимодействие между внутриклеточной средой и генетическим аппаратом для обеспечения тонкой регуляции клеточного метаболизма. На рис. 22.32 показан простой метаболический путь, в котором исходный субстрат и конечный продукт могут играть роль соответственно индуктора и корепрессора. Благодаря этому клетка может синтезировать фермент в таком количестве, которое необходимо в данное время для того, чтобы поддерживать на нужном уровне количество конечного продукта. Такой способ регуляции метаболизма чрезвычайно экономен. Отрицательная обратная связь, осуществляемая путем инактивации первого фермента (а) при его связывании с конечным продуктом (Е), быстро блокирует данный метаболический путь, но не приостанавливает синтез других ферментов (b, с и d). В модели, предложенной Жакобом и Моно, конечный продукт (Е), присоединяясь к репрессору и тем самым усиливая его ингибирующее действие на оператор, подавляет синтез всех ферментов (а, b, с и d) и выключает данный метаболический путь. Индуцирующая функция исходного субстрата на схеме не показана.

Рис. 22.32. Механизм регуляции метаболического пути А Е. Сплошными линиями показаны механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи; прерывистыми линиями-механизмы, действующие во время репрессии. Крестом( х) обозначено блокирование синтеза данного фермента

22.7.5. Видоизмененная гипотеза оперона

После того как в 1961 г. Жакоб и Моно предложили механизм, с помощью которого гены могут включаться и выключаться, были получены другие дан-ные, позволившие прояснить различные аспекты этого механизма. Исходя из генетических данных, было высказано предположение о существовании промотора, расположенного рядом с оператором и действующего между ним и геном-регулятором. Предполагается, что промотор выполняет две функции. Во-первых, промотор-это то место, к которому присоединяется РНК-полимераза, прежде чем начать перемещаться вдоль ДНК, транскрибируя структурные гены в соответствующую мРНК. Это перемещение, конечно, зависит от того, находится ли оператор в активном состоянии или нет. Во-вторых, последовательность оснований в промоторе определяет, какая из цепей двойной спирали ДНК присоединит к себе РНК-полимеразу. Таким образом, от промотора зависит, какая из цепей двойной спирали ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК.

22.8. Генетическая регуляция развития

Большинство многоклеточных животных и растений начинает свой жизненный цикл с одной клетки — зиготы. Из этой клетки в результате многократных митотических делений получается сложный, высокодифференцированный организм. Процесс этот называют ростом и развитием, и он включает также дифференцировку. В результате дифференцировки каждая клетка приобретает определенную структуру, позволяющую ей выполнять ряд специфических функций более эффективно, и это является одним из важнейших событий, происходящих в процессе развития. Почему клетки, принадлежащие одному организму, образовавшиеся путем повторных клеточных делений и содержащие один и тот же генетический материал, отличаются таким широким разнообразием, типичным для многоклеточных организмов? Причина этого далеко не ясна, однако она, несомненно, связана с индукцией и репрессией генов при участии механизмов, вероятно, сходных с описанными в предыдущем разделе. Судя по имеющимся данным" дифференцировка связана с различными взаимодействиями трех факторов — ядра, цитоплазмы и окружающей среды.

22.8.1. Роль ядра

Значение ядра как хранилища генетического материала и его главная роль в определении фенотипических признаков были установлены давно. Немецкий биолог Хаммерлинг одним из первых продемонстрировал важнейшую роль ядра. Он выбрал в качестве объекта своих экспериментов необычайно крупную одноклеточную (или неклеточную) морскую водоросль Acetabularia. Существуют два близко родственных вида A. mediterranea и A. crenulata, различающиеся только по форме "шляпки" (рис. 22.33).