Prokariotų genų organizavimas ir reguliavimas

Prokariotų genų organizavimas ir reguliavimas!

Įvairūs organizmo genai yra skirti skirtingų baltymų, reikalingų skirtingais laikais, sintezei.

Specifiniai fermentai reikalingi įvairiais organizmo gyvavimo ciklo laikais. Tačiau visais gyvenimo ciklo laikais kiekvienoje ląstelėje yra tas pats genų rinkinys. Todėl būtina turėti mechanizmus, kurie leistų tam tikru laiku veikti tik norimus genus ir apribotų kitų genų aktyvumą. Dabar žinomi įvairūs mechanizmai, reguliuojanti genų ekspresiją įvairiais lygiais, įskaitant transkripciją, mRNR apdorojimą ir vertimą.

Genų reguliavimas Prokariotuose:

Bakterijų genų ekspresijos greitis daugiausia kontroliuojamas mRNR sintezės (transkripcijos) lygiu. Reguliavimas gali vykti tiek pradėjus, tiek nutraukiant mRNR transkripciją.

Lac operono reguliavimas E. coli:

Jacob ir Monod, du Prancūzijos mikrobiologai, remdamiesi savo E. coli tyrimu, pasiūlė pirmąjį genų reguliavimo modelį, vadinamą operono modeliu 1961 metais. Šioje bakterijoje yra trys fermentai, sukeliantys cukraus laktozės, B- galaktozidazė, permeazė ir transacetilazė.

Kai E. coli ląstelės yra auginamos kitame anglies šaltinyje nei laktozė, šių trijų baltymų tarpląsteliniai lygiai yra labai mažai, galbūt 1/1000 lygių, kuriuos jie pasiekia, kai yra laktozės. Todėl sakoma, kad laktozė yra šių baltymų induktorius. Ankstyvieji tyrimai parodė, kad indukcijos procesas apima de-novo β-galaktozidazės sintezę, o ne kai kurių anksčiau veikiančių fermentų aktyvavimą.

Jokūbas ir Monodas pateikė operono modelį, kad paaiškintų tokį laktozės geno reguliavimą.

Lac operone yra trys struktūriniai genai, kurie apima:

(i) geno lac z (3063 bp) koduoja fermentą P galaktozidazę, kuri yra aktyvi kaip tetrameras ir lūžį lūžia į gliukozę ir galaktozę, kuri bus naudojama ląstelėje;

(ii) geno lac y (800 bp) koduoja β galaktozės permeazę, kuri yra su membrana susietas baltymas ir padeda transportuoti metabolitus ir

(iii) geno lac a (800 bp), kuris koduoja p galaktozės transacetilazę, fermentą, kuris perkelia acetilo grupę iš acetil-CoA į P galaktozidus.

Iš eilės su šiais genais ir šalia jų yra operatoriaus genas, kuris neapkoduoja baltymų, bet kontroliuoja tris struktūrinius genus, leidžiančius transkribuoti trijų fermentų mRNR. Tai vadinama operatoriaus genu „o“.

Promotoriaus genas yra prieš pat operatorių ir suteikia RNR polimerazės, kuri vykdo transkripciją, surišimo vietą. Operatoriaus genas yra kontroliuojamas dar vieno DNR segmento, vadinamo reguliatoriaus genu, kuris yra atskirtas nuo operatoriaus ir struktūrinių genų.

Reguliatorius, atrodo, nurodo baltymą, vadinamą repressoriumi, kuris jungiasi su operatoriaus genu ir daro jį neaktyviu. Tai neleidžia fermentams, susietiems su promotoriumi, pereiti prie struktūrinių genų, todėl transkripcija negali vykti. Operatorius, promotorius ir struktūriniai genai kartu vadinami operonu.

Kartais citoplazmos medžiagos, vadinamos indukuojančiomis medžiagomis, gali susieti su represoriaus molekulėmis. Jokūbo ir Monodo sistemoje nustatyta, kad laktozė tokiu būdu sąveikauja su repressoriumi, įpareigoja ją ir leidžia operatoriaus genui „įjungti“ struktūrinius genus, kurie gamina mRNR, kuris lemia fermentų, katalizuojančių laktozės skaidymą.

Kadangi laktozė metabolizuojama, atpalaiduojamos repressorinės molekulės, kurios prisijungia prie operatoriaus ir nutraukia struktūrinių genų transkripciją, ty jie yra „išjungti“. Taigi operatoriaus genas tarnauja kaip viso struktūrinių genų grupės, su kuria ji yra susijusi, jungimo mechanizmas.

Represorius:

Reguliatorių genų pagaminti represoriai yra baltymai, kurie prisijungia prie atitinkamų operatoriaus genų ir turi keturis vienodus subvienetus, kurie sujungia du simetriškus griovelius. Akivaizdu, kad repressoriai priklauso alosterinių baltymų grupei, kuri keičia jų formą sąveikai su specifinėmis molekulėmis.

