Регуляция синтеза белка. Белки регуляторные

Работа генов в любом организме – прокариотическом, эукариотическом, одноклеточном или многоклеточном – контролируется и координируется.

Различные гены обладают неодинаковой временной активностью. Одни из них характеризуются постоянной активностью. Такие гены отвечают за синтез белков, необходимых клетке или организму на протяжении всей жизни, например, гены, продукты которых участвуют в синтезе АТФ. Большинство же генов обладает непостоянной активностью, они работают только в определенные моменты, когда появляется необходимость в их продуктах – белках. Гены различаются и по уровням своей активности (низкий или высокий).

Белки клетки классифицируются как регуляторные и структурные. Регуляторные белки синтезируются на регуляторных генах и контролируют работу структурных генов. Структурные гены кодируют структурные белки, выполняющие структурную, ферментативную, транспортную и другие функции (кроме регуляторной!).

Регуляция синтеза белка осуществляется на всех этапах этого процесса: транскрипции, трансляции и посттрансляционной модификации либо путем индукции, либо путем репрессии.

Регуляция активности генов эукариотических организмов намного сложнее регуляции экспрессии генов прокариот, что определяется сложностью организации эукариотического организма и особенно многоклеточного. В 1961 г. французские ученые Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов сформулировали модель генетического контроля синтеза белков, катализирующих усвоение клеткой лактозы – концепцию оперона.

Опероном называют группу генов, работа которых контролируется одним геном-регулятором.

Ген-регулятор – это ген, обладающий постоянной низкой активностью, на нем синтезируется белок-репрессор – регуляторный белок, который может соединяться с оператором, инактивируя его.

Оператор – точка начала считывания генетической информации, он управляет работой структурных генов.

В структурных генах лактозного оперона содержится информация о ферментах, участвующих в метаболизме лактозы. Поэтому лактоза будет служить индуктором – агентом, инициирующим работу oпepoна.

Промотор – место прикрепления РНК-полимеразы.

Терминатор – место окончания синтеза иРНК.

При отсутствии индуктора система не функционирует, поскольку "свободный" от индуктора – лактозы – репрессор соединен с оператором. В этом случае фермент РНК-полимераза не может катализировать процесс синтеза иРНК. Если в клетке оказывается лактоза (индуктор), она, взаимодействуя с репрессором, изменяет его структуру, в результате чего репрессор освобождает оператор. РНК-полимераза соединяется с промотором, начинается синтез иРНК (транскрипция структурных генов). Затем на рибосомах формируются белки по программе иРНК-лактозного оперона. У прокариотических организмов на одну молекулу иРНК переписывается информация со всех структурных генов оперона, т.е. оперон – это единица транскрипции. Транскрипция продолжается до тех пор, пока в цитоплазме клетки сохраняются молекулы лактозы. Как только все молекулы будут клеткой переработаны, репрессор закрывает оператор, синтез иРНК прекращается.

Таким образом, синтез иРНК и, соответственно, синтез белка должны строго регулироваться, поскольку у клетки недостаточно ресурсов для одновременной транскрипции и трансляции всех структурных генов. И про-, и эукариоты постоянно синтезируют только те иРНК, которые необходимы для выполнения основных клеточных функций Экспрессия остальных структурных генов осуществляется под строгим контролем регуляторных систем, запускающих транскрипцию только в том случае, когда возникает потребность в определенном белке (белках).

РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ (от лат. regulo-привожу в порядок, налаживаю), группа белков. участвующих в регуляции разл. биохим. процессов. Важная группа регуляторные белки, которым посвящена эта статья,-белки, взаимодействующие с ДНК и управляющие экспрессией генов (выражение гена в признаках и свойствах организма). Подавляющее большинство таких регуляторные белки функционирует на уровне транскрипции (синтез матричных РНК, или мРНК, на ДНК-матрице) и отвечает за активацию или репрессию (подавление) синтеза мРНК (соотв. белки-активаторы и белки-репрессоры).

Известно ок. 10 репрессоров. Наиб. изучены среди них репрессоры прокариот (бактерии, синезеленые водоросли), регулирующие синтез ферментов, участвующих в метаболизме лактозы (lac-репрессор) в Escherichia coli (E.coli), и репрессор бактериофага А,. Их действие реализуется путем связывания со специфич. участками ДНК (операторами) соответствующих генов и блокирования инициации транскрипции кодируемых этими генами мРНК.

Репрессор представляет собой обычно димер из двух идентичных полипептидных цепей, ориентированных во взаимно противоположных направлениях. Репрессоры физически препятствуют РНК-полимеразе присоединиться к ДНК в промоторном участке (место связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы-фермента, катализирующего синтез мРНК на ДНК-матрице) и начать синтез мРНК. Предполагают, что репрессор препятствует только инициации транскрипции и не оказывает влияния на элонгацию мРНК.

Репрессор может контролировать синтез к.-л. одного белка или целого ряда белков. экспрессия которых носит координированный характер. Как правило, это ферменты, обслуживающие один метаболич. путь; их гены входят в состав одного оперона (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков).

