Биохимия Р.Марри

110

s s u u

!

с:

u

~

со)

)S

О

:ж:

:ж:

cu

L-

~

:ж:

cu

ID

8.

>.

s s u u cu

а.

с:

u

~

со)

)S

О

:ж:

:ж:

cu

L-

~

:ж:

cu

ID

8.

>.

s s u u cu

а.

с:

u

~

со)

)S

Рис. 41.1. Диаграмма возможных типов ответа со стороны

системы регуляции уровня "Экспрессии гена на действие ре­

гуляторного сигнала (например, гормона).

дения о молекулярных механизмах регуляции огра­

ничивались данными, полученными при изучении

прокариотических и простейших эукариотических

организмов. Это объясняется тем, что использован­

ные методы генетического анализа эффективны лишь в применении к наиболее примитивным орга­ низмам. Последние достижения генной инженерии позволили начать изучение сложнейших механизмов

регуляции экспрессии генов у млекопитающих.

В этой главе мы сначала обсудим то, что характерно для прокариотических .систем. При этом мы не бу­

дем описывать генетические эксперименты, а сде­

ответов изображены в виде диаграмм динамики

экспрессии генов в ответ на индуцирующий сигнал

на рис. 41.1.

Тип А. Ответ характеризуется повышенным уров­

нем экспрессии гена при постоянном присутствии

индуцирующего сигнала. Когда агент, выполняю­

щий функцию индуцирующего сигнала, удаляется,

экспрессия падает до исходного уровня и возрастает

опять при повторном появлении индуцирующего

сигнала. Этот тип ответа широко распространен

у высших организмов при использовании таких ин­

дукторов, как стероидные гормоны (см. гл. 44).

Тип Б. Ответ проявляется лишь как временное

усиление экспрессии даже при постоянном присут­

ствии регуляторного сигнала. После удаления инду­

цирующего агента и по истечении времени, необхо­

лаем акцент на том, что может быть названо физио­

логией экспрессии генов. Однако нужно подчер­

кнуть, что почти все важнейшие выводы основаны на результатах генетических исследований.

Перед тем как обратиться к физиологии, необхо­

димо остановиться на некоторых терминах, приня­

тых для прокариотических систем.

Цистрон- наименьшая единица генетической

экспрессии. Как показано в гл. 10, некоторые фер­ менты и белки состоят из нескольких неидентичных субъединиц. Таким образом, известная формула

«один ген- один фермент» не является абсолютно

строгой. Цистрон-это минимальная экспрессируе­

мая генетическая единица, кодирующая одну субъе­

диницу белковой молекулы. Поэтому вышеупомяну­

тую формулу можно перефразировать как «ОДИН

Инд}цибельный ге.. - ген. 'Экспрессия когорОJО

усиливается в отвеl на действие ИНД~'I\'fора­

Сl.lсцифического рс. ~лятогного сипшла,

Понятие КOJIСТИЧТИВIIOЙ 'Экспрессии используется

вотношении геНt)В. которые 'ЭlI.спрессируются на

определешlOМ постоянном уровне и не подвержены

специфической рег) _lЯЦИИ. Некоторые инд} пибель­

вые гены могут сгать КОНСТИlутшшыми в результате

му гации. COOTBeTcl вующие мутаuии называют кон­

СТИlУ ПlВНЫМII МУI\ЩИЯМИ.

РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСIIРЕССИИ I'EHOB У IIРОКАРИОТ

(,aC-Оllерон

В1961 г. Франс}з Жакоб и Жак Моно описали

с1авшую I'сперь классической модель ооерона. Их

конщ:пuия в ,шачи гельной мере была основана на

чала грансляции (AUG) и стоп-кодоны (UAA) дЛЯ каждого пистрона. Такой тип мРНК называется 00-

.lIшнеl РOlIНОЙ мРНК. Образование полицистронных мРНК характерно главным образом для прокарио­

IIIЧС~КИХ ОРl·ШШЗМОВ.

Когда в растущую культуру клеток Е. соН добав­

ляют лактозу И.'IИ некоторые ее аналоги, ',жспрессия

активностей Р-галактозидазы, галактозидпермеазы и галаКТО1И,.J.uцетилазы возрастает в 10--100 раз.

