GĒNU EKSPRESIJAS REGULĀCIJA PROKARIOTOS

• Escherichia Coli galvenais enerģijas avots ir glikoze, tomēr izmainoties ārējās vides apstākļiem, tajā var parādīties alternatīvi oglekļa avoti - laktoze, galaktoze, rafinoze.

  Baktērijām strauji jāatbild uz mainīgiem vides apstākļiem, izdzīvošanas spēja ir atkarīga no tā, cik veiksmīgi baktērija pārslēgsies no viena oglekļa avota metabolisma uz citu. Svarīgi ir taupīt enerģiju, tātad ir enerģētiski neizdevīgi sintezēt viena oglekļa avota metabolizēšanai nepieciešamos enzīmus tā neesamības gadījumā. Escherichia Coli pielāgojas dažādiem oglekļa avotiem mainot gēnu eksperesiju.

• Gēns ir DNS secība, kas kodē noteiktu produktu, kas var būt proteīns kā lielākajā gadījumā gēnu vai RNS (kā to gēnu gadījumā, kas kodē tRNS vai rRNS). Gēnu ekspresija ir bioloģiski aktīva proteīna sintēze. Gēnu ekspresijas regulācija prokariotos notiek galvenokārt transkripcijas iniciācijas līmenī, lai nebūtu lieki jātērē enerģija sintezējot nevajadzīgus transkriptus.

• Izšķir strukturālos gēnus un regulatoros gēnus. Strukturālais gēns ir jebkurš gēns, kas kodē proteīnus (vai RNS) – strukturālos, enzīmus un regulācijas proteīnus. Regulatorie gēni kodē proteīnus, kas iesaistīti citu gēnu regulācijā un ekspresijā. Regulācija izpaužas tā, ka regulatorā gēna kodētais regulatorais proteīns piesaistās DNS noteiktās vietās. Regulatorā proteīna piesaistīšanās var aktivēt gēnu vai to inaktivēt to.

• DNS secības, kas iesaistīta transkripcijas iniciācijā un terminācijā ir promoters un terminators. Iniciāciju kontrolē DNS secības, kas atrodas 35 un 10 nukleotīdus pirms transkripcijas inicācijas saita, tātad -35 un -10 pozīcijas. Tās ir promotora sekvences, jo sekmē to, ka RNS polimerāze atpazīst transkripcijas sākuma saitu. Katrai pozīcijai ir sava konsensus sekvence - -35 tā ir TTGACA un -10 pozīcijai - TATAAT.

• Baktērijās gēni ir apkopoti operonos. Operons ir gēnu kopa, kas tiek regulēta vienlaicīgi. RNS, kas tiek transkribēts no operona ir policistronisks - viens transkripts kodē vairākus proteīnus. Metabolisma enzīmu gēni parasti ir apkopoti operonos.

• Klasisks gēnu ekspersijas regulācijas mehānisms baktērijās ir negatīvā regulācija; represors (proteīns) kavē gēna ekspresiju, piesaistoties pie operatora - saits netālu no promotera. Kad represors ir saistījies ar operatoru, RNS polimerāze nevar iniciēt transkripciju.

• Alternatīvs mehānisms ir pozitīvā regulācija. Lai RNS polimerāze iniciētu transkripciju, nepieciešams aktivācijas faktors. Transkripcijas faktoru piesaistīšanās pie DNS ļauj RNS polimerāzei veikt transkripciju.

• Lac Operons

  Tipisks operona piemērs ir lac operons, kas sastāv no regulatorgēna I un trīs strukturālajiem gēniem lacZ, lacY un lacA. Šo gēnu kodētie proteīni ļauj šūnai uzņemt un matabolizēt laktozi. LacZ kodē b-galaktozidāzi, kas hidrolizē disaharīdā laktozes b--galaktozīdsaiti, kā rezultātā laktoze tiek sašķelta glikozē un galaktozē. Lac Y strukturālais gēns kodē permeāzi, ar membrānu saistītu proteīnu, kas šūnā transportē bgalakozidāzi. Lac A strukturālais gēns kodē transacilāzi, enzīmu, kas pārnes acetil grupu no acetilkoA uz b galaktozīdiem (laktozi).

