Модель генетического контроля синтеза белка, концепция оперона.

Судя по данным разнообразных экспериментальных исследований, гены обычно не действуют все время в полную силу, с тем чтобы непрерывно синтезировались все существующие в клетке ферменты. В нормальных условиях деятельность каждого гена, по-видимому, в большей или меньшей степени репрессирована (подавлена); если же в результате того или иного изменения среды возникает потребность в каком-либо ферменте, то происходит дерепрессия гена и усиление синтеза нужного фермента. Полная дерепрессия одного гена может привести к синтезу огромного количества фермента, которое может составить 5—8% суммарного содержания всех белков в клетке. Если бы образование всех ферментов происходило в таком невероятном темпе, это привело бы к полному расстройству метаболизма. Таким образом, явления репрессии и дерепрессии генов, по-видимому, необходимы, чтобы обеспечивать усиление или ослабление синтеза того или иного фермента в ответ на изменение потребности в данном ферменте.

Одноклеточные организмы и клетки многоклеточных организмов могут сильно различаться между собой по числу имеющихся у них ферментов и по количеству того или иного фермента, содержащемуся в одной клетке. Поэтому должен существовать какой-то механизм, регулирующий количество каждого фермента, синтезируемое в данной клетке в данный момент. Скорость синтеза белка, вероятно, контролируется отчасти генетическим аппаратом, а отчасти — факторами внешней среды. Большая часть данных о регуляции синтеза белка в клетке получена в исследованиях на микроорганизмах, в частности на кишечной палочке (Escherichia coli).

На основании данных о длине хромосомы Е. coli и приближенной оценки, согласно которой один ген содержит в среднем около 1500 пар нуклеотидов (и кодирует полипептидную цепь из 500 аминокислот), было вычислено, что гены Е. coli кодируют от 2000 до 4000 различных полипептидов. Полагают, что для роста Е. coli на глюкозе требуется около 800 различных ферментов, из которых одни необходимы в больших, а другие — в малых количествах.

Клетки Е. coli, растущие на глюкозе, содержат очень мало фермента β-галактозидазы. Но если единственным источником углерода служит лактоза, то клеткам требуется β-галактозидаза, чтобы расщеплять лактозу на глюкозу и галактозу. В этих условиях β-галактозидаза составляет примерно 3% всего клеточного белка: в каждой клетке содержится, вероятно, около 3000 молекул фермента, т. е. по крайней мере в 1000 раз больше, чем в клетках, растущих на глюкозе. Столь же резко усиливается при наличии в среде лактозы синтез двух других ферментов — галактозидпермеазы и галактозидтрансацетилазы. Вещество, которое подобно лактозе, вызывает увеличение количества какого-либо фермента, называют индуктором, и ферменты, реагирующие на индукторы, — индуцируемыми ферментами.

Клетки Е. coli, растущие на среде без аминокислот, содержат весь набор ферментов для синтеза всех 20 (или около того) аминокислот, которые необходимы для построения белковых молекул. Добавление к питательной среде одной или нескольких аминокислот ведет к резкому уменьшению количества ферментов, необходимых для биосинтеза этих аминокислот. Ферменты, количество которых уменьшается под действием конечного продукта какой-либо цепи биосинтетических реакций (например, определенной аминокислоты), называют репрессируемыми ферментами, а низкомолекулярное вещество (в данном случае аминокислоту), вызывающее репрессию, — корепрессором.

Как индукция, так и репрессия ферментов — адаптивные явления, по-видимому, имеющие значение для выживания бактерий: ведь синтез ряда ненужных в данное время ферментов был бы напрасной тратой энергии и материала. Реакции на индукторы и корепрессоры не относятся к типу «все или ничего», подобно распространению нервного импульса или сокращению мышечного волокна; промежуточные условия среды могут вызывать образование промежуточных количеств фермента.

Различия в количестве того или иного специфического белка у бактерий бывают обычно обусловлены различиями в скорости его синтеза, а не различной его стабильностью или скоростью расщепления. Скорость синтеза в свою очередь регулируется содержанием информационной РНК в клетке. Жакоб и Моно высказали предположение, что количество эффективной РНК-матрицы для данного фермента контролирует особого рода белковая молекула, блокирующая синтез информационной РНК и получившая название репрессора; согласно этой гипотезе, синтез белков-репрессоров определяют специальные гены, называемые генами-регуляторами. Из Е. coli был выделен репрессор β-галактозидазы, оказавшийся белком с молекулярной массой около 150 000. Было вычислено, что одна клетка содержит в среднем около 10 молекул этого белка.

