§ 18. Регуляция работы генов у бактерий

Определения и обозначения

Оперон — группа генов бактерии, работа которых согласованно регулируется и которые считываются в составе одной молекулы иРНК. Обычно эти гены нужны для связанных процессов, например для использования одного вещества. Общее управление позволяет клетке включать сразу нужный набор белков, а не регулировать каждый ген отдельно.

Оператор — участок ДНК, связывание с которым белка-регулятора влияет на транскрипцию генов оперона. Его положение позволяет воздействовать на считывание сразу нескольких генов. Поэтому оператор можно представить как участок переключения, через который белок-регулятор контролирует работу оперона.

Белок-репрессор — белок, который при связывании с оператором препятствует транскрипции. Он может мешать РНК-полимеразе начать считывание или продвигаться по ДНК. Репрессор нужен клетке, чтобы временно ограничивать производство ненужных белков.

Индуктор — молекула, связывающаяся с репрессором и изменяющая его способность взаимодействовать с оператором. Такое изменение позволяет клетке передавать сигнал о наличии определённого вещества. Если репрессор теряет связь с оператором, блокировка транскрипции снимается.

Как это устроено

Несколько генов часто работают в одной цепочке обмена веществ: например, кодируют белки, необходимые для использования одного субстрата. Производить такие белки по отдельности неудобно, особенно если они требуются одновременно. Поэтому бактерии могут объединять гены в оперон и регулировать их общими участками ДНК. Это позволяет согласовать их активность и не расходовать ресурсы на несвязанные переключения.

Транскрипция начинается, когда РНК-полимераза связывается с промотором — участком ДНК, откуда начинается синтез РНК. Оператор служит отдельным участком регуляции и может располагаться так, что связанный с ним репрессор мешает работе полимеразы. В этом случае структурные гены не считываются или считываются значительно хуже. Различие участков важно: промотор нужен для начала транскрипции, а оператор позволяет регулировать её ход.

Если в клетке есть индуктор, он может связаться с репрессором и изменить его пространственную форму. Из-за этого репрессор теряет способность удерживаться на операторе, и участок ДНК освобождается. Тогда РНК-полимераза получает возможность транскрибировать гены оперона. Такая регуляция связывает потребность клетки с наличием нужного вещества, а не включает производство ферментов постоянно.

Так работает общий принцип оперона утилизации лактозы: когда в среде появляется субстрат, клетке нужны ферменты для его расщепления. Молекула, связанная с наличием лактозы, действует как сигнал и ослабляет блокировку репрессора. В результате транскрипция генов, кодирующих нужные ферменты, становится возможной. Когда субстрата нет, производить эти ферменты обычно невыгодно, поэтому оперон подавлен.

Обратный принцип действует в опероне синтеза аминокислоты. Если конечного продукта мало, бактерии нужно вырабатывать его, поэтому гены синтеза должны работать. Когда аминокислоты становится достаточно, она может связаться с репрессором как корепрессор и помочь ему присоединиться к оператору. Так клетка снижает транскрипцию и прекращает избыточное производство продукта.

Сопоставление индукции и подавления работы оперона

Сначала определите назначение структурных генов: они помогают расщеплять вещество или синтезировать его. Затем проследите, как сигнал действует на репрессор и может ли тот связаться с оператором. Так становится понятно, почему один оперон включается при появлении субстрата, а другой выключается при избытке продукта.

Разбор задач

Субстрат для расщепления

В клетке бактерии появился субстрат, для расщепления которого нужны ферменты, кодируемые одним опероном. Нужно определить, как изменится транскрипция генов. Рассуждаем от сигнала к состоянию оператора: в такой цепочке важно не приписывать индуктору роль самого фермента. Проверяем, что именно может изменить присутствие субстрата.

1. Субстрат или связанная с его наличием молекула выступает сигналом для клетки. Это указывает, что ферменты расщепления могут понадобиться.
2. Сигнал связывается с репрессором и меняет его форму. Поэтому репрессор может утратить способность связываться с оператором.
3. Когда оператор не занят репрессором, блокировка ослабевает. РНК-полимераза может транскрибировать структурные гены, кодирующие нужные ферменты.