Индукция лактозного оперона по вышеприведенной

классификации ответов относится к типу А

(рис. 41.1). После удаления индуктора (сигнала) ин­ тенсивность наработки всех трех ферментов падает.

Поскольку сами ферменты в клетках Е. соН не под­

вергаются сушественной деградации, уровень актив­

ности Р-галактозидазы и двух других ферментов ос­

гае гся на прежнем уровне и падает лишь в связи с

«разбавлением» в результате клеточного деления. Когда клетки Е. coli вырашивают в среде. содержа­

шей смесь лактозы и глюкозы, в качестве единствен­

ных источников углерода. то в первую очередь мета­

изучении регуляшlИ метаБОJ'lИ"1'-1а лактозы у кишеч­

нои пал()чки Е. соli. Молекулярный механизм регу­ ляции генов, участвуюших в метаБО_lизме лактозы, на сегодняшний день наиболее изучен. Фермент р­

болизируется глюкоза. После исчерпания глюкозы

в среде рост клеток временно приостанавливается,

пока не пройдет индукция лактозного оперона, в ре­ зультате которой достигuется уровень экспрессии со­

индуцируется до полного исчерпания глюкозы. Этот

феномен сначала объясняли исходя из предположе­

ния о репрессии оперона одним из продуктов ката­

БОJIизма глюкозы. Поэтому он получил название­ «катаболитная репрессия». Сейчас уже известно, что «катаболитная репрессия» в действительности опос­

редуется действием белка-активатора катаболитных

н'нов-так называемого САР-белка (от англ. cata-

bolite gene activator ргоtеiп)-соВМСС1НО с сАМР.

Уровень экспрессии многих индуцибельных фер­ ментных систем или оперонов у Е. соН и других про­ кариот чувствителен к катаболитной репрессии (см.

ниже).

ФизиолOl ия индукции Lас-оперона в настоящее время хорошо изучена (рис. 41.4). Экспрессия нор­ мальнOI~О гена ; Lас-оперона конститутивна, она

проявляется в наработке с постоянной скоростью су­ бъединиц Lас-репрессора. Белковая молекула Lac- репрессора состоит из четырех идентичных субъеди­ ниц, каждая из которых имеет мол. массу 38000. Ре­ прессорпродукт гена ;-обладаст высоким срод­ ством к соответствующему операторному локусу (Kd около 10-12 моль/л). Операторный JlOKYC-ЭТО опре­

деленный учасгок последовательности двухцепочеч­

ной дик длиной 27 пар оснований. В рамках этого

участка последовательность длиной 21 п. о. характе­ ризуется двойной симметрией вращения (показано сплошными линиями, ось симметрии обозначена

точками):

5'-ДДТ TGTG~G~ G ~ATAAcAATT

З'-ТТА АСАС те G е ~T ~TTOTT дд

Минимальный эффективный размер оператора, с которым может связаться молекула Lac-

репрессора, составляет 17 пар оснований (выделены

жирным шрифтом). В каждый данный момент вре­ мени с оператором связаны две субъединицы репрес­ сора. Внутри последовательности в 17 пар основа­ ний по крайней мере одно основание каждой пары

принимает участие в узнавании и связывании репрес­

сора. Связывание происходит в основном в большой

бороздке ДИК без нарушения нормальной двухспи­

ральной структуры области оператора. Участок мо­

лекулы репрессора, включающий первые 52 амино­

кислотных остатка. связывается с ДИК. не проявляя.

судя по всему, специфичности к какой-то определен­ ной последовательности. Другая область репрессора (остатки с 53 по 58) строго специфично связывается с 17-звенным фрагментом операторной области про­ тяженностью 6-7 нм. Аминокислотные остатки

в положении 74--75 особенно важны для связывания

индуктора с молекулой репрессора. Операторный ло­

кус находится между промотором, к которому перед

началом транскрипuии присоединяется ДИК­ зависимая РИК-полимераза. и началом гена z-

структурного гена Р-галактозидазы (рис. 41.3). Присоединившись к оператору, репрессор препят­

ствует транскрипции операторного локуса и диста­

льных структурных генов z, У и А. Таким образом.

репрессор является негативным регулятором; в его

присутствии подавляется экспрессия Z, У и А-генов.

Обычно на клетку приходится 20-40 тетрамерных

молекул репрессора и 1-2 операторных локуса.

