Переключение генов. Регуляция генной активности и фаг - Пташне М.
ISBN 5-03-000854-3
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, свойства А,-репрессора дают ответ на вопрос, интересующий исследователей в области биологии развития: каким образом сравнительно небольшое изменение концентрации регуляторного белка способно надежно переключать экспрессию генов? Кооперативность во взаимодействии мономеров репрессора, т. е. связывание димера с каждым участком, а также кооперативное взаимодействие между димерами на ДНК многократно усиливают действие уменьшения концентрации мономеров репрессора. Кроме того, тот факт, что репрессор стимулирует транскрипцию своего собственного гена, осуществляя позитивную регуляцию, означает, что при падении концентрации репрессора эффективность синтеза его новых молекул также понизится. После того как концентрация репрессора упадет до критического уровня, первые молекулы новообразованного белка Сго окончательно подавят синтез репрессора и начнется литический цикл.
Две кривые на рис. 1.25, одна из которых описывает реальную кооперативную систему с участием Х-репрессора, а другая - некооперативную систему с одним участком связывания, напоминают кривые, описывающие поведение молекул - переносчиков кислорода-гемоглобина и миоглобина. Гемоглобин переносит кислород от легких к тканям, а миоглобин способствует переносу кислорода в мышечной ткани. Парциальное давление кислорода в тканях всего примерно в 5 раз ниже, чем в легких; тем не менее гемоглобин эффективно связывает кислород в легких и высвобождает его в тканях. Кривая зависимости связывания кислорода с гемоглобином от давления кислорода напоминает черную кривую на рис. 1.25, отвечающую высокой кооперативности. Четыре субъединицы гемоглобина, каждая из которых связывает одну молекулу кислорода, работают кооперативно, и поэтому связывание весьма чувствительно к концентрации кислорода. Связывание
39
кислорода с миоглобином описывается некооперативной кривой, похожей на красную кривую на рис. 1.25. Каждая молекула миоглобина связывает только одну молекулу кислорода, и такое связывание гораздо менее чувствительно к концентрации кислорода.
Действие авторегуляции
Мы уже отмечали, что помимо активации транскрипции своего собственного гена при лизогении (благодаря связыванию с 0R1 и 0К2) репрессор использует 0R3, чтобы ограничивать свою собственную концентрацию. Благодаря такому взаимодействию с 0R3 концентрация репрессора никогда не превышает уровня, при котором профаг может эффективно отвечать на индуцирующее воздействие. Избыток репрессора привел бы к подавлению индукции двумя путями.
• Во-первых, Rec А расщепляет мономеры репрессора довольно медленно; если бы концентрация репрессора оказалась слишком высокой, белок Rec А не мог бы расщепить достаточное число молекул, чтобы вызвать индукцию.
• Во-вторых, даже если бы такое расщепление произошло, состояние репрессии сохранилось бы. Объясняется это тем, что, хотя расщепленные мономеры репрессора не могут образовывать димеры, отщепленные амино-концевые домены сохраняют способность некооперативно связываться с оператором. При достаточно высоких концентрациях эти аминоконцевые домены заполнят все три участка связывания независимо от того, входят они в состав димеров репрессора или нет.
Негативные и позитивные саморегулирующиеся системы, примерами которых являются два способа саморегуляции концентрации репрессора, совершенно по-разному отвечают на возмущения. Негативная регуляция способствует стабильности, т. е. поддержанию гомеостаза, тогда как позитивная ведет к неустойчивости. Если бы действовала только негативная регуляция, то при повышении или понижении концентрации репрессора скорость его синтеза соответственно уменьшалась бы или увеличивалась и концентрация возвращалась бы к равновесному уровню. Позитивная регуляция, наоборот, усиливала бы любое изменение концентрации репрессора: при ее увеличении она повышала бы скорость синтеза репрессора, а при падении-снижала.
На самом деле концентрация репрессора в лизогенных клетках достаточна, чтобы стимулировать Ркм почти до максимального уровня. В обычных условиях 0R3 занят репрес-сором не более 10% времени. Таким образом, негативная саморегуляция включается лишь время от времени, чтобы компенсировать кратковременное увеличение концентрации репрессора.
40
Другие фаги
Известен ряд других фагов, способных не только к литической инфекции, но и к индуцибельной лизогении Похожи ли при этом их механизмы переключения на механизм в случае фага № Обратимся к двум фагам 434, который растет на Escherichia toll, и Р22, который растет на Salmonella typhimurium Лизогены 434 и Р22, подобно лизогенам X, эффективно индуцируются ультрафиолетовым светом Оба фага кодируют репрессор и белок Сго, которые взаимодействуют с областью ДНК, аналогичной 0R фага X
Несмотря на некоторые различия в деталях, следующие положения справедливы для всех трех фагов Правый оператор содержит три участка связывания репрессора, два из которых, 0R1 и Or2, заняты репрессором в состоянии лизогении В этом состоянии играют важную роль кооперативные взаимодействия между соседними димерами репрессора Мономеры репрессоров состоят из двух структурных доменов и находятся в равновесии с димерами, которые связываются с ДНК Димеры репрессора, занимающие участки 0R1 и Or2, выключают транскрипцию с PR и включают транскрипцию с Лш При индукции УФ-облучением репрессор расщепляется и тем самым инактивируется, после этого первым синтезируется белок Сго с промотора PR Сго прежде всего связывается с ОкЗ, чтобы выключить синтез репрессора, а затем-с 0R1 и Or2, чтобы снизить уровень транскрипции ранних генов литического цикла Тот факт, что все эти явления широко распространены, свидетельствует об их исключительной роли в механизме переключения