Принято считать, что репрессоры блокируют синтез специфических белков, присоединяясь к соответствующим участкам ДНК и препятствуя их транскрипции, т. е, образованию информационной РНК. Однако возможна другая альтернатива: репрессор соединяется с молекулой информационной РНК и препятствует ее прикреплению к рибосоме, тем самым повышая вероятность ее ферментативного расщепления.

Если бы гены-регуляторы все время вызывали синтез репрессоров, то образование информационной РНК было бы всегда подавлено. Поэтому необходимо сделать дальнейшее допущение, а именно что репрессоры могут существовать либо в активной, либо в неактивной форме, в зависимости от того, с какой из специфических небольших молекул они связаны — с индуктором или с корепрессором. Присоединение индуктора ведет к инактивации репрессора. Например, присоединение лактозы блокирует репрессор и таким образом создает возможность синтеза фермента.

В случае соединения репрессора с корепрессором, например с аминокислотой, число активных молекул репрессора увеличивается. Присоединяясь к ДНК, они затрудняют ее транскрипцию и уменьшают число синтезируемых молекул информационной РНК, служащих матрицей для синтеза данного фермента. Предполагают, что репрессоры соединяются с специфическими индукторами или корепрессорами при помощи слабых, например водородных, связей.

Имеются экспериментальные данные о том, что изменения количеств двух или нескольких ферментов координированы; это позволяет предполагать, что эти ферменты находятся под контролем одной и той же репрессорной системы. Следовательно, один репрессор может регулировать образование информационной РНК для нескольких ферментов (координированная репрессия). Часто, хотя и не всегда, при построении генетической карты оказывается, что гены таких ферментов расположены в хромосоме очень близко друг к другу и что код для их синтеза, возможно, передается одной молекулой информационной РНК.

Группу генов, транскрибируемых на одну молекулу информационной РНК и находящихся под контролем одного общего репрессора, Жакоб и Моно назвали опероном. Вначале полагали, что все гены, контролируемые одним репрессором, должны располагаться на хромосоме вместе, но позже обнаружились случаи, когда гены, разделенные на карте большими расстояниями, по-видимому, инактивируются одним и тем же репрессором.

Для того чтобы объяснить, как регулируется деятельность оперона в целом, был постулирован еще один элемент системы — ген-оператор. Предполагается, что оператор находится рядом с другими генами оперона и представляет собой участок ДНК, который связывает активные молекулы репрессора, что препятствует синтезу информационной РНК генами оперона. При отсутствии активных репрессоров гены оперона доступны для транскрипции и на них синтезируется информационная РНК, что приводит к синтезу фермента на рибосомах. При отсутствии гена-оператора репрессор не может подавлять синтез информационной РНК и соответствующий фермент вырабатывается все время. Возможно, что оператор содержит какой-то код, указывающий, что РНК-полимераза должна начинать транскрипцию ДНК именно с той точки, где начинается оперон.

Возникает мысль, что если существуют гены-регуляторы, то их транскрипция также должна каким-то образом регулироваться, чтобы синтез репрессоров находился под контролем. Однако невозможно представить себе бесконечную цепь различных репрессоров, из которых каждый предшествующий подавляет синтез последующего; либо какой-то репрессор должен обладать способностью подавлять свой собственный синтез, либо подобной регуляции синтеза репрессоров не существует.

В целом управляющий механизм, постулированный Жакобом и Моно в результате изучения β-галактозидазы у Е. coli, можно кратко описать следующим образом. Помимо структурных генов, содержащих код для синтеза специфических белков, существуют еще гены-регуляторы с кодами для синтеза «репрессоров»; репрессоры могут находиться в активном или неактивном состоянии в зависимости от того, связаны ли они с индуктором или с корепрессором; активные репрессоры присоединяются к определенным участкам ДНК — операторам — и блокируют транскрипцию примыкающих к ним структурных генов. Смежные структурные гены, контролируемые одним репрессором, составляют так называемый оперон.

Имеются убедительные данные о том, что у Е. coli и у других организмов на синтез многих белков не оказывают влияния такие факторы, как корепрессоры и индукторы; по-видимому, соответствующие гены либо не имеют операторов, либо их операторы все время находятся во «включенном» состоянии.