Аналог лактозы, способный индуцировать экспрессию Lас-оперона и не являющийся в то же

время истинным субстратом Р-галактозидазы. мо­

жно назвать нерасходуемым индуктором. Добавле­

ние лактозы или нерасходуемого индуктора к куль­

туре бактерий, выращиваемой на плохо утилизируе­

мом источнике углерода (например. сукцинате), вы­

зывает незамедлительную индукцию ферментов

Lас-оперона. Иебольшие количества лактозы или

индуктора способны проникать в бактериальную клетку и в отсутствие пермеазы. Молекулы репрессо­

ра, как связанные с операторным локусом. так и на­

ходящиеся в свободном виде в цитоплазме, обла­ дают сродством к молекулам индуктора. Связыва­

ние индуктора с молекулой репрессора. прикреплен­

ной коператорному локусу, вызывает конформа­

ционные изменения структуры репрессора и приводит

к диссоциации комплекса с ДИК. Если к этому мо­ менту ДИК-зависимая РИК-полимераза уже связана с кодирующей цепью в промоторной области, то на­ чинается транскрипция. Образующаяся при этом по­ лицистронная мРИК имеет на 5'-конце последова­ тельность. комплементарную кодирующей цепи опе­ ратора. Таким образом. индуктор дерепрессируеl Lас-оперон и обеспечивает возможность транскрип­

ции структурных генов Р-галактозидазы, галакто-

зидпермеазы и галактозидацетилазы. Трансляция полицистронной мРИК может начаться еще до пол­ ного завершения транскрипции. Дерепрессия Lac-

оперона позволяет клетке синтезировать ферменты.

необходимые для катаболизма лактозы как источни­

ка энергии.

Для связывания РИК-полимеразы с последовате­ льностью промотора необходимо наличие комплек­ са белка-активатора катаБОЛИТIIЫХ генов (САР) с сАМР. Накопление сАМР происходит независи­ мым образом только при недостатке в питательной среде источника углерода. В присутствии глюкозы или глицерола в концентрациях. обеспечиваюших рост, концеНТРdЦИЯ сАМР в бактерии оказывается

недостаточной для образования комплекса с САР

и ДИК-зависимая РИК-полимераза не может начать транскрипцию Lас-оперона. Транскрипция начинае­

тся только при наличии комплекса CAP--сАМР. связанного с промотором. Комплекс САР- -сАМР

действует как позитивный регулятор, поскольку его

присутствие необходимо для обеспечения экспрессии генов. Таким образом, Lас-оперон является объ­

ектом как позитивной, так и негативной регуляции.

Если ген i мутирует таким образом, что его про­

связываrься с оператором, то экспрессия Lac- оперона становится конститутивной. И наоборот,

если мутация приводит к неспособности репрессора

связываться с индуктором, то дерепрессии Lac- оперона (необходимым условием которой является именно образование комплекса между индуктором и репрессором, связанным с операторной областью) не наблюдается даже при высоких концентрациях

индуктора в среде.

Мутантная бактерия. у которой операторная по­

следовательность изменена так, что нормальный ре­

прессор оказывается неспособным связаться с ней, также приобретает способность к конститутивной

экспрессии Lас-оперона.

Бактериофаг лямбда

Некоторые бактерии несут вирусы (умеренные

бактериофаги), которые либо встроены в хромосому

клетки-хозяина и реплицируются вместе с ней. либо

существуют в клетке автономно и реплицируются

самостоятельно, что в конечном итоге приводит

к лизису И гибели бактерий. Один из таких умерен­

ных бактериофагов-бактериофаг лямбда (л). При инфицировании чувствительных бактерий Е. сои он

«инъецирует» в бактериальную клетку свой геном, состоящий из линейной двухцепочечной ДИК разме­

ром 45000 пар оснований (рис. 41.5). В зависимости от физиологического статуса микроорганизма даль­

нейшее развитие фага может протекать дибо по JIН­

зогенному пути, который заключается в интеграции

фаговой ДИК с хозяйским геномом и сохранении

114

'L

(d

!

Гlllва 4/

в скрытой форме вплоть до «ак, ивации» (см. ниже). либо по пути wlигичесh':ОГО раJВIIfИЯ. При этом проис­ ходит серия репликаций ДН К фага и образуется при­ мерно 100 копий фагового генома. Каждый из них пакуется в белковый капсид, зрелые фаговые части­ цы вызывают лизис хо'зяйской клетки. ОсвобоДив­

шиеся бактериофаги могут вновь инфинировать ЧУВ­

Сl вительные бак гериальные клетки.

