Регуляция биосинтеза белков на этапе транскрипции
Введение
Проблемы, связанные с регуляцией метаболических процессов - важнейшие в системе биохимических знаний, и делятся на два больших класса:
Представления о молекулярных механизмах процессов регуляции, которые являются, скорее, предметом молекулярной биологии и, частично, молекулярной генетики.
Феноменологическое выражение последствий регуляторных событий, определяющее направление протекания биохимических процессов, что, собственно, и является предметом биохимии. Именно последний аспект проблемы будет лежать в основе представленного материала, но, учитывая небольшой объем пособия, ограничимся лишь некоторыми ключевыми вопросами. Для более детального ознакомления с проблемой следует обратиться к фундаментальным трудам.
1. Основные определения
Регуляцией метаболизма называется управление скоростью биохимических процессов путем обратимого изменения количества белковых посредников, участвующих в этих процессах, или их активности.
Белковый посредник - более общий и точный термин, чем термин фермент. Хотя во многих биохимических процессах белковые посредники представляют собой именно ферменты - катализаторы химических превращений субстратов, но, например, в транспорте субстратов через биологические мембраны перенос опосредуется белками, не являющимися ферментами, так как они не катализируют каких-либо химических реакций, а обеспечивают узнавание и транслокацию субстратов.
В отдельных случаях роль посредника выполняют не белки, а рибонуклеопротеиды или сама РНК, но это, скорее, исключение.
В соответствии с приведенным определением следует выделять два основных уровня регуляции: биосинтеза белковых посредников; их активности.
Оба уровня жизненно необходимы для организма, и мутанты с нарушением хотя бы одного, как правило, вытесняются из популяции.
2. Регуляция биосинтеза белков
Биосинтез белков складывается из процессов непосредственного построения и модификации белковой молекулы, а также из «подготовительных» процессов: репликации генетического материала и его транскрипции.
Репликация ДНК подробно рассматривается в курсах молекулярной биологии и фундаментальных учебниках биохимии. Мы остановимся лишь на некоторых принципиальных вопросах, имеющих значение для регуляции биосинтеза белка.
Необходимо отметить, что термин хромосома как место локализации ДНК применим только к клеткам эукариот, тогда как часто используемый термин бактериальная хромосома неточен и лучше говорить о генофоре или нуклеоиде, подразумевая под этими терминами ДНК-РНК-белковый комплекс.
Еще точнее термин геномный эквивалент, так как часть ДНК в бактериальной клетке присутствует в нескольких копиях. Если в бактериальную клетку поступает дополнительный фрагмент ДНК, несущий новые аллели тех же локусов, то возникает так называемый меродиплоид.
3. Особенности процесса репликации
Как и в случае биосинтеза других биополимеров, процесс репликации ДНК включает три этапа: инициацию, элонгацию и тер-минацию. Для репликации характерны следующие особенности:
1. Она осуществляется по полуконсервативному механизму, причем цепи ДНК антипараллельны (З'конец содержит остаток ортофосфата -- Р, а 5' конец -- ОН) и последующей транскрипции подвергается только одна цепь:
Синтез, по-видимому, протекает прерывисто и в направлении 5' 3'.
Каждая цепь начинается с РНК-затравки, фрагменты объединяются ДНК-лигазой с выщеплением РНК.
Система репликации является мультиферментной, в нее входят 2-3 ДНК-полимеразы, ДНК-лигаза, топоизомеразы, необходимые для расплетания цепей ДНК и последующей их сверхспирализации. Всего порядка 15 генетических локусов кодируют тот или иной полипептид, необходимый для репликации.
Существуют четыре основных типа: синтез фрагментов, репликация плазмид, рекомбинационный синтез ДНК, репарационный синтез ДНК. В каждом из них участвуют как общие, так и специфические компоненты.
Нативная система репликации ДНК является мембранной и инактивируется при разрушении мембран. Поэтому для моделирования процесса репликации используются, как правило, упрощенные системы, полученные из бактериальных «условных» мутантов или из «маленьких» фагов.
Регуляция процесса репликации ДНК наиболее строго осуществляется на этапе инициации. Репликация находится под положительным и отрицательным контролем, причем оба они скоординированы с клеточным делением.
В общих чертах принцип такой регуляции можно сформулировать следующим образом. При положительном контроле происходит накопление активатора репликации до порогового, достаточного для инициации нового цикла репликации уровня. Пороговый уровень достигается при удвоении клеточной массы так, чтобы во вновь образовавшихся клетках процесс репликации был бы уже запущен и успел завершиться к моменту нового деления. При отрицательном контроле происходит накопление ингибитора инициации репликации, который должен синтезироваться лишь в ограниченном количестве вскоре после начала предыдущего цикла репликации. Такой ингибитор может быть продуктом гена, локализованного вблизи от точки начала репликации, транскрипция которого осушествляется только в период репликации данного участка ДНК. В процессе роста клетки ингибитор «разбавляется», а к моменту удвоения массы клетки уровень его падает ниже критического, что позволяет клетке инициировать новый цикл репликации. Взаимодействие этих двух механизмов и должно координировать процессы репликации ДНК и деления клетки.
Реальные механизмы регуляции репликации еще не расшифрованы. У эукариот определенную роль в регуляции репликации, по-видимому, играют гистоны.
