Regulacja funkcji genów cd.

System represji katabolicznej

bakterii

(wg „Genomy”. TA Brown)

Cząsteczka sygnalizacyjna nie oddziałuje
bezpośrednio

z

czynnikiem

transkrypcyjnym, ale wpływa pośrednio
na aktywność genomu.

W

systemie

RK

zewnątrzkomórkowy

poziom glukozy decyduje o tym, czy
operony wykorzystania innych cukrów
mają być włączone, gdy te cukry są
obecne w podłożu.

W 1941 roku Jacques Monod odkrył zjawisko
RK.

Wykazał on, że jeśli E. coli lub B. subtilis są
hodowane w obecności mieszaniny cukrów,
to najpierw jest metabolizowany jeden
cukier, a po jego zużyciu bakteria przestawia
się na wykorzystywanie drugiego cukru.

Proces ten J. Monod nazwał diauksją.

Diauksję

obserwowano

w

przypadku

obecności w podłożu glukozy i laktozy.

Glukoza była wykorzystywana przez bakterie
jako pierwsza.

20 lat po pierwszych doświadczeniach
Monoda podjęto szczegółowe badania nad
zasadą działania operonu laktozowego.

Stwierdzono, że za diauksję między glukozą i
laktozą musi odpowiadać mechanizm, w
którym obecność glukozy znosi normalny
induktywny wpływ wywierany na operon
przez laktozę.

W obecności laktozy i glukozy operon
laktozowy jest wyłączony (mimo, że część
laktozy zostaje przekształcona do allolaktozy,
która wiąże się z represorem laktozy i w
normalnych warunkach ten operon ulegałby
transkrypcji).

Okazało się, że glukoza jest związkiem
sygnalizującym,

który

hamuje

ekspresję

operonu laktozowego oraz innych operonów
wykorzystywania cukrów.

Hamowanie odbywa się poprzez pośredni
wpływ na białko CAP.

Białko

CAP

wiąże

się

z

określonymi

sekwencjami w genomie bakteryjnym i
aktywuje inicjację transkrypcji leżących w
pobliżu promotorów.

Efektywna inicjacja transkrypcji w obrębie
tych promotorów jest zależna od obecności
białka CAP: jeśli białka nie ma, to geny
będące pod jego kontrolą nie ulegają
transkrypcji.

Glukoza nie oddziałuje bezpośrednio z
białkiem CAP.

Rola glukozy polega na tym, że kontroluje
ona poziom w komórce zmodyfikowanego
nukleotydu: cAMP.

Mianowicie, glukoza hamuje aktywność
cyklazy adenylanowej, która syntetyzuje
cAMP z ATP.

Czyli: jeśli poziom glukozy jest wysoki,
zawartość cAMP w komórce jest mała.

Białko CAP wiąże się ze swoimi miejscami
docelowymi tylko w obecności cAMP.

Czyli: w obecności glukozy białko CAP
pozostaje

nie

związane,

a

operony

kontrolowane przez CAP są wyłączone.

W przypadku diauksji dla glukozy i laktozy:
gdy glukoza zostanie zużyta, wzrasta poziom
cAMP, białko CAP wiąże się ze swoimi
sekwencjami docelowymi (m.in. z sekwencją
leżącą przed operonem laktozowym) i geny
operonu laktozowego ulegają aktywacji.

Atenuacja

(wg Genetyka molekularna. P Węgleński)

Terminatory transkrypcji wykazują różny
stopień efektywności.

Istnieją terminatory, których efektywność
jest regulowana w zależności od potrzeb
komórki

bakteryjnej

(atenuacja)

czy

programu

rozwoju

wirusa

bakteryjnego

(antyterminacja).

Wiele operonów biosyntezy aminokwasów
podlega regulacji przez atenuację.

Atenuacja to mechanizm, który uzależnia
biosyntezę

aminokwasów

od

zniesienia

sygnału terminacji dla polimerazy RNA.

Atenuator

(czyli

niezależny

od

Rho

terminator) leży między promotorem a
zespołem genów kodujących enzymy szlaku
biosyntezy aminokwasu.

Istota mechanizmu kontrolnego polega na
dostosowaniu

syntezy

aminokwasu

do

wewnątrzkomórkowego stężenia aminoacylo-
tRNA:

-gdy aminoacylo-tRNA jest dostępny, synteza
ulega zahamowaniu,

-gdy

aminoacylo-tRNA

zostanie

zużyty,

synteza aminokwasu ulega wznowieniu.

Charles Yanofsky z Uniwersytetu Stanforda
przyczynił się do wyjaśnienia mechanizmu
molekularnego atenuacji.

Stwierdzono, że w tzw. rejonie liderowym
znajdującym się między promotorem a
pierwszym genem strukturalnym każdego
operonu, występują tandemowo co najmniej 2
kodony dla tego aminokwasu, którego syntezie
dany operon służy.

Np. w rejonie liderowym operonu syntezy
tryptofanu trpL występują obok siebie 2 kodony
tryptofanowe UGG.

Powstała

hipoteza,

że

mRNA

rejonu

liderowego ulega translacji i że - gdy brak
tryptofanylo-tRNA – zatrzymanie rybosomu
na kodonach tryptofanowych pozwala tej
części mRNA, która się przed nim znajduje,
na wytworzenie struktury drugorzędowej
uniemożliwiającej powstanie „szpilki do
włosów” – sygnału terminacji transkrypcji.

Czyli:

-atenuator

(w

odróżnieniu

od

innych

terminatorów) jest elementem regulacji
transkrypcji;

-atenuacja z kolei to mechanizm oparty na
przedwczesnej terminacji transkrypcji, który
pozwala

na

dostosowanie

niektórych

procesów biosyntezy do potrzeb komórki.

W ekspresji operonu syntezy tryptofanu:

atenuacja nakłada się na regulację

inicjacji

transkrypcji opartą na represji.

Nadmiar tryptofanu (końcowego produktu
szlaku metabolicznego) aktywuje swoiste
dla niego białko represorowe, które
wiążąc

się

z

sekwencją

operatora

(wewnątrz promotora trp) blokuje inicjację
transkrypcji.

Czyli: jest to przykład regulacji w wyniku
ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Współpraca w/w mechanizmów prowadzi
do bardzo wysokiej efektywności.