!

ЗG;О )

I \

~6~O§)

~(:>

Будучи интегрированной с геномом клетки­ хозяина, ДН К фюа /~ сохраняется в «скры гом» со­ стоянии (в виде профю а) до тех пор. пока не будет подвержена активации в резуль га ге воздсйствия на лизогенную клетк} lех или иных ДНК­ повреждающих агентов. В ответ на такое воздей­ ствие профаг «индупируеlСЯ»-lIаЧИlшегся rpUHc- крипuия и трансляпия фаговых генов. необходимых для вырезания фаговой ДН К из хозяйской хромосо­

мы, ее репликации. упаковки в белковый капсид

и клеточного лизиса. Это развитие запускается с по­ ~ющью механизма, подобного триггерному. что со­ ответствует варианту С на рис. 41.1. Эю означает. ч го после акта индукции профш а обратное развитие

становит~я нево зможным: процесс протеь.ает вплоть

до клеточного лизиса и высвобожления новых фаго­ вых частиц. Пер~ключение пути развития с .'1изorен­ ного (состояние профага) на литический (вирулент­

ный фаг) прскрасно изучено на молеКУ:1яrШО\1 и гене­

тическом уровнях и будег далее представлено в виде

парадигмы.

В переключении пути рuзвития фага участвует область ДН К размером в ХО пар оснований, назы­ Вdемая «правым оператором» (OR) (рис. 41.6. А). Правый OIlера rop фШlНкироваll слева с гр}'ктурным геном репрессора фага лямбда, а справа­ структурным геном другого регуляторного белка,

Рис. 41.5. Заражение E.coli фагом л начинается с адсорбнии фаговой частицы на поверхности бактериальной клетки (1). Следующий этап-инъекция фаговой ДНК (темная .luнuя) в клетку (2, 3). Далее события развиваются в одном И1 двух

возможных направлений. При лизогенном пути фаговая

ДНК встраивается в бактериальную хромосому (4, 5).

В этом случае ДНК фага реплицируется, как интегральная

часть хромосомы - пассивно, при клеточном делении.

Клетки, несущие интегрирuванный (<<спящий») вирус, назы­ вают лизогенными, а сам интегрированный фаг профагом. При альтернативном литическом пути ра1ВИТИЯ инфекции фаговая ДНК реплицируется не1ависимо (6) и на­ правляет синтез фаговых белков (7). Образуется около lO() новых фаговых частиц. Размножение фага в конечном ито­ ге приводит к люису клетки-хозяина (8). Профаг может быть индуцирован при воздействии различных фаКlОРОВ,

например при ультрафиолетовом облучении (9). ИндуItи­

рующий агент осуществляет переКlючение в работе I"{BYX альтернативных наборов генов. При этом ДИК фага выре­ зается из хозяйской хромосомы (10) и наЧИНdСТСЯ литиче­

ский цикл. (Reproduced. with permission. fгom Ptashne М., Johnson А. о., РаЬо С. О А genetic switch in а bacterial virus.

Sci. Ат. [Nov.] 1982, 247, 128.)

называемого сю. Единственным фаговым геном, экспрессируюшимся при нахождении фаговой ДН К

в составе хозяйской хромосомы. Т. е. в состоянии

профага, является ген репрессора. При литическом

развитии ген репрессора не экспрессируется, но идеl

активная экспрессия гена его, равно как и многих

других фаговых генов. Таким образом. когда ген pe~ прессора включен, l'eH ero - вкдючен, и наоборот.

когда ген ero включен, ген репрессора-выключеll,

Как мы увидим далее, эти два гена регулируют друг

друга, что в конечном счете и определяет выбор ме­

жду дитическим и лизогенным путями развития

фага А.