4. Транскрипция генетической информации
Этот этап биосинтеза белков состоит в «переписывании» информации, закодированной в ДНК, на олигонуклеотидную последовательность информационной РНК и осуществляется РНК-полимеразой. Строение этого фермента лучше всего изучено у бактерий Escherichia. Это сложный белок с молекулярной массой 450 кДа. Его сердцевина включает две идентичные а-субъединицы и две различные р-субъединицы. В состав «полного» фермента входит также а-субъединица, ответственная за процесс узнавания промотора и инициацию транскрипции. Наконец, существует еще один белковый компонент, обозначаемый р-фактор, который ответственен за правильную терми-нацию транскрипции. Таким образом, РНКП Escherichia coli и ряда других грамотрицательных бактерий выглядит следующим образом:
У грамположительных бактерий РНКП устроена еще сложнее. Например, в случае Bacillus subtilis она может содержать несколько а-факторов, а у ряда архебактерий РНКП состоит из 9-10 компонентов, приближаясь по сложности строения к РНКП эукариот.
В клетках эукариот обнаружено по крайней мере три типа РНКП. Полимераза I находится в ядрышке и транскрибирует гены большинства рибосомных РНК; полимераза II - в нуклеоплазме и транскрибирует большую часть других генов; полимераза III - гены транспортных РНК и одной из рРНК. Кроме того, в митохондриях и хлоропластах эукариот присутствуют собственные РНКП.
Между тем собственно полимеразная реакция может осуществляться гораздо более простыми ферментами. Так, РНКП «нечетных» ТЗ и Т7 фагов Escherichia coli состоит из единственного полипептида с молекулярной массой ПО кДа, а митохондриальная РНКП представляет собой полипептид с молекулярной массой 64 кДа.
По-видимому, сложное устройство бактериальной и, особенно, эукариотических РНКП, с одной стороны, обусловлено необходимостью «узнавать» большое число промоторов, а с другой - позволяет осуществлять многообразную регуляцию транскрипции в процессе функционирования этого фермента.
5. Регуляция процесса транскрипции
Исходя из возможности управления синтезом белковых посредников на этапе транскрипции, их можно разделить на три основные группы:
конститутивные белки, синтез которых не зависит от наличия субстратов и продуктов;
индуцибельные белки - их синтез ускоряется в присутствии субстратов;
репрессибельные белки, синтез которых подавляется избытком конечного продукта данного метаболического пути.
Регуляция на этапе инициации транскрипции. В 1960-е годы Ф. Жакоб и Ж. Моно установили, что в явлениях индукции и репрессии принимают участие белковые факторы - репрессоры, продукты специальных генетических элементов - генов-регуляторов, способные в определенных условиях тормозить процесс транскрипции на этапе инициации, поэтому оба этих типа регуляции относят к негативным.
В индуцируемом опероне ген-регулятор кодирует активный реп-рессор, который блокирует транскрипцию, взаимодействуя с операторным участком ДНК и препятствуя продвижению РНКП. Индуктор, представляющий собой исходный субстрат данного метаболического пути или близкое к нему соединение, способен взаимодействовать с репрессором и инактивировать его, освобождая таким образом операторный участок ДНК. В результате РНКП начинает транскрипцию данного оперона. Эти события отражены в схеме.
В репрессируемом опероне ген-регулятор кодирует неактивный репрессор, который может переходить в активное состояние и блокировать транскрипцию, соединяясь с оператором, только после взаимодействия с избытком конечного продукта данного метаболического пути. Процесс отражен в схеме.
Большую роль в регуляции транскрипции играет так называемая катаболитная репрессия, которая проявляется в диауксии в процессе роста бактерий. Феномен диауксии обнаруживается, когда в среде присутствуют два субстрата, причем ферменты, осуществляющие катаболизм одного из них, индуцибельны, а ферменты, осуществляющие катаболизм другого, конститутивны. В этом случае сначала потребляется только глюкоза, тогда как индукция лактозных ферментов не происходит до тех пор, пока не будет потреблена основная часть глюкозы. Это отражается во временном замедлении роста культуры на тот период, который необходим для индукции и синтеза р-галактозидазы. Таким образом, несмотря на присутствие в среде индуктора, альтернативный субстрат препятствует индукции.
Механизм явления катаболитной репрессии состоит в следующем. Для индукции некоторых «слабых» оперонов, в том числе Дзс-оперона, недостаточно инактивации отрицательного регулятора - репрессора. Необходимо и участие положительного регулятора, представляющего собой комплекс специального активирующего белка с циклической AMP. Этот белок, активирующий транскрипцию, получил название БАК-белка или «белка, активирующего катаболитные гены». БАК-белок представляет собой димер с молекулярной массой 45 кДа. Под действием сАМР он подвергается конформационным изменениям и приобретает повышенную способность связываться с промотором. Полагают, что присоединение комплекса сАМР-БАК к ДНК ослабляет спаривание Г-Ц-оснований, способствует частичному разделению спиралей ДНК и облегчает формирование инициирующего транскрипцию комплекса РНКП с ДНК. Уровень сАМР в клетке обратно пропорционален уровню АТР, и в присутствии легко метаболизируемых субстратов, способствующих повышению уровня АТР, сАМР «не хватает» для образования комплекса с БАК.
Страницы: 1, 2