Ответ: транскрипция генов оперона может усилиться, и клетка начнёт производить ферменты для расщепления субстрата. Это экономнее, чем синтезировать их постоянно, в том числе тогда, когда субстрата нет.

Избыток аминокислоты

В среде много аминокислоты, которую бактерия обычно синтезирует сама. Требуется предсказать работу оперона синтеза и объяснить причину. Здесь сигналом является не нехватка сырья, а достаточное количество конечного продукта. Поэтому следует проверить, помогает ли он репрессору выключить гены.

1. Аминокислота поступает в клетку, и её количество становится достаточным. Дополнительный синтез продукта в такой ситуации не нужен.
2. Конечный продукт связывается с репрессором и действует как корепрессор. Такое связывание активирует репрессор или усиливает его способность связываться с оператором.
3. Репрессор занимает оператор и препятствует транскрипции генов синтеза. Производство ферментов этого пути уменьшается.

Ответ: работа оперона синтеза аминокислоты подавится. Наличие продукта сообщает клетке, что его уже достаточно, и помогает избежать лишних затрат ресурсов.

Мутация оператора

Мутация изменила участок оператора так, что репрессор больше не может к нему присоединиться. Нужно предсказать работу структурных генов при отсутствии индуктора. Чтобы не перепутать причины, отдельно рассматриваем состояние репрессора и возможность его взаимодействия с ДНК. Даже активный репрессор не блокирует транскрипцию, если изменён участок, к которому он должен связываться.

1. Индуктора нет, поэтому репрессор не получает сигнал, который обычно мешает ему связываться с оператором. Сам по себе репрессор может оставаться способным выполнять свою функцию.
2. Однако оператор изменён мутацией, и репрессор больше не распознаёт этот участок. Связаться с ДНК и занять оператор он не может.
3. Без репрессора на операторе блокировка транскрипции не возникает. РНК-полимераза может считывать структурные гены, если промотор и другие необходимые элементы сохранны.

Ответ: структурные гены могут транскрибироваться даже при отсутствии индуктора. Причина — не изменение состояния репрессора, а невозможность его связывания с мутировавшим оператором.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что репрессор всегда выключает гены. Его действие зависит от способности связываться с оператором, а молекула-сигнал может эту способность менять. Такая ошибка возникает, если запомнить только название белка, а не условия его работы. Проверьте себя: выясните, связан ли репрессор с оператором именно в описанной ситуации.

Промотор и оператор — не одно и то же. К промотору присоединяется РНК-полимераза, а оператор — участок регуляции, с которым может взаимодействовать репрессор. Их путают из-за того, что оба участка находятся в области управления транскрипцией. Для проверки спросите себя, какой белок связывается с каждым участком.

Индуктор не следует считать ферментом, который расщепляет субстрат. Его задача — повлиять на регуляторный белок, тогда как ферменты кодируются структурными генами оперона. Путаница возникает потому, что индуктор появляется в задаче вместе с субстратом. Проверьте, описывает ли молекула химическую реакцию или переключение работы генов.

Нельзя смешивать включение генов утилизации вещества с выключением генов его синтеза. В первом случае наличие субстрата может снять блокировку, а во втором избыток конечного продукта может активировать репрессор. Путаница связана с тем, что в обоих примерах участвует молекула-сигнал. Для самопроверки назовите назначение генов и установите, сообщает сигнал о наличии сырья или готового продукта.

Связь с другими темами

Для понимания регуляции генов нужно знать строение ДНК и гена, а также роль РНК-полимеразы, промотора и транскрипции. Эти понятия объясняют, где начинается считывание и как оно может быть остановлено. Работа оперона показывает, как бактерии экономят ресурсы и быстро приспосабливаются к изменению состава среды. Представления об экспрессии и регуляции генов пригодятся при изучении генетики эукариот, клеточной дифференцировки и биотехнологии.

Что запомнить

• Оперон объединяет гены, продукты которых связаны общей функцией.
• Промотор — место связывания РНК-полимеразы, оператор — участок регуляции.
• Репрессор, связанный с оператором, обычно препятствует транскрипции.
• Индуктор может изменить свойства репрессора и снять блокировку.
• Конечный продукт биосинтеза может активировать репрессор и выключить соответствующий оперон.
• Регуляция помогает бактерии тратить ресурсы преимущественно на нужные белки.