• Lac operons pakļauts negatīvai regulācijai - tiek transkribēts, ja vien to neizslēdz represors. Lac operons atbild uz diviem signāliem - ekspresējas tad, ja vidē ir laktoze un ja vidē nav glikozes. Represors ir gēna LacI produkts, tā funkcija ir aizkavēt strukturālo gēnu eksperesiju. Tas atrodas blakus strukturālajiem gēniem. Mutācija šajā gēnā, kas inaktivē regulatorproteīnu noved pie strukturālo gēnu ekspresijas.

• Represors piesaistās operatoram LacZYA sākumā, operators atrodas starp promoteru un strukturālajiem gēniem. Kad represors piesaitījies operatora rajonam, RNS polimerāze nevar iniciēt transkripciju.

• Enzīmu sintēze kā atbilde uz substrāta esamību ir indukcija. Induktors ir molekula, kas izraisa enzīmu sintēzi, kas var to metabolizēt. Katram represoram ir specifisks induktors. Ja induktors nav, tad gēni tiek transkribēti, jo represors ir aktīvs un piesaistījies operatoram. Lac operona induktors ir laktoze. Induktors piesaistās represoram, tas atdisociē no DNS un transkripcijas var norisināties.

• Represija ir enzīma sintēzes pārtraukšana kā atbildes reakcija uz enzīma vai substrāta esamību augšanas vidē, piemēram triptofāna gadījumā. Ja augšanas vidē nav triptofāna, tad triptofāna sintetāze to sintezē, ja triptofāns ir augšanas vidē, tad sintēze tiek apstādināta.

• Mutācijas strukturālajos gēnos ietekmē proteīnu, ko kodē gēns, turpretīm mutācijas regulatorajos gēnos ietekmē strukturālo gēnu ekspresiju.

• CAP

• Escherichia Coli šūnām augot vidē, kur ir glikoze nav enerģētiski izdevīgi sintezēt alternatīvu oglekļa avotu metabolizēšanai nepieciešamos enzīmus pat tad ja šie alternatīvie oglekļa avoti ir pieejami. Tomēr vairākumā gadījumu induktori ir paši ogļhidrāti, kā izvairīties no nevajadzīgu enzīmu sintēzes un nodrošināt to sintēzi tikai tad, kad tas kļust nepieciešams?

• To var panākt ar vājiem promoteriem - piemēram -35 un -10 rajonā nav vajadzīgā konsensuss sekvence, slikti atpazīti ar RNS polimerāzi vai RNS polimerāzei vai ir grūtības atvērt DNS dubultspirāli transkripcijas sākumā. Induktora klātbūtne nav pietiekama transkripcijas iniciēšanai un šādos promoteres RNS polimerāze nevar iniciēt transkripciju bez palīgproteīna. Tie ir pozitīvie regulatori, jo to klātbūtne nepieciešama, lai iniciētu transkripciju. Aktivatorproteīns kontrolē E Coli operonus atbildot uz dažādiem oglekli saturošiem barības avotiem. Ja šūnai ir pieejama glikoze, tad tā tiek metabolizēta vispirms represējot operonu, kas kodē alternatīva metabolisma ceļa enzīmus - šo efektu sauc par katabolīta represiju.

• Aktivatorproteīns ir katabolītaktivatorproteīns jeb CAP, kas ir pozitīvās kontroles elements, jo tā klātbūtne nepieciešama, lai iniciētu transkripciju. Ja augšanas vidē nav glikozes, bet ir piemēram laktoze, tad operons tiek aktivēts un noris transkripcija.

