Генная регуляция (лактоза)

Человеческая клетка содержит около ста тысяч ге­нов. Большую часть времени большинство генов остают­ся в бездействии, тогда как небольшое их количество участвует в процессе транскрипции, что в итоге приво­дит к производству белков. Например, мышечная клет­ка будет продуцировать белки, необходимые для ее метаболизма, и эти белки отличаются от белков, необходимых для других типов клеток. Поэтому другие гены у нее бездействуют.

Механизмы «включения и выключения» генов являют­ся частью общего процесса генного регулирования. Генная регуляция широко исследовалась на бактериальных клетках, в которых имеется относительно небольшое число генов и на которых можно подробно проанализировать
биохимию этого процесса. В этой таблице приведено описание механизма генной регуляции на примере бактерии Эшерихия коли (Escherichia coli).

Таблица содержит две схемы, иллюстрирующие де­ятельность генов сначала в отсутствие углевода лактозы, а затем в ее присутствии. Лактоза является дисахаридом, состоящим из глюкозы и галактозы, и когда ее нет во внешней среде, то у бактерии ферменты, необходимые для ее усваивания, тоже отсутствуют. Когда она имеется, бактерия производит энзимы для ее усваивания. Этот феномен воз­можен благодаря генной регуляции.

В 1940-х годах французские исследователи Франсуа Жакоб и Жак Моно исследовали генную регуляцию у бак­терии и описали оперон - пучок генов, который работал во время синтеза белков. Оперон, который они описали первым, называется лак-опероном и часто изучается как модель генной регуляции.

Для того чтобы усваивать лактозу, клетка должна про­изводить три энзима. Посмотрите на первую схему. Эти энзимы расшифровываются структурным геном А (А), структурным геном В (В) и структурным геном С (С). За этими тремя структурными генами на хромосоме име­ется область, называемая областью оператора (D). Эта область включает и выключает процесс транскрипции данных структурных генов, а это, в свою очередь, определяет, какие будут продуцированы энзимы.

За областью оператора ДНК следует область про­мотора (Е). Эта область является участком оперона, с ко­торым соединяется полимераза РНК. (Вспомним, что полимераза РНК является энзимом, который во время транскрипции синтезирует иРНК). Далее, на молекуле ДНК име­ется ген, называемый регуляторным (F). Эта часть опе­рона расшифровывает белок, подавляющий деятельность структурного гена, как вы увидите ниже.

Итак, мы описали компоненты оперона, который включает в себя структурные гены, оператор, про­мотор и регуляторный ген. Теперь посмотрим, как этот оперон функционирует в отсутствие лактозы.

Когда лактозы нет во внешней среде, с регуляторного гена (F) «считывается» нить иРНК (Н). Мы видим, что мо­лекула иРНК связана с рибосомным комплексом (I). Когда происходит трансляция иРНК, продуцируется белок-репрессор (J). Как показывает стрелка, репрессор затем соединяется с оператором (D). Сразу же слева от него находится молекула полимеразы РНК (G), которая соединяется с промотором. Когда белок-репрессор нахо­дится на своем месте, он блокирует полимеразу РНК и не дает энзиму активировать структурные гены. Структурные гены остаются в бездействии и не могут производить свои энзимы, поэтому, когда лактозы нет во внешней среде, клет­ка не продуцирует ферменты, усваивающие лактозу.

А что же происходит, когда присутствует лактоза? Обратимся к нижней части таблицы и посмотрим, что происходит, когда в среде появляется лактоза. Предполо­жим, к примеру, что человек выпил стакан молока и в его кишечнике появилась лактоза. Теперь клетке нужны фер­менты для усваивания лактозы.

В этой ситуации молекула лактозы (К) соединяется с репрессором и образует комплекс лактоза-

репрессор (J, К). Заметьте, что структура белкового репрессора из­менилась от такого объединения, и она становится такой, что он не может уже связываться промотором. Следова­тельно, полимераза РНК (G) освободилась, и стрелкой по­казано, как она сдвигается по хромосоме и активирует структурные гены. В результате структурные гены проду­цируют молекулы иРНК для этих трех энзимов. Нить иРНК для энзимов 1,2 и 3 (L, М и N) «транслируется», и ре­зультатом являются три энзима для усваивания лактозы: энзимы 1,2 и 3 (L₁, L₂ и L₃).

Лак-оперон служит примером того, как происходит ген­ная регуляция. Его деятельность демонстрирует также уди­вительную биохимическую эффективность клетки.