Kadangi represorius grįžtamai jungiasi prie abiejų lac DNR ir induktoriaus allolaktozės, atrodo, kad turi dvi skirtingas prisijungimo vietas. Nesant induktoriaus, DNR surišimo vieta yra aktyvi ir repressorius prisijungia prie lac DNR.

Tačiau, kai allolaktozė prisijungia prie repressorinės molekulės, DNR surišimo vieta pasikeičia į neaktyvią būseną, o repressorius nebegali prisijungti prie lac DNR. Represoriaus susiejimas su lac DNR neleidžia lac genų transkripcijai, o jo išsiskyrimas iš lac DNR (po jo sąveikos su induktoriumi) leidžia jų transkripciją.

Efektoriai arba induktoriai:

Represoriaus, jungiančio su operatoriumi, afinitetą reguliuoja induktorius arba bendro represorius, mažos molekulės, dar vadinamos efektoriais. Matomas efektorius yra junginys, kuris, atrodo, veikia kaip efektorius, kai jo koncentracija yra pakankama.

Daugeliu atvejų ląstelė gali pakeisti matomą efektorių į kitą junginį, kuris veikia kaip efektorius; toks efektorius yra žinomas kaip faktinis efektorius. Pavyzdžiui, laktozė yra akivaizdus lac operono efektorius E. coli, tačiau faktinis efektorius yra allolaktozė.

Neigiama kontrolė:

Neigiamoje kontrolėje specifinio baltymo (repressoriaus) susiejimas su operatoriaus DNR neleidžia operono transkripcijai. Manoma, kad transkripcija yra išvengta dėl operatoriaus DNR konfigūracijos pasikeitimo, kad RNR polimerazė negalėtų atlikti savo funkcijos.

Kadangi genų aktyvumo reguliavimas tokioje sistemoje yra pasiektas užkertant kelią transkripcijai represoriuje, tai vadinama neigiama kontrole. Neigiamos kontrolės sistema yra suskirstyta į dvi kategorijas: (i) indukuojamos ir (ii) reprezentatyvios.

Indukcinė neigiama kontrolė:

Šioje sistemoje fermentų gamyba prasideda tik esant induktoriui (efektoriui), paprastai atitinkamo metabolinio kelio substratui. Nesant induktoriaus, fermentų gamyba blokuojama, ty operono genai yra slopinami. E. coli lac operonas yra indukuojantis operonas, o daugelis kitų operonų, susijusių su substrato panaudojimo rodikliu, rodo indukciją.

Pakartotinas neigiamas valdymas:

Šioje sistemoje operonas paprastai veikia, ty depresija, ir atitinkami fermentai, kuriuos gamina ląstelė. Bendro represoriaus (efektoriaus) buvimas atitinkamo biosintetinio kelio galutinis produktas sustabdo fermento gamybą, ty, represinį operoną.

Operonai, susiję su biosintetiniais keliais, pvz., Histidino, triptofano ir daugelio kitų amino rūgščių sintezė ir pan., Rodo reprezentatyvią neigiamą kontrolę. Šioje sistemoje reguliatoriaus genas sukuria neaktyvų repressorių, kuris negali prisijungti prie operatoriaus geno.

Neaktyvus repressorius, dar vadinamas aporepreseriu, tampa aktyviu repressoriumi tik tada, kai jis jungiasi su efektorine molekule. Aktyvus repressorius prijungia operatoriaus geną ir neleidžia operonui transkripcijos.

Teigiamas valdymas:

Teigiamai kontroliuojant transkripciją, specifinio baltymo susiejimas, vadinamas aktyvatoriumi į DNR segmentą promotoriaus gene arba RNR polimerazėje, leidžia operoną transkripuoti. Manoma, kad aktyvatoriaus skatinamasis poveikis yra dėl jo poveikio DNR konfigūracijai transkripcijos iniciatoriaus regione, kuris tada tampa palankesnis RNR polimerazės veikimui. Teigiama kontrolė taip pat yra indukuojama arba reprezentatyvi.

Indukcinė teigiama kontrolė:

Šioje sistemoje aktyvatorius yra neaktyvioje būsenoje ir negali prisijungti prie promotoriaus DNR. Aktyvatorius prisijungia prie promotoriaus tik po to, kai jis sąveikauja su specifiniu induktoriumi, kuris gamina aktyvų aktyvatorių. Tokio valdymo pavyzdžiai yra E. coli kataboliniai jautrūs operonai, pvz., Operoną gaminantys fermentai arabinozės (ara) ir galaktozės (gal) skaidymui.

Pakartotinas teigiamas valdymas:

Šioje sistemoje aktyvatorius prisijungia prie promotoriaus geno, leidžiančio operono transkripciją. Sąveika su efektoriumi, korepresoriumi, keičia aktyvatoriaus konfigūraciją, kad ji nesugebėtų susieti su promotoriumi, sukeliančiu operono represijas.