• Glikozes klātbūtnē šūnā ir reducēts cikliskā adenozīnmonofosfāta daudzums (cAMP), ko sintezē adenilātciklāze. CAP ir aktīvs cAMP klātbūtnē saistoties ar to.

• CAP-cAMP komplekss var pievienoties DNS dažādās vietās, piemēram promotera rajonā kā galaktozes operonā, blakus promoteram kā kā Lac operonā un pirms promotera kā arabinozes operonā.

• Ja glikozes koncentrācija samazinās, palielinās cAMP koncentrācija, kas saistoties ar CAP aktivē operonu.

• Ja šūnā ir glikoze, tad ir zems cAMP līmenis, tas nesaistās ar CAP un nenotiek transkripcija.

• Ir divi veidi kā CAP var aktivēt transkripciju - tieši sadarbojoties ar RNS polimerāzi, vai iedarbojas uz DNS mainot tā struktūru un palīdzot piesaistīties RNS polimerāzei. Izpētīts, ka CAP aktivē transkripciju abos veidos.

• Kad CAP piesaistās DNS, veidojas ass liekums, kas veicina transkripciju. Gēnus var ieslēgt un izslēgt atkarībā no cAMP koncentrācijas šūnā.

• Rafinozes katabolisma operons (raf operons) ir plazmīdu izcelsmes un atrodas dabiskās E Coli palzmīdas pRSD2 sastāvā. Tas kodē fermentus, kas nepieciešami rafinozes uzņemšanai šūnā un sašķelšanai līdz monosharīdiem, kas ir oglekļa un enerģijas avots. Operons sastāv no trīs vienā mRNS transkribētiem struktūrgēniem -rafA kodē galaktozidāzi , rafB - permeāzi un rafD invertāzi. Struktūrgēni atrodas RafR gēna produkta represora kontrolē.

• Operona ekspersija pakļauta gan negatīvai gan pozitīvai regulācijai.

• Pozitīvo regulāciju regulē CAP, negatīvo - represors, ko kodē Raf R gēns.

  Saskaņojot gan pozitīvo gan negatīvo regulāciju tiek panākta efektīva operona transkripcija.

• Operona ekspresija notiek, ja vidē ir rafinoze un šūnā trūkst vieglāk metabolizējamās glikozes.

• Rafinozes operona induktors ir melibioze, kas rodas no rafinozes atšķeļot fruktozi.

• Raf represors, tāpat kā daudzi citi DNS proteīni sastoties pie operatora izraisa DNS liekumu prom no sevis par 90°.

• Represora aktivitāti uz operona ekspresiju novērtē ar reportiergēna RafA kodētās a-galaktozidāzes aktivitāti.

• a-galaktozidāzes šķeļ saiti rafinozes molekulā, tomēr kā substrātu var izmantot citus ogļhidrātu atvasinājumus, kas satur a-galaktozīdsaiti, piemēram melibioze vai p-nitrofenil-a-D-galkatopiranozīds (a-PNPG). To izmanto, lai noteiktu aktivitāti plazmīdas saturošos šūnu lizātos. Hidrolīzes produkts ir dzeltens savienojums p-nitrofenols, kuru kvantitatīvi iespējams noteikt mērot optiski blīvumu pie 420 nm (OD420).

Lewin, B. Genes VI. Oxford University Press. 1997.
Alberts, B. Molecular biology of the cell, 3d Edition.
Rostoks, N. Baktēriju ģenētika. Rīga. 1998.

Internetā:
http://www.users.csbsju.edu/~wlambert/bio115/topics/4.1regulation.htm
http://bioweb.cs.earlham.edu/browse/geneexpression/
http://web.indstate.edu/thcme/mwking/gene-regulation.html

Google

LU

LU BF

LDF

Ezeri

Sugu enciklopēdija

Bioloģisk� daudzveidība

Latvijas daba

Piekrastes biotopi

Malokologu biedrība

Bot�nikas biedrība

Meklē

Raksti mums