WYKŁAD X

WYKŁAD X

Regulacja funkcji

Regulacja funkcji

genów u bakterii

genów u bakterii

Teoria operonu

Teoria operonu

Regulacja ekspresji informacji

Regulacja ekspresji informacji

genetycznej - organizmy

genetycznej - organizmy

prokariotyczne

prokariotyczne



w komórkach prokariotycznych

w komórkach prokariotycznych

istnieją bardzo precyzyjne

istnieją bardzo precyzyjne

mechanizmy regulujące biosyntezę

mechanizmy regulujące biosyntezę

tylko tych białek,

tylko tych białek,



które są w danej chwili niezbędne.

które są w danej chwili niezbędne.



Ponad 75% genów u bakterii

Ponad 75% genów u bakterii

występuje w zespołach, które kodują

występuje w zespołach, które kodują

białka enzymatyczne związane z

białka enzymatyczne związane z

jednym szlakiem metabolicznym i są

jednym szlakiem metabolicznym i są

to

to

operony

operony

.

.



Jednym z najlepiej poznanych

Jednym z najlepiej poznanych

układów regulacyjnych u bakterii jest

układów regulacyjnych u bakterii jest

operon laktozowy

operon laktozowy

.

.

Operon laktozowy

Operon laktozowy



u

u

Escherichia coli

Escherichia coli

– jest systemem

– jest systemem

regulującym stężenie enzymów

regulującym stężenie enzymów

odpowiedzialnych za rozkład laktozy.

odpowiedzialnych za rozkład laktozy.



W warunkach nieobecności laktozy,

W warunkach nieobecności laktozy,

system utrzymuje niski poziom

system utrzymuje niski poziom

enzymów,

enzymów,



natomiast w przypadku obecności

natomiast w przypadku obecności

laktozy powoduje szybki wzrost ich

laktozy powoduje szybki wzrost ich

stężenia

stężenia

Jocob i Monod zaproponowali

Jocob i Monod zaproponowali

(1961r.) model operonu laktozowego

(1961r.) model operonu laktozowego

lac

lac



W skład operonu lac wchodzą ułożone obok siebie

W skład operonu lac wchodzą ułożone obok siebie

3 geny strukturalne warunkujące syntezę

3 geny strukturalne warunkujące syntezę

enzymów związanych z metabolizmem laktozy:

enzymów związanych z metabolizmem laktozy:



gen Z kodujący - galaktozydazę

gen Z kodujący - galaktozydazę

- hydrolizuje

- hydrolizuje

laktozę na galaktozę i glukozę.

laktozę na galaktozę i glukozę.



gen Y koduję permeazę

gen Y koduję permeazę

- odpowiedzialną za

- odpowiedzialną za

yransport galaktozy do komórki.

yransport galaktozy do komórki.



gen A koduję transacetylazę

gen A koduję transacetylazę

β

β

-

-

galaktozydową –

galaktozydową –

transport laktozy w

transport laktozy w

cytoplazmie

cytoplazmie

W regulacji ich ekspresji bierze

W regulacji ich ekspresji bierze

udział kilka genów:

udział kilka genów:



gen regulatorowy

gen regulatorowy

(gen lacI), który

(gen lacI), który

koduje cząsteczkę

koduje cząsteczkę

represora

represora

zdolną do

zdolną do

przejścia do operatora, gdzie indukuje

przejścia do operatora, gdzie indukuje

ona sygnał wyłączający operon

ona sygnał wyłączający operon



gen operatora

gen operatora

, który otrzymuje sygnał

, który otrzymuje sygnał

wyłączający z represora

wyłączający z represora



promotor

promotor

(jego sekwencje częściowo

(jego sekwencje częściowo

nachodzą na gen operatorowy) -

nachodzą na gen operatorowy) -

miejsce gdzie przyłącza się polimeraza

miejsce gdzie przyłącza się polimeraza

RNA i indukuje syntezę mRNA

RNA i indukuje syntezę mRNA



GEN REGULATOROWY

GEN REGULATOROWY



*Koduje białko REPRESOROWE

*Koduje białko REPRESOROWE

syntetyzowane w sposób

syntetyzowane w sposób

konstytutywny

konstytutywny



*działa bezpośrednio na gen

*działa bezpośrednio na gen

operatorowy

operatorowy



(powoduje odkształcenie struktury

(powoduje odkształcenie struktury

DNA); jeżeli się połączy z operatorem

DNA); jeżeli się połączy z operatorem

– następuje zablokowanie transkrypcji

– następuje zablokowanie transkrypcji



*działa pośrednio na geny struktury

*działa pośrednio na geny struktury

(poprzez operatora)

(poprzez operatora)

ALLOSTERYCZNE

ALLOSTERYCZNE

WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK

WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK

REPRESOROWYCH

REPRESOROWYCH



Zdolność REPRESORA do zmiany

Zdolność REPRESORA do zmiany

konformacji = zmiana

konformacji = zmiana

właściwości REPRESORA

właściwości REPRESORA



Np. represor operonu

Np. represor operonu

laktozowego połączony z

laktozowego połączony z

efektorem staje się nieaktywny

efektorem staje się nieaktywny



Represor operonu

Represor operonu

tryptofanowego połączony z

tryptofanowego połączony z

efektorem (korepresorem) staje

efektorem (korepresorem) staje

się aktywny

się aktywny

Represor przejawia

Represor przejawia

powinowactwo do genów

powinowactwo do genów

operatora oraz do laktozy.

operatora oraz do laktozy.



Dociera on do genu operatora i wytwarza

Dociera on do genu operatora i wytwarza

z nim połączenie, które uniemożliwia

z nim połączenie, które uniemożliwia

przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż

przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż

nici DNA od miejsca promotora do genów

nici DNA od miejsca promotora do genów

struktury.

struktury.



Transkrypcja genów struktury zostaje

Transkrypcja genów struktury zostaje

zahamowana.

zahamowana.



Represor działa jako regulator ujemny.

Represor działa jako regulator ujemny.



Odblokowanie operatora może

Odblokowanie operatora może

nastąpić pod wpływem laktozy,

nastąpić pod wpływem laktozy,

która łącząc się z represorem,

która łącząc się z represorem,

powoduje jego unieczynnienie.

powoduje jego unieczynnienie.



Laktoza działa w tym układzie jako

Laktoza działa w tym układzie jako

induktor.

induktor.

Operon lac u

Operon lac u

E. coli

E. coli

Represja kataboliczna

Represja kataboliczna



gdy komórka bakterii jednocześnie

gdy komórka bakterii jednocześnie

otrzyma laktozę i glukozę.

otrzyma laktozę i glukozę.



Wtedy działa mechanizm, tzw. represja

Wtedy działa mechanizm, tzw. represja

kataboliczna,

kataboliczna,



który umożliwia bakterii zużywanie

który umożliwia bakterii zużywanie

najpierw glