WYKŁAD X
Regulacja funkcji genów u bakterii

Teoria operonu

Regulacja ekspresji informacji genetycznej - organizmy prokariotyczne

0. w komórkach prokariotycznych istnieją bardzo precyzyjne mechanizmy regulujące biosyntezę tylko tych białek,

1. które są w danej chwili niezbędne.

0. Ponad 75% genów u bakterii występuje w zespołach, które kodują białka enzymatyczne związane z jednym szlakiem metabolicznym i są to operony.

1. Jednym z najlepiej poznanych układów regulacyjnych u bakterii jest operon laktozowy.

Operon laktozowy

0. u Escherichia coli – jest systemem regulującym stężenie enzymów odpowiedzialnych za rozkład laktozy.

1. W warunkach nieobecności laktozy, system utrzymuje niski poziom enzymów,

2. natomiast w przypadku obecności laktozy powoduje szybki wzrost ich stężenia

Jocob i Monod zaproponowali (1961r.) model operonu laktozowego lac

0. W skład operonu lac wchodzą ułożone obok siebie 3 geny strukturalne warunkujące syntezę enzymów związanych z metabolizmem laktozy:

0. gen Z kodujący - galaktozydazę - hydrolizuje laktozę na galaktozę i glukozę.
   
   
   

1. gen Y koduję permeazę - odpowiedzialną za yransport galaktozy do komórki.
   
   
   

2. gen A koduję transacetylazę β-galaktozydową – transport laktozy w cytoplazmie
   
   
   

W regulacji ich ekspresji bierze udział kilka genów:

0. gen regulatorowy (gen lacI), który koduje cząsteczkę represora zdolną do przejścia do operatora, gdzie indukuje ona sygnał wyłączający operon

1. gen operatora, który otrzymuje sygnał wyłączający z represora

2. promotor (jego sekwencje częściowo nachodzą na gen operatorowy) - miejsce gdzie przyłącza się polimeraza RNA i indukuje syntezę mRNA

0. GEN REGULATOROWY

1. *Koduje białko REPRESOROWE syntetyzowane w sposób konstytutywny

2. *działa bezpośrednio na gen operatorowy

3. (powoduje odkształcenie struktury DNA); jeżeli się połączy z operatorem – następuje zablokowanie transkrypcji

4. *działa pośrednio na geny struktury (poprzez operatora)

ALLOSTERYCZNE WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK REPRESOROWYCH

0. Zdolność REPRESORA do zmiany konformacji = zmiana właściwości REPRESORA

1. Np. represor operonu laktozowego połączony z efektorem staje się nieaktywny

2. Represor operonu tryptofanowego połączony z efektorem (korepresorem) staje się aktywny

Represor przejawia powinowactwo do genów operatora oraz do laktozy.

0. Dociera on do genu operatora i wytwarza z nim połączenie, które uniemożliwia przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż nici DNA od miejsca promotora do genów struktury.

1. Transkrypcja genów struktury zostaje zahamowana.

2. Represor działa jako regulator ujemny.

0. Odblokowanie operatora może nastąpić pod wpływem laktozy, która łącząc się z represorem, powoduje jego unieczynnienie.

1. Laktoza działa w tym układzie jako induktor.

Operon lac u E. coli

Represja kataboliczna

0. gdy komórka bakterii jednocześnie otrzyma laktozę i glukozę.

0. Wtedy działa mechanizm, tzw. represja kataboliczna,

1. który umożliwia bakterii zużywanie najpierw glukozy w obecności laktozy

2. (nie dochodzi do uaktywnienia operonu lac aż do wyczerpania glukozy).

Mechanizm tzw. represji katabolicznej

0. polimeraza RNA łączy się z promotorem w operonie lac dużo wydajniej w obecności specyficznego białka CAP (catabolite gene activator protein), które musi być związane ze specyficznym miejscem DNA położonym w pobliżu tzw.CBS (CAP binding site).

1. Białko CAP wiąże się z tym miejscem w obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi przy braku glukozy.

Glukoza działa represyjnie na operon lac

0. Hamuje syntezę cAMP

1. Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże się z CBS,

2. polimeraza RNA wiąże się z promotorem mniej wydajnie

3. i synteza enzymów szlaku laktozowego zostaje spowolniona.

Istnieją więc trzy różne poziomy aktywności operonu lac:

0. nieobecność laktozy: nie ma substratu, niepotrzebne są enzymy do katalizy (represor lac jest połączony z operonem i blokuje wiązanie się polimerazy RNA).

1. przy obecności laktozy, lecz braku glukozy: laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu związanie się z operatorem, co z kolei pozwala na przyłączenie polimerazy RNA

0. poziom cAMP

0. Operon lac

1. to przykład pozytywnej regulacji ekspresji genów u E. coli,

2. gdyż obecność substratu w pożywce indukuje produkcję enzymów.

Inny model regulacji ekspresji genów u bakterii

0. Represja - czyli zahamowanie syntezy enzymów szlaku biosyntetycznego w odpowiedzi na nadmiar końcowego produktu.

1. Przykładem operonu regulowanego w ten sposób jest operon tryptofanowy (trp).

Operon ten zawiera pięć genów struktury (E,D,C,B,A) kodujących enzymy syntetyzujące tryptofan

0. W obecności tryptofanu cząsteczka represora wiąże się z nim i zmienia konformację, na taką która umożliwia związanie się z operatorem i zablokowanie syntezy enzymów.

0. Jeżeli tryptofan jest nieobecny,

represor nie może związać się z operatorem.

Dochodzi wtedy do przyłączenia polimerazy RNA

i syntezy enzymów, które doprowadzą do syntezy tryptofanu.

Atenuacja

0. Komórki bakteryjne reagują nie tylko na brak lub obecność tryptofanu ale również na jego stężenie.

1. ATENUATORY transkrypcji-samodzielnie działające sekwencje, występujące na końcach jednostek transkrypcji.

0. Kontrola transkrypcji tryptofanu przez ATENUACJĘ czyli przedwczesną terminację transkrypcji.
   
   
   

1. U E. coli atenuatory występują w operonie tryptofanowym na końcu genu A i na początku sekwencji liderowych genu E.

0. *Liczne cząsteczki tryptofanu powodują zapętlenie liderowego mRNA

1. *Być może, że nadmiar tryptofanu aktywuje swoiste białko represorowe, które wiąże się z sekwencjami atenuacyjnymi i blokuje w ten sposób transkrypcję

Atenuacja
Atenuacja jest typem regulacji opartym na fakcie, że w organizmach prokariotycznych transkrypcja i translacja są procesami połączonymi.

w operonie tryptofanowym poza wspomnianymi już wcześniej genami operon ten zawiera tzw. sekwencję liderową

0. w obrębie której znajduje się region atenuatora kodujący polipeptyd zawierający przy końcu kodony tryptofanu.

1. Jeżeli w komórce znajduje się dużo tryptofanu peptyd liderowy zostanie zsyntetyzowany.

2. Natomiast przy braku tryptofanu nie powstanie peptyd liderowy.

0. Jakie są tego rezultaty?

1. Synteza peptydu liderowego prowadzi do zahamowania transkrypcji genów tryptofanowych.