Область оператuра состоит из трех расположен­

ных друг за другом дискретных похожих, но не иден­

тичных участков последовате.1ЬНОСТИ ,Jлиной по 17

пар оснований (рис. 41.6, Б). Каждый из этих трех

участков О R1, О R2 и О R3 можег связывать репрессор

или сго-белок главным образом за счет контактов между молекулой белка и-большой бороздкой двой­ ной спирали ДНК. Область днк между генами ре­

прессора и ero также содержит две промоторные по-

его

i

1

следовательности. которые определяют связывание

РИК-полимеразы в определенной ориентации. Один

промотор направляет транскрипцию вправо, и пото­

му с него транскрибируется его и другие дистальные

гены. Другой промотор направляет транскрипцию

влево, т. е. в направлении транскрипции гсна репрес­

сора (рис. 41.6, В).

Продукт гена репрессора. белок-репрессор, со­ стоящий из 236 аминокислот, организован в двухдо­

менную структуру. в которой N-концевой домен

связывается с ДИК операторного участка, а с­

концевой домен отвечает за связывание с другой MOJleкулой репрессора с образованием димера. Димерный репрессор связывается с ДНК оператора более про­

чно, чем мономер (рис. 41.7, А-В).

Продукт гена ero, сrо-белок, состоящий из 66

аминокислот, обладает однодоменной структурой.

но также связывается более прочно с оператором

в димерной форме (рис. 47.7, П. Очевидно, что един­

ственный домен сrо-белка отвечает как за связыва­ ние с ДНК, так и за димеризацию.

В лизогенной бактерии. содержащей фаг л в со­ стоянии профага. л-репрессор связывается преиму­

щественно с 0R1, и при этом за счет кооперативных

взаимодействий способствует связыванию другой ди­

мерной молекулы репрессора с учаСТКО1\1 0R2 (рис.

41.8). Из трех участков оператора наименьшим

сродством к репрессору характеризуется участок

OR3. Связывание репрессора с 0R 1 приводит К двум

основным эффектам. Во-первых, РНК-полимераза не

может связаться с правонаllравленным промотором. и,

следовательно, сго-ген не экспрессируется. 80-

вторых, как сказано выше. репрессорный димер. связавшись с 0R 1, усиливает связывание другого ди-

мера с OR2. Связывание репрессора с 0R2 дает ва­

жный дополнительный эффект, проявляющийся

вповышении эффективности связывания РНК­

полимеразы с левонаправленным промотором, пере­

крывающимся с OR2. что приводит к усилению

экспрессии гена репрессора. Такое усиление, по­

видимому. опосредовано взаимодействием белок­

белкового характера между репрессором, связанным

с OR2, и РИК-полимеразой, связанной с промото­

ром. Следовательно, л-репрессор служит одновре­

менно и негативным регулятором, препятствующим

транскрипции гена его, и позитивным регулятором,

усиливающим транскрипцию своего собственного

гена. Этот двойственный характер действия репрес­

сора обусловливает стабильность состояния профа­

га: репрессор не только подавляет экспрессию генов

литического развития. но и усиливает свою со­

бственную экспрессию. И то и другое способствует

поддержанию лизогенного статуса клетки (т. е. суще­

ствова,ше бактеориофага в форме профага). Когда

концентрация репрессора достигает очень высоких

значений, становится возможным его связывание

с OR3'что в свою очередь понижает эффективность

транскрипции гена репрессора с левого промотора.

Как следствие этого, концентрация репрессора сни­

жается до таких значений, при которых происходит

диссоциация комплекса репрессора с участком OR3.

Когда ДИК-повреждающий сигнал, например

ультрафиолетовое облучение, оказывает воздей­ ствие на лизогенную бактериальную клетку, обра­ зующиеся фрагменты одноцепочечной ДИК активи­

руют специфическую бактериальную протеазу, ко­

дируемую геном ,есА (рис. 41.8). Активированная recA-протеаза расщепляет ту часть молекулы ре-

ра выключен. Это событие необратимо, вслед за ним

начинается экспрессия остальных фаговых генов,

т. е. запускается цикл нормального литического раз­

вития фага Л. Когда концентрация сro-белка стано­

вится достаточно высокой, он связывается с учаСТКО!\1

0R 1 и таким образом снижает уровень экспрессии со­

бственного гена, что существенно для реализации

последних стадий цикла литического развития.

И для сrо-белка, и для белка-репрессора с по­ мощью методов рентгеновской кристаллографии

установлена пространственная структура. Предло­ жены и проверены модели связывания данных бел­

ков с ДНК, проанализированы и имеющие к этому

отношение молекулярные и генетические события.