Мн. репрессоры могут существовать как в активной, так и в неактивной форме в зависимости от того, связаны они или нет с индукторами или корепрессорами (соотв. субстраты, в присутствии которых специфически повышается или понижается скорость синтеза определенного фермента; см. Регуляторы ферментов); эти взаимод. имеют нековалент-ную природу.

Для эффективной экспрессии генов необходимо не только, чтобы репрессор был инактивирован индуктором, но также реализовался и специфич. положит. сигнал включения, который опосредуется регуляторные белки, работающими "в паре" с циклич. аденозинмонофосфатом (цАМФ). Последний связывается со специфическими регуляторные белки (т.наз. САР-белок-активатор ката-болитных генов, или белков.й активатор катаболизма-БАК). Это димер с мол. м. 45 тыс. После связывания с цАМФ он приобретает способность присоединяться к специфич. участкам на ДНК, резко увеличивая эффективность транскрипции генов соответствующего оперона. При этом САР не влияет на скорость роста цепи мРНК, а контролирует стадию инициации транскрипции-присоединение РНК-полимеразы к промотору. В противоположность реп-рессору САР (в комплексе с цАМФ) облегчает связывание РНК-полимеразы с ДНК и делает акты инициации транскрипции более частыми. Участок присоединения САР к ДНК примыкает непосредственно к промотору со стороны, противоположной той, где локализован оператор.

Позитивную регуляцию (напр., lac-оперона E.coli) можно описать упрощенной схемой: при понижении концентрации глюкозы (осн. источника углерода) увеличивается концентрация цАМФ, который связывается с САР, а образовавшийся комплекс-с lac-промотором. В результате стимулируется связывание РНК-полимеразы с промотором и возрастает скорость транскрипции генов, которые кодируют ферменты, позволяющие клетке переключаться на использование др. источника углерода-лактозы. Существуют и др. специальные регуляторные белки (напр., белок С), функционирование которых описывается более сложной схемой; они контролируют узкий спектр генов и могут выступать в роли как репрессоров, так и активаторов.

Репрессоры и оперон-специфичные активаторы не влияют на специфичность самой РНК-полимеразы. Этот последний уровень регуляции реализуется в случаях, предполагающих массир. изменение спектра экспрессирующихся генов. Так, у E.coli гены, кодирующие белки теплового шока, которые экспрессируются при целом ряде стрессовых состояний клетки, считываются РНК-полимеразой только тогда, когда в ее сослав включается особый регуляторные белки-т.наз. фактор s32. Целое семейство этих регуляторные белки (s-факторы), изменяющие про-моторную специфичность РНК-полимеразы, обнаружены у бацилл и др. бактерий.

Др. разновидность регуляторные белки изменяет каталитич. свойства РНК-полимеразы (т.наз. белки-антитерминаторы). Так, у бактериофага X известны два таких белка, которые модифицируют РНК-полимеразу так, что она не подчиняется клеточным сигналам терминации (окончания) транскрипции (это необходимо для активной экспрессии фаговых генов).

Общая схема генетич. контроля, включающая функционирование регуляторные белки, приложима также к бактериям и к клеткам эукариот (все организмы, за исключением бактерий и сине-зеленых водорослей).

Эукариотич. клетки реагируют на внеш. сигналы (для них это, например, гормоны) в принципе так же, как бактериальные клетки реагируют на изменения концентрации питат. веществ в окружающей среде, т.е. путем обратимой репрессии или активации (дерепрессии) отдельных генов. При этом регуляторные белки, одновременно контролирующие активность большого числа генов, могут использоваться в разл. комбинациях. Подобная комбинационная генетич. регуляция может обеспечивать дифференцир. развитие всего сложного многоклеточного организма благодаря взаимод. относительно небольшого числа ключевых регуляторные белки

В системе регуляции активности генов у эукариот имеется дополнит. уровень, отсутствующий у бактерий, а именно-перевод всех нуклеосом (повторяющихся субъединиц хроматина), входящих в состав транскрипционной единицы, в активную (деконденсированную) форму в тех клетках, где данный ген должен быть функционально активен. Предполагается, что здесь задействован набор специфических регуляторные белки, не имеющих аналогов у прокариот. Эти белки не только узнают специфич. участки хроматина (или. ДНК), но и вызывают определенные структурные изменения в прилежащих областях. регуляторные белки, подобные активаторам и репрессорам бактерий, по-видимому, участвуют в регуляции последующей транскрипции отдельных генов в районах активир. хроматина.

Обширный класс регуляторные белки эукариот-рейепторные белки стероидных гормонов.

Аминокислотная последовательность регуляторные белки кодируется т.наз. регуляторными генами. Мутационная инактивация репрессора приводит к неконтролируемому синтезу мРНК, и, следовательно, определенного белка (в результате транс-ляции-синтеза белка на мРНК-матрице). Такие организмы наз. конститутивными мутантами. Утрата в результате мутации активатора приводит к стойкому снижению синтеза регулируемого белка.