Регуляція транскрипції у прокаріот. Негативна і позитивна регуляція генної активності.
Одиницею транскрипції у прокаріот можуть бути окремі гени, але частіше вони організовані в структури, звані оперон. До складу оперона входять розташовані один за одним структурні гени, продукти яких зазвичай беруть участь водному і тому ж метаболічному шляху. Як правило, оперон має один набір регуляторної-раторних елементів (регуляторний ген, промотор, оператор), що забезпечує координацію процесів транскрипції генів і синтезу відповідних білків. Промотор це ділянка ДНК, відповідальний за зв'язування з РНК-полімерази. У разі прокаріотів, найбільш важливими для регуляції транскрипції є послідовності, що позначаються «-35» і «- 10». Нуклеотиди, розташовані до ініціюючого кодону ( «вгору за течією») записуються зі знаком «-», а зі знаком «+» - все нуклеотиди, починаючи з першого в ініціюванні кодоне (стартова точка). Напрямок, в якому просувається процес транскрипції, називається «вниз за течією». Послідовність, що позначається «-35» (TTGACA), відповідає за впізнавання промотора РНК-полімерази, а послідовність «-10» (або бокс Прібнова) є тією ділянкою, з якого починається розкручування подвійної спіралі ДНК. До складу цього боксу найбільш часто входять підстави ТАТААТ. Така послідовність підстав найчастіше зустрічається в промоторах прокариот, її називають консенсусної.
До складу ТАТА-боксу входять аденін і тимін, між якими є тільки дві водневі зв'язку, що полегшує розплітання ланцюгів ДНК в цьому районі промотора. У разі замін пар основ в зазначених послідовності промотора порушується ефективність і правильне визначення точки початку транскрипції, з якої фермент РНК-полімераза починає синтез РНК. У прокаріотів поряд з промотором є і інші регуляторні ділянки: це активатор і оператор.
Оператор - ділянку ДНК, з яким зв'язується білок-репрессор, заважаючи РНК-полімерази почати транскрипцію. У лактозна оперон ліва частина промотора (активатор), зв'язується з білком-активатором катаболізму (БАК, або САР в англійській термінології, catabolite activator protein), а права частина - з РНК-полімерази. БАК-білок на відміну від білка-репрессора грає позитивну роль, допомагаючи РНК-полімерази почати транскрипцію. Можуть бути різні варіанти взаємодії регуляторних ділянок з ферментами і регуляторними білками, а останніх - з молекулами, званими індукторами (ефекторами).
Негативна і позитивна регуляція генної активності.
Залежно від характеру взаємодії оператора і регуляторного білка у прокаріот розрізняють два типи регуляції активності генів в оперон: негативну і позитивну. При негативною, або негативною, регуляції зв'язування регуляторного білка з оператором репресує роботу оперона, а при позитивній-навпаки, активує його. У свою чергу негативної та позитивної можуть бути як індукція, так і репресія. У разі негативної індукції індуктор робить регуляторний білок нездатним зв'язуватися з оператором, і при цьому структурні гени транскрибуються як, наприклад, в лактозна оперон. При негативній же репресії регуляторний білок набуває властивостей репрессора після взаємодії з корепрессора. Таким корепрессора в триптофанового оперон є накопичений в клітці триптофан, взаємодія його з регуляторний білком призводить до стримування транскрипції. При позитивній, або позитивною, індукції під впливом індуктора регуляторний білок (апоіндуктор) зв'язується з оператором і допомагає РНК-полімерази почати транскрипцію. У разі ж позитивної репресії корепрессора інактивує апоіндуктор і тим самим сприяє припиненню транскрипції.
Оскільки при транскрипції оперона. що складається з декількох структурних генів, утворюється один загальний транскрипт у вигляді молекули поліцістронной мРНК, всі ці гени експресуються координовано.
Лактозна оперон. Найбільш добре вивчений спосіб регуляції транскрипції у бактерій - негативна регуляція з використанням білків-репрессоров, яка зазвичай розглядається на прикладі lac-оперону. Протяжність лактозного оперона разом з регуляторним геном становить 6000 п.н. Між регуляторним геном lac 1 і першим структурним геном lac Z розташовані ко1тгролірующіе елементи, кожен з яких складається з декількох десятків пар нуклеотидів. Промотор складається з 85 пар основ оператор - з 26 п.н. Ліва частина промотора зв'язується з білком-активатором (БАК, або САР), а права частина з РНК-полімерази. Всі три гена Z, У, А транскрибируются на одну поліцістронной МРН К, з якої послідовно транслюються відповідні білки (галактозидаза, галактозид-пермеаз і трансацетілаза). Регуляторний ген lad, розташований на деякій відстані від регуляторної частини оперона, має свій промотор і термінатор. Білок, що транслюється з мРНК цього гена, називається репрессором, оскільки він, приєднуючись до оператора, перегороджує шлях РНК-полімерази до структурних генів, перешкоджаючи транскрипції.
Якщо єдиним джерелом енергії служить лактоза, репрессор інактивується в результаті приєднання до нього її молекул. При цьому промотор залишається відкритим для просування РНК-полімерази і ініціації транскрипції структурних генів оперона. Мутації в гені білка-репрессора призводять до конститутивних синтезу білків лактозного оперона, оскільки при цьому репрессор «не заважає» РНК-полімерази транскрибувати структурні гени.
Розглянутий механізм регуляції lac-оперону показує, яким чином активується синтез білків лактозного оперона при появі в середовищі лактози. Однак активації не відбувається, якщо постачальником вуглецю і енергії в середовищі служить тільки глюкоза. Існує механізм репресії лактозного оперона, заснований на використанні білка-активатора САР. Цей білок відіграє роль регулятора для кількох генетичних систем, відповідальних за використання лактози, галактози і Арабіноза, як альтернативних джерел енергії та вуглецю. Білок-активатор істотно збільшує спорідненість РНК-полімерази до відповідних промоторів після приєднання до нього молекули сАМР (циклічного аденозінмонофосфага). У присутності глюкози рівень сАМР залишається низьким, і активації оперонов, відповідальних за використання лактози, галактози і Арабіноза, не відбувається. Рівень сАМР в клітці зростає при зникненні глюкози (сигнал «голоду»), і білок САР разом з молекулою сАМР приєднується до ДНК в районі промоторів трьох оперонов, створюючи одна з необхідних умов для початку транскрипції.