До настоящего времени фаг л остается наиболее изу­

ченным и в отношении молек}лярного механизма

регуляuии экспрессии генов.

Аттенуация транскрипции

Бактериальные опероны, ответственные за био­ синтез аминокислот, часто обладают дополнитель­

ной системой контроля экспрессии, основанной ш\

преждевременной терминации траНСКРIШШIИ. Этот проиесс, называемый аттенуаuией, функционирует

независимо от промоторно - операторной системы

регуляции экспрессии. Аттенуаuия используется для

регуляuии экспрессии в ответ на воз.;з:еЙСТВIIС различ­

ных физио.10гических факторов. Процесс реГУЛЯllИИ

на основе аттенуаuии включает начало трансляции,

остановку рибосомы и переключение альтернатив­ ных вариантов вторичной структуры РНК, один из которых формирует терминатор гранскрипuии, а другой - препятствует образованию терминатор­ ной структуры. У Е. соli объектами аттенуаuии

являются опероны триптофана, феНI1ШlЛанина. ги­

стидина, треонина, лейцина, изолейuина ивалина.

Остановимся на аттенуации триптофанового (Trp) оперона. как наиболее полно изученной систе­

ме. Структура триптофанового (Trp) оперона пред­ ставлена на рис. 41.9. Его промоторно­

операторная система регуляции аН.lЛогична ОПИС<lН­

ной выше для Lас-оперона. Репрессия Тrр-оперона

приводит к 70-кратному снижению уровня транс­

крипции, однако мутанты, лишенные функциональ­

ной системы репрессии, тем не менее сохраняют спо­

собность отвечать на триптофановое голощшие 8 -

10-кратным повышением уровня синтеза Trp-MPHK.

При анализе других типов мутаций в Е. соli стало ясно, что проuесс аттенуации связан скорее с Jффек­

тивностью трансляuии триптофановых кодонов, чем

с непосредственным влиянием изменения КОНllентра­

ции свободного триптофана в среде. Вскоре было

установлено, что в TrpL-участке (рис. 41.9) оперона

Промотор

транскрипции

Рис. 41.9. РеГ)_lЯТОрНi::lЯ об!ШС1:Ь и CTpYKтvpHыe rt:HbI Tt·p- оперона Е. co/i. ИНИUИi::lUИЯ ТРi::lНСКРИПНИИ КОНТР()_lИРУСТСЯ проМОТОр0'\f-ОпераТОрО1\1. ТеР~ИНi::lЦИЯ ТР,IНСКРИJIIlИИ к()н­

тролирустся aTTCHYi::lTOPOM в об.lасти 162-звенноii JIИ.LI.t:рнои

последовате_'1ЬНОСТИ Trp L. Всс МОЛСКУ_1Ы полимеРi::l1Ы, OC~­

ществляющис транскрипцию ОПСРОН:1. преж.'1С чсм tвига') ься

дальше, ДС,,1ЮОТ ВРС:\1СННУЮ остановку на участке аттснуа­

ции. (Rсргuduсеd \vith pemlission fгош УШlOf"skу С. АНспиа­ tion in cantl"ul uf expression of bactcrial operons. NЩtlге 19R 1.

289, 751.)

может происходить преждевременная гермИIШЦИЯ

транскрипнии. предотврашаюшая ТР<lНСКРИПUИЮ

ДИСТ<lЛЬНЫХ генов (ТгрЕОСВА) опеРОН<l. Эта пре­

ждевременная терминаuия происходит тог..]а. когда

трансляиия триптофановых кодонов в Тгр1 проте­

кает с нормальной скоростью. В результаге такой

терминапии (аттенуании) образуется так называе­

'\1ый .'1идерныii траНСКрИlIТ д.IИНОЙ 140 н)К.ilео [И..JОП

вместо протяженного полипистронного траНСКРИПТ<l

всего оперона, необходимого для образования всех

ферментов пути биосинтеза 1 риптофана. С помо­

щью меТО,.10В генной инженерии УД<lЛОСЬ получить

мутаuии по аттенуаторному участку и провести ана­

лиз соответствуюших нуклеотидных последователь­

l-юстеЙ. Комбишшия генетических и генно­

инженерных подходов ПОЗВОЛИЛ<l воссоздать сле­

дующую динамическую картину процссса аттенуа­

иии.

