Молекулярная биология, избранные разделы - Ашмарин И.П.
Скачать (прямая ссылка):
На фоне этих идей и данных несколько неожиданным явилось очень основательное исследование Adler и сотр., в котором доказывается возможность узнавания репрессором оператора за счет взаимодействия первичных и вторичных структур белка и ДНК. Опираясь на данные о структуре Lac-penpeccopa и ДНК в зоне оператора, они произвели скрупулезный анализ пространственного расположения остатков аминокислот в спирализован-ном участке на W-конце репрессора (с 17-го по 29-й), с одной стороны, и групп оснований оператора, способных к образованию водородных связей, с другой стороны. Оказалось, что возможно образование 6—7 водородных связей между гидроксильными, амидными и карбоксильными группами остатков тирозина, се-рина, аспарагиновой кислоты и глютамина репрессора с кето- и аминогруппами спирализованного участка ДНК, включающего всего лишь 8 пар определенных оснований. Одновременно могут возникать и ионные взаимодействия. трех остатков — аргинина, лизина и гистидина — с фосфорилами ДНК, но вклад этих последних связей невелик, и ведущими являются специфические водородные связи. Набор остальных аминокислотных остатков тоже
зоо
специфичен в том смысле, что они не вызывают расталкивания и не мешают замыканию Н-связей. Расчетная энергия такого взаимодействия А/-концевых зон четырех субъединиц Lac-penpeccopa с четырьмя повторяющимися участками оператора не противоречит известному значению константы диссоциации—10-13М и относительно низкому значению энергии активации реакции связывания репрессора. Показано также, что, следуя этому принципу, можно найти свыше 700 специфических комбинаций последовательностей аминокислот и оснований ДНК. Это более чем достаточно для обеспечения всех оперонов бактерий. Подтверждение и развитие этих принципов должно привести к разработке своеобразного кода для специфических взаимодействий белков с ДНК (Adler et al., 1972).
Раскрытие механизма функционирования Lac-оперона дает решение лишь части общей проблемы негативной регуляции транскрипции у бактерий. Менее изучен пока механизм действия тех систем, в которых включение транскрипции происходит при исчерпании продукта, образующегося в том или ином метаболическом цикле (реакции), а выключение — при накоплении продукта. Примерами являются системы синтеза ряда аминокислот. Структура оперонов триптофана и гистидина уже рассматривалась в главе VI. Jacob и Monod, а также их последователи, предположили, что основные принципы регуляции таких систем аналогичны изложенным выше для Lac-оперона. Различие состоит лишь в том, что если Lac-penpeccop связывается и инактивируется субстратом, то репрессоры систем синтеза в свободном состоянии неактивны и, лишь присоединив конечный продукт метаболического цикла, активируются и приобретают способность блокировать оператор. Подкупает стройность этой гипотезы, принципиальное единство с уже раскрытой системой регуляции.
Недавно появились сообщения о выделении репрессора системы синтеза аргинина (Udaka, 1970) и репрессора синтеза триптофана (Zubay et al., 1972). Установлен молекулярный вес последнего — 58000 и показано, что подобно Lac-penpeccopy, его содержание в клетке ничтожно — около 10 молекул. Способность тормозить транскрипцию он приобретает, лишь взаимодействуя с триптофаном.
Непосредственно примыкают к описанным выше системам регуляции гипотетические схемы, основанные на предположении, что многие энзимы могут в определенных условиях функционировать как репрессор или корепрессор транскрипции. Прямых доказательств существования такого механизма пока нет, но косвенных указаний накоплено немало (Calvo, Fink, 1971). Так, полагают, что синтез ряда аминокислот E.coli и S. typhimurium регулируется по следующему пути: избыток аминокислоты связывается с аминоацилсинтетазой (непосредственно или в виде Аа-тРНК), и этот комплекс служит репрессором (или корепрессором) образования ключевого энзима в цепи синтеза данной аминокислоты. Соответствующие данные и предположения имеются в отношении
синтеза аргинина, триптофана, гистидина и валина. Кроме того, способность репрессировать собственный оперон предполагают у неактивного предшественника треониндезаминазы S. typhimuria в соединении с тре-, вал-, и лей-тРНК, а также у таких энзимов, как дигидрофолиатредуктаза D. pneumoniae и фосфорибозил-АТФ-синтетаза S. typhimurium.
С системами, регулирующими включение и выключение отдельных оперонов, сопряжена еще более общая система, контролирующая сразу значительное число оперонов. Смысл ее существования становится понятным, если рассмотреть, например, следующую ситуацию. Кишечная палочка может использовать в качестве углевода как глюкозу, так и несколько более экзотический для обычных условий ее развития углевод — лактозу, которая частично превращается в клетке в глюкозу. Если в среду, где уже содержится в достаточной концентрации глюкоза, вводится лактоза, то потребление последней представляется неоправданным, ненужным. Включение в этих условиях Lac-оперона приведет лишь к дополнительной нагрузке на системы синтеза энзима. Давно было замечено, что индукция Lac-оперона р-галак-тозидами подавляется в присутствии глюкозы. Затем была установлена обратная связь между наличием в среде глюкозы и концентрацией в клетке циклического аденозинмонофосфата цАМФ (3’, 5’-АМФ). В самое последнее время для ряда оперонов было показано, что транскрипция в наиболее благоприятных условиях не происходит или протекает очень медленно, если в системе нет комплекса цАМФ со специальным белком — рецептором АМФ (ЦРБ). Последний оказался основным белком с молекулярным весом 44 000 (две субъединицы по 22 000), который обладает очень высоким сродством к цАМФ (Emmer et al., 1970). Вступив в соединение с цАМФ, ЦРБ приобретает способность к взаимодействию с промотором. Комплекс цАМФ—ЦРБ значительно ускоряет транскрипцию, изменяя структуру ДНК на участке промотора (Chambers, Zubay, 1969; Nissley et al., 1971; De Croumbrugghe et al.,
