Регулация на генната експресия. Регулация на генната експресия

Регулация на генната
експресия
Регулация на генната експресия
при прокариотни организми

Регулацията на генната експресия при прокариоти се
осъществява на две нива: транскрипция и транслация.
Видове гепи по време и начин на транскрипция:
Конститутивни гени – експресират се постоянно, отговарят за
белтъци на основни структури и жизнени процеси
Индуцируеми гени – експресират се само когато техните
продукти са необходими на клетката. Осигуряват
ефективност и адекватност на адаптивния процес .

Организация на прокариотния геном – основно структурни
гени без интрони, организирани в оперони
Оперона е съставен от:
Промотор - към него се свързва РНК полимеразата
Оператор - към него се свързват регулаторни белтъци
Участък на структурни гени, кодиращи индуцируеми
белтъци
Идеята за оперонна организация на гените за първи път е
изказана от Жакоб и Моно, изучавайки Lac-оперона.

Промоторна последователност - има силни и слаби
промотори
Сигма-фактор на РНК полимеразата
Регулаторни белтъци разпознаващи определени части от
оперона
Ключова е регулацията на ниво транскрипция, която се
осъществява на етап:
Активатори – “on”
осъществяват позитивен
контрол.
“Помагат” транскрипцията
да протече.
 Репресори – “of”
осъществяват негативен
контрол.
“Пречат” транскрипцията
да протече
Регулаторните белтъци са:

Върху активността на регулаторните белтъци влияят
определени ефекторни молекули.
Ако в резултат на взаимодействие между ефекторните
молекули и регулаторните белтъци структурните гени се
транскрибират– процесът е индукция.
Ефекторни молекули, които свързвайки се към
регулаторните белтъци индуцират генната експресия се нар.
индусери-захари, АК и др.
Ако в резултат на взаимодействие между ефекторните
молекули и регулаторните белтъци структурните гени не се
транскрибират– процесът е репресия.
Ефекторни молекули, които свързвайки се към
регулаторните белтъци подтискат генната експресия се нар.
ко-репресори.

Като източник на въглерод E.coli най-често използва глюкоза,
при липсата й се включват метаболитни пътища за други
въглехидрати, напр. лактоза. Taкъв е примера с Lac-оперона.
Lac-оперонът съдържа регулаторни участъци и три
структурни гени кодиращи белтъци необходими за
разграждането на лактозата.
Лактозен оперон – Lac оперон

Реакции
катализирани от
-галактозидаза:
хидролиза и
изомеризация
Функция на
permease –
внос на
лактоза

Организация на lac Operon
промотор-оператор
CAP (катаболитно активаторен
протеин) Осъществява
Положителен контрол на лак-
оперона; сАМР е ефекторна
молекула
•Когато присъства глюкоза
•Аденилил циклазата е
неактивна.
•сАМР нивата са ниски.
•CAP не може да се свърже
с лак-оперона.
•Лак структурни гени не
могат да се индуцират
Glucose/ cAMP

Свързване на lac Repressor към DNA
-специфично свързващо място за
репресор (тетрамер - в лилаво) - ДНК-
свързващ протеин с мотив: спирала
превърне спирала
- Един димер се свързва с O1
Другият димер се свързва с О3
едновременно
Двата димера образуват тетрамерен лак
репресорен комплекс
ДНК бримката не позволява на
регулаторните сайтове да се свържат
по същото време

Негативен контрол (негативна индукция)
Репресорът на Lac-оперона е белтък нар. Lac-репресор,
кодиран от генът I (конститутивна експресия).
В отсъствие на лактоза, Lac-репресора се свързва към
оператора, като се припокрива и промотора.
Възпрепятства се свързването на РНК-полимеразата към
промотора. Структурните гени не се транскрибират.
Lac-оперонът е едновременно под позитивен и негативен
контрол

Ефекторната молекула на Lac-репресора е лактозата и тя е
индусер.
В присъствието на лактоза, всяка от субединиците на Lac-
репресора (4 бр.) се свързва с нея, в резултат Lac-репресорът
освобождава оператора.
 РНК полимеразата може да се свърже към свободния
промотор и структурните гени се транскрибират.

