Молекулярная биология, избранные разделы - Ашмарин И.П.
Скачать (прямая ссылка):
ТРАНСКРИПЦИЯ ХРОМОСОМ. ОПЕРОН
Транскрипция хромосом — гораздо более сложный процесс, нежели матричный синтез РНК, хотя последний и лежит в его основе. Главное состоит в том, что именно на уровне хромосом осуществляется строго упорядоченный и регулируемый синтез информационной РНК. Напомним, что здесь мы называем хромосомой не только морфологически обособленные многокомпонентные обра-
- зования высших организмов, но и генетическую нуклеиновую кислоту прокариотов.
Рассмотрим прежде всего понятие о единице транскрипции. Единицей транскрипции называют участок генома, на котором синтезируется одна молекула РНК. Применительно к бактериям такой участок генома принято обозначать как о п е р о н. В последнее время все чаще пользуются термином транскриптон. Далее мы будем применять эти термины и к другим живым существам, хотя структура единиц транскрипции у них имеет некоторые отличия. В оперон входят, во-первых, так называемые структурные цистроны (или гены-, ниже мы уточним этот термин). Они
/
кодируют структуру тех или иных белков, а также рибосомальных и транспортных РНК. Обычно это те белки или РНК, которые функционируют совместно, координированно, например в одном и том же метаболическом цикле. Во-вторых, в оперон входят участки, относящиеся к системе включения и выключения транскрипции данного оперона. У бактерий — это промотор — место первичного прикрепления РНК-полимеразы, и оператор — место присоединения регуляторных факторов — репрессора и таких факторов, как комплекс циклической АМФ с рецепторным белком. Если обратиться к единицам транскрипции вирусов, то у наиболее примитивных из них — РНК-фагов— сама хромосома функционирует на начальных стадиях как мессенджер-РНК, а затем вся или почти вся хромосома служит матрицей для одной молекулы РНК, почти,— поскольку из данных анализа первичной структуры вирусных РНК следует, что концевые олигонуклеотиды могут не считываться при матричном синтезе. У РНК-фагов, по-видимому, нет специализированного участка для взаимодействия с регуляторными веществами, не входящего в состав структурных генов и аналогичного оператору бактерий. Однако наличие участка, аналогичного промотору, не вызывает сомнений, так как транскрипция генов РНК-фагов всегда происходит в одинаковой последовательности и так как структурным цистронам предшествуют довольно обширные участки— по нескольку десятков нуклеотидов. Наиболее сложно устроенные РНК-вирусы животных нередко содержат несколько хромосом — несколько не связанных друг с другом молекул генетической РНК, каждая из которых, по-видимому, может рассматриваться как оперон, не содержащий оператора. У сложно организованных вирусов типа ДНК-фагов несомненно наличие большого числа оперонов в составе единственной хромосомы. Эти опероны имеют разные промоторы, которые связывают только те РНК-полимеразы, в состав которых входит соответствующий а-фактор—субъединица специфичности прикрепления энзима. Таким образом, можно полагать, что более просто устроенные по сравнению с бактериями живые существа располагают оперонами, лишенными операторного участка.
В хромосомах высших организмов структура оперонов пока не выяснена в той же степени, как у бактерий. Есть основания полагать, что, во-первых, у них значительно больше и сложнее участок, взаимодействующий с регуляторными факторами. Сложность его такова, что, во избежание упрощенных суждений, его лучше не называть оператором. Более оправдано название, предложенное Г. П. Георгиевым,— акцепторный участок. Имеется в виду, что этот участок служит лишь для восприятия регуляторных воздействий и что он не содержит генетической информации обычного типа. Во-вторых, участок структурных цистронов кодирует, как правило, один белок (или одну РНК) \ но в то же время соответ-
1 Это обстоятельство и вызывает обычно затруднение, когда обсуждают целесообразность применения термина «оперон» при описании генома высших организмов.
ствующий цистрон может многократно повторяться, образуя целую «батарею» генных последовательностей.
Теперь обратимся к детальному рассмотрению структуры и последовательности действия оперонов. В качестве первого примера познакомимся с Lac-опероном Е. coli, кодирующим структуру трех энзимов, связанных с ассимиляцией и превращениям р-галактозй-дов и, в частности, лактозы (схема 15). Кроме того, на рис. 48 представлены электронные микрофотографии большей части изолированного Lac-оперона ((Shapiro et al., 1969). Непосредственное выделение и исследование чистого Lac-оперона явилось фундаментальным достижением молекулярной биологии последних лет и полностью подтвердило целый ряд его характеристик, полученных ранее с помощью косвенных генетических и биохимических приемов. Для выделения оперона был использован феномен специфической трансдукции умеренными колифагами X и ф-80, а также то обстоятельство, что одна из цепей ДНК обоих фагов содержит обширные цитидиновые блоки, позволяющие выделять ее гибридизацией с синтетическими полинуклеотидами — поли (Я, Г). Объектом служили культуры двух соответствующих штаммов кишечной палочки, в которых Lac-оперон был перемещен к месту интеграции указанных фагов. После заражения каждой из культур ДНК фага прикрепляется к концу Lac-оперона Е. coli. При этом богатая ци-тидиновыми блоками цепь ДНК фага Л присоединяется к одной цепи бактериальной ДНК, а аналогичная цепь ДНК фага ф-80 — к другой. Из обеих культур затем выделялась ДНК и подвергалась термической денатурации для разъединения цепей. Далее богатые цитидиновыми блоками цепи гибридизировались с поли (Я, Г), отделялись центрифугированием в градиенте плотности и освобождались от полимера-осадителя денатурацией. При последующем сведении отобранных таким образом цепей и ренатурации возникали биспиральные структуры лишь в областях, соответствующих Lac-оперону, ибо фаговые цепи были некомплементарны друг другу в силу принадлежности к разным видам. Неги-бридизировавшиеся участки «состригались» ДНК-азой, специализированной на расщеплении одноцепочечных ДНК, в результате чего оставался лишь обособленный Lac-оперон (рис. 48). Сейчас показана способность выделенного Shapiro и сотр. Lac-оперона функционировать in vitro, обеспечивая синтез соответствующих