На участке Trp-пр0'\10ТОра РНК-полимераза. сво­ бuдная ог контроля СО стороны репрессuра, начи­

ниет траш:крипцию оперuна и ).{ОХО,lИТ до 90-го НУ­

клеотида (рис. 41.10). где она делает временную остановку. Во время этой паузы к образовавшемуся

5'-концу лидерного транскрипта в оБЛ<lСТИ 27-29 cTapToBoro кодона AUG прикрепляется рибосома,

происходит трансляиия ЛИllернOI о пеп I'Ида длиной

14 аминокислот. НачИlШЯ с положения 54. в Tp<lHC-

крипте пос,едовательно расположены два трип 10-

фановых кодона, поэтому для продолжения трансля­ uии необходимо присутствие тРНКТгр. Следует отме­

тить, что триптофан- относительно редкая амино­

кислота. Еще реже два остатка триптофана распола­

lаются ДРУI за другом в составе IЮЛШlеп ПI.и,ов.

поэтому трансляция лидерного пептида является

способом «тестирования» уровня TPHKTrp, который В свою очередь зависит от уровня триптофана в клетке. Когда РНК-полимераза возобновляет

транскрипцию после сайта остановки (в положении

90), рибосома. транслирующая лидерный пептид,

доходит до стоп-кодона (в положении 70) при нали­ чии в достаточных количествах TPHKTrp. При недо­

статке TPHKTrp рибосома останавливается рань­

ше - на участке, содержащем два тандемных трип­

тофановых кодона. Положение рибосомы на лидер­

ном транскрипте определяет выбор одной из двух альтернативных вторичных структур, образуемых

РНК-транскриптом.

Нуклеотидная последовательность лидерного

транскрипта такова, что между областями, обозна­

ченными цифрами 1 и 2, 3 и 4, возможно формирова­ ние шпилечных структур (рис. 41.11) в соответствии с правилами образования комплементарных пар (А: U, О: С). Шпилька между областями 3 и 4 слу­

жит сигналом терминации транскрипции. В этом

случае транскрипция завершается примерно за 140-м нуклео rидом с образованием преждевременно тер­

минированного транскрипта длиной 140 нуклеоти­

дов.

Области 2 и 3 транскрипта также способны обра­ зовать шпильку. Это приводит К образованию аль­ rернативной вторичной структуры, препятствующей

формированию терминирующего сигнала шпильки 3: 4. Когда рибосома временно останавливается на

двух Тrр-кодонах (рис. 41.11, Б), область 1 оказы­ вается «защищена», а области 2 и 3 образуют шпи­

лечную структуру. Тем самым исключается прежде­

временная терминация и РНК-полимераза может

продолжить транскрипцию за 140-й нуклеотид

с образованием полицистронной мРНК, которая ко­

дирует ферменты биосинтеза триптофана.

Если в клетке имеется достаточное количество Trp--тРНКТrр, рибосома проходит Тrр-кодоны в ли­

дерной последовательности и доходит до сигнала

остановки трансляции (UGA) в области 2, экранируя таким образом обе области - 1 и 2. При этом се­

гменты 3 и 4 могут образовать шпильку-сигнал

преждевременной терминации транскрипции, далее

которого РНК-полимераза не сможет вести транс­

крипцию оперона. Вместо полицистронной мРНК,

кодирующей ферменты триптофанового оперона, образуется преждевременно терминированный транскрипт длиной 140 нуклеотидов. Образование

взаимоисключающих вторичных структур (между

областями 2 и 3 или 3 и 4) и является внутриклеточ­ ным сигналом, информирующим РНК-полимеразу о способности клетки транслировать триптофано­

вые кодоны.

На рис. 41.12 представлены аминокислотные по­

следовательности лидерных пептидов, предсказан­

ные по соответствующим нуклеотидным последова­

тельностям, для нескольких других оперонов Е. col,

и Salmonella typJlimurium. Из рисунка видно, что в ли­

дирующей последовательности существенно прева­ лирует именно та аминокислота, ферменты биосин­ теза которой кодируются данным опероном.

Недавно феномен аттенуации был описан и для

клеток млекопитающих. Механизм аттенуации для

них неизвестен, однако очевидно, что он должен

сильно отличаться от вышеописанного, поскольку

транскрипция и трансляция у эукариот происходят

в разных внутриклеточных компартментах.