Активатор на Lac-оперона е белтък наречен
катаболитно активиращ протеин - САР/catabolite
activator protein/.
Ефекторната молекула на САР е цАМФ, който е във
висока концентрация когато глюкозата е в ниска
концентрация .
Високата концентрация цАМФ е необходимо условие
за включване на Lac-оперона – индусер.
Комплексът цАМФ-САР се свързва близо до
промотора и значително повишава афинитета на РНК
полимеразата към промотора.
Транскрипцията протича в присъсътвието на цАМФ-
САР.
Позитивен контрол

САР белтъка, Trp-репресор, Cro-белтъка са димери
изградени от две идентични субединици. В С-края на всяка
субединица има по две - спирали, една от които е
разпознавателна.
Тези белтъци димеризират така, че двете разпознавателни
- спирали да влязат точно в голямата бразда на В-ДНК.
Ъгъла между двете - спирали е 120, а разстоянието
между тях е 3,4 nm равно на един ход на ДНК - спиралата.
Този ДНК свързващ мотив се нар. спирала-завой-спирала.

Структурните гени на Lac-оперонът се експресират само ако
има лактоза и няма глюкоза.
Ако в средата има само глюкоза Lac-оперонът е изключен,
защото Lac-репресорът е свързан към оператора, а и САР
белтъкът не е свързан към ДНК поради ниската концентрация
цАМФ.
Ако в средата има и глюкоза и лактоза Lac-оперонът е изключен,
защото САР не е свързан поради ниската концентрация на
цАМФ.
Ако няма нито глюкоза нито лактоза, Lac-оперонът е изключен.
Въпреки че САР белтъкът е свързан, Lac-репресорът също е
свързан към оператора и няма лиганд, който да го отстрани.
Ако има лактоза и няма глюкоза, Lac-оперонът е включен. цАМФ
е във висока концентрация, образува се комплекса САР-цАМФ.
Lac-репресорът се свързва с лиганда си-лактоза, освобождава се
промотора, осъществява се транскрипцията.

Ara - оперон, арабинозен оперон

Той е под
двойно
позитивен
контрол
и
негативен
контрол

Trp - оперон
Тrp-оперон съдържа регулаторни участъци и структурни
гени кодиращи белтъци нужни за синтеза на
аминокиселината триптофан.
Trp-оперонът се регулира на две нива - негативен контрол
и атенуация
Негативен контрол
Репресорът на Trp -оперона е белтък нар. Trp -репресор,
кодиран от генът R.

Ефекторната молекула на Trp-репресора е триптофана и тя е
ко-репресор.
В присъствието на триптофан, всяка от субединиците на Trp-
репресора (2 бр.) се свързва с нея, в резултат Trp -
репресорът се свързва с оператора.
 Блокира промотора за РНК полимеразата и структурните
гени не се транскрибират.

Атенуация
Областта отговорна за този вид регулация се нар. атенуатор.
Намира се между промотора и първия структурен ген на
Trp-оперон. Част е от лидерната последователност-trp L.
Атенуацията е резултат от комбинацията на три фактора:
Движението на рибозомата плътно след РНК полимеразата.
Наличието на два съседни Тrp в лидерния пептид.
Способността на иРНК в областта на tpr L да образува
четири фуркетни форми.

Има няколко възможни комбинации от фуркетни форми,
една от които е терминираща.

Транслационен контрол с
riboswitches
Riboswitches са консервативни
области в 5'-UTR иРНК,
образуващи добре дефинирани
вторични и третични
структури.
Те директно свързват някои
малки молекули (лиганди) с
висок афинитет и
селективност. Riboswitches са
РНК-базирани елементи на
генетичен контрол, които
регулират генна експресия по
лиганд-зависим начин, без
необходимостта от протеини.
Тяхната клетъчна функция е
да потисне или да активира
основни гени в отговор на
вътреклетъчното ниво на
техния лиганд

aptamer – ligand-binding domain;
Shine-Dalgarno seq located here

Транслационен контрол с sRNA
•Бактериалните малки
регулаторни РНК (sRNAs)
се свързват с иРНКчрез
сдвояване на базите ,
като могат да инхибират
или активират
транслацията на
прицелната иРНК. В едни
случаи свързването с
иРНК води до откриване
на RBS (рибозома-
свързващи места) в
резултат на което
транслацията е
възможна, докато в
други водят до репресия
и ускорен разпад на
таргетната иРНК .

Оперонната регулация е характерна и за бактериофагите,
напр. -фага. Той съществува в две функционални
състояния-литично и лизогенно.
Взаимодействието на три компонента определя състоянието на
фага:
1. - репресор, кодиран от гена cI
2. Cro белтък, кодиран от гена cro
3. Оператора ОR , припокриващ се с промотора PR

Най-ранните гени се транскрибират (5 min) от pL
и pR кодиращи N и cro белтъците; N е
антитерминатор а cro е генен регулатор.
Кое състояние щу се установи зависи от
концентрацията на протеина CII, която се
влияе от състоянието на заразената E. coli.
Ако конц. на CII е ниска, транскрипцията от
PR се стабилизира и подържа високо ниво на
Cro белтъка, осъществяващ позитивен
обратен контрол