Негативна регуляція ініціації транскрипції на прикладі lac-оперона Escherichia coli

 

На основі цього генетичного аналізу, Жакоб і Моно запропонували свою модель lac оперона для регуляції lac генів (рис. 5).

Рис. 5. Схема регуляції lac оперона

 

lac оперон включає гени lacZ і lacY (пам'ятайте, що третій ген, lacA, був виявлений пізніше). Ці гени, відомі як структурні гени оперона, що кодують необхідні ферменти, для використання лактози. Продуктом гена lacZ є β – галактозидаза, що розщеплює лактозу до глюкози і галактози, які потім можуть бути використані іншими шляхами метаболізму. Продуктом гена lacY є пермеаза, що дозволяє лактозі потрапити в клітку. Продуктом гена lacA є трансацетилаза, функція якої досі незрозуміла.

Модель оперона пояснила, чому структурні гени експресуються тільки в присутності лактози. Продуктом гена lacI є білок-репресор. У відсутність лактози, цей репресор зв'язується з операторною послідовністю (lacO) близько до промотора (lacP) і тим самим запобігає зв'язування РНК-полімерази на промоторі та блокує транскрипцію структурних генів. На відміну від цього, коли лактоза є в наявності, індуктор зв'язується з репресором і змінює свою конформацію так, що репресор більше не може приєднатися до послідовності оператора. Потім РНК-полімераза може приєднатисятися до lacp (промотора) і транскрибувати lacZ, lacY та lacA гени. lacI репресор є дуже ефективним у блокуванні транскрипції структурних генів оперона. Транскрипція приблизно в 1000 разів більш активна за відсутності репресора, ніж у його присутності. Варто підкреслити, як модель оперона Жакоба і Моно пояснює поведінку мутацій, які впливає на регулювання lac-ферментів. Мутанти з lacZ і lacY мутаціями є Lac- тому що вони не синтезують активні β – галактозидазу або пермеазу, відповідно, обидва з яких необхідні для засвоєння лактози. Ці мутації чітко транс-активні, тому що вони рецесивні і можуть комплементувати. Активна β – галактозидаза або пермеаза з іншої ДНК в одній клітині можуть компенсувати втрачені ферменти і дозволяють використання лактози.

Поведінка lacp мутацій пояснюється моделлю. Жакоб і Моно запропонували змінити послідовність lacp мутаці на ДНК, з якою зв'язується РНК-полімераза. Це пояснює, чому lacp мутації є цис-активними; якщо сайт ДНК, в якому РНК-полімерази що ініціює транскрипцію, змінюється в результаті мутації, так що він більше не зв'язується з РНК-полімеразою, тому не транскрибуються lacZ, lacY, та lacA гени ДНК в мРНК, навіть при наявності хорошої копії lacp області в іншому місці в клітині.

Їх модель також пояснює поведінку двох конститутивних мутацій: lacI (транс-діючі) і lacOс (цис-). Мутації lacI впливають на функції транс-елемента (оператора), тому що вони інактивують репресорний білок, який зв'язується з оператором і запобігає транскрипції. LacI репресор синтезований з функціональної копії гена lacI в будь-якій точці клітини може приєднатися до послідовності оператора і блокувати транскрипцію в транс-положенні. Проте lacOс мутації змінюють на послідовність ДНК, до якої LacI репресор може з’єднатися з блоком транскрипції. LacI репресор не можна прив'язати до цієї зміненої послідовності lacO, навіть за відсутності лактози. Таким чином, РНК-полімераза може вільною приєднатися до промотора і транскрибувати структурні гени. lacOс мутації цис-активні, бо вони дозволяють конститутивну експресію lacZ, lacY, та lacA генів з тієї ж ДНК, навіть при наявності хорошої копії lac оперона в іншому місці в клітині.

Існування суперепресорних lacIs мутацій також пояснюється їх моделлю. Ці мутації призводять до зміни молекули репресора, так що він не може більше зв'язуватися з індуктором. Мутований репресор зв'язується з оператором навіть у присутності індуктора, роблячи клітини постійно репресованими і фенотипово Lac-. Теж пояснюються той факт, що даний вид мутації є домінантним над диким типом. Мутований репресор припиняє транскрипцію lac оперона в одній клітині, навіть у присутності індуктора, тому вони роблять клітину Lac- навіть при наявності хорошого гена lacІ, чи в хромосомі чи у F′плазміді.

lac гени є хорошим прикладом того, що мається на увазі під терміном «оперон». Оперон включає в себе всі гени які транскрибуються в мРНК плюс будь-які сусідні цис-сайти, які беруть участь у транскрипції або регуляції транскрипції генів. lac оперон Е. coli складається з трьох структурних генів, lacZ, lacY та lacA, які транскрибуються в одну і ту ж мРНК, а також lac промотора, з якого ці гени транскрибуються. Він також включає в себе lac оператора, оскільки він є цис – діючою регуляторною послідовністю, яка включена у регуляції транскрипції структурних генів. Однак, lac-оперон не містить ген репресора, lacI. Ген lacІ примикає до lacZ, lacY, та lacA генів і регулює їх транскрипцію, але його не зчитують у ту ж мРНК структурних генів. Більше того, її продукт транс-діючий, а ніж цис-діючий.

 

 

Модель оперона Жакоба і Моно пережила плин часу. У 1965 році, це принесло їм Нобелівську премію, якою вони розділили з Андре Львовом (André Lwoff). З-за її простоту, модель оперона для регулювання lac генів Е. coli виступає в якості парадигми для розуміння регуляції генів в інших організмів. lac гени