Модель оперона была впервые предложена Ж. Моно и Ф. Жакобом. В 1961 г. они исследовали процессы, связанные с развитием клеток кишечной палочки. В частности изучались механизмы контроля участков ДНК, кодирующих молочный сахар (лактозу).
Описание
Моно и Жакоб предложили схему координированного контроля деятельности структурных участков ДНК. Ученые дали ей название "оперон". Принцип работы схемы следующий. Транскрипция группы участков ДНК, кодирующих полипептидов, тесно связанных друг с другом функционально, контролируется двумя элементами. Первым является регулятор, а вторым – оператор. Последний представлен последовательностью нуклеотидов, примыкающих к контролируемым структурным участкам. Если в качестве продукта регулятора выступает белок-компрессор, то его присоединение к оператору будет блокировать транскрипцию звеньев ДНК. Это, в свою очередь, является предпосылкой для формирования стерических препятствий для соединения РНК-полимеразы со специфичным участком-промотором. Последний необходим для инициации транскрипции. Иное развитие событий будет в случае, если в качестве регулятора выступает апоиндуктор. В этой ситуации его соединение с оператором создаст условия для транскрипции.
Специфика
Оперон – это последовательность ДНК, которая состоит из тесно сцепленных кодирующих участков, промотора и оператора. Контролирующий элемент может располагаться рядом с ней или на определенном расстоянии от нее. Оператор зачастую находится между структурными участками и промотором. Существуют низкомолекулярные вещества, которыми может контролироваться оперон. Это, в частности, эффекторы, которые являются индукторами или крепрессорами структурных участков, включенных в схему.
Классификация
Бывает индуцируемый или репрессируемый оперон. Это зависит от характера влияния на их деятельность молекул-эффекторов. У индуцируемых структур он присоединяется к репрессору, блокируя связывание с оператором. Соответственно, возникают препятствия для транскрипции структурных участков. Такая регуляция оперонов называется негативной. Вместе с тем индуцируемые структуры могут быть под позитивным контролем. В этом случае эффектор связывается с регуляторной белковой молекулой, активизируя ее апоиндуктор. Присоединяясь к оператору, он обеспечивает возможность транскрипции. Эти типы контроля действуют и по отношении репрессируемых структур. Если регуляция негативная, эффектор, выступающий как корепрессор, соединяется с неактивным репрессором и активирует его. В итоге последний получает способность стыковаться с оператором, блокируя тем самым транскрипцию. Если контроль позитивный, связывание происходит с активным апоиндуктором. Этот комплекс не может соединяться с оператором. Соответственно, структурные участки не транскрибируются.
Выводы
При негативном контроле, таким образом, эффектор соединяется с репрессором, вызывая инактивацию или активацию. Соответственно, индуцируется либо репрессируется транскрипция оперона. В случае позитивного контроля присоединение осуществляется к апоиндуктору. Этот процесс блокирует или разрешает транскрипцию. Результат зависит от формы, которую приобретает апоиндуктор при присоединении к эффектору.
Строение оперона E.coli
У кишечной палочки есть структура, обладающая способностью к сбраживанию молочного сахара. В нее входит промотор, оператор и три структурных участка ДНК. Кодированию подвергаются ферменты генгалактозидаза, галактозидпермеаза, тиогалактозидтрансацетилаза. Для каждого из них существует свой ген. Оперон включает в себя участки lac Z, lac А, lac Y. Первый кодирует генгалактозидазу, катализирующую молочный сахар до глюкозы и галактозы. Lac Y взаимодействует с галактозидпермеазой. Этот фермент обеспечивает транспорт разных сахаров. Lac А кодирует тиогалактозидтрансацетилазу. Ее роль, однако, в процессе утилизации молочного сахара не ясна. Как правило, все белки находятся в клетках кишечной палочки в следовых количествах. Но при выращивании ее в среде, где в качестве единственного источника энергии и углерода выступает лактоза, число ферментов вырастает в 1000 раз.
Конститутивный синтез
Лактозный оперон включает в себя структурный участок lac 1. Им кодируется белок-репрессор. В активном состоянии он представляет собой тетрамер, который сформирован из четырех копий участка lac 1 - полипептидами, включающими в себя 360 аминокислот. Клетки с изменениями в этом гене конститутивны по синтезу белков, кодируемых lac Z, Y и A. При этом такая ситуация возможна при наличии мутаций не только в репрессоре, но и в операторе. Такие изменения всегда являются цис-доминантными. Это связано с тем, что оператор, в отличие от репрессора, может оказывать влияние на возможность транскрипции только в том случае, если располагается в непосредственной близости от промотора. Если в клетке присутствует индуцированные соединения, они вступают с оператором в конкуренцию за молекулы репрессора.
Индукторы
Ими могут являться разные соединения. Молочный сахар выступает одновременно и как индуктор, и как субстрат. В нормальных клетках и при отсутствии индуцированных соединений остаточная активность ферментов обеспечивает возможность проникновения лактозы в минимальных количествах. В результате каталитической реакции молочный сахар трансформируется в аллолактозу. Он, в свою очередь, связывается с репрессором и провоцирует его отсоединение от оператора. Это позволяет РНК-полимеразе состыковаться с промотором. В результате запускается транскрипция lac Z, A и Y. Соединениями, выступающими только как индукторы, являются ИПТГ и ТМГ, используемые для изучения контроля лактозного оперона.
Позитивно действующие элементы
Их выявление обуславливается диауксией. Суть этого феномена в том, что утилизация молочного сахара начинается только после использования всей имеющейся в среде глюкозы. Диауксия – одно из проявлений катаболитной репрессии. Этот глюкозный эффект известен с 40-х гг. прошлого века. Он выражается в неспособности кишечной палочки катаболизировать разные углеводы в присутствии глюкозы. Она, в свою очередь, выступает как более эффективный источник энергии.
Механизм эффекта
Его смогли расшифровать Пастан и Перлман. Они обнаружили два элемента, которыми транскрибируется lac-оперон. Это небольшая молекула-эффектор – цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) и белок-активатор катаболизма САР. У эукариот первый выступает в качестве медиатора действия гормонов. Выяснилось, что при добавлении цАМФ к клеткам кишечной палочки, растущим в среде с присутствием глюкозы, их скорость замедляется, но при этом снимается катаболическая репрессия. Это, в свою очередь, обуславливает возможность экспрессии lac-оперона при одновременном присутствии лактозы и глюкозы. Спустя некоторое время была выявлена обратная зависимость. Активность фермента, синтезирующего цАМФ, подавляется глюкозой.
Заключение
Транскрипция оперона находится под двойным контролем – негативным и позитивным. Комплекс САР-цАМФ дает возможность РНК-полимеразе соединиться с матричной ДНК до начала процесса. В настоящее время учеными расшифрована полная нуклеотидная цепь регуляторной области lac-оперона, в которой присутствует оператор и промотор. Более того, в 1969 г. была выделена его чистая ДНК, содержащая фрагмент lac 1, полностью промоторная и операторная последовательности, lac Z и фрагмент lac Y. При исследовании было установлено, что значительная роль во взаимодействии мультимерных белков с ДНК принадлежит симметричным структурам – палиндромам. В операторе lac-оперона их присутствует 26. При этом 14 из них отличаются специфичностью. В разных цепях они читаются одинаково, но в противоположном направлении. Палиндром выявлен и в участке промотора, взаимодействующем с комплексом САР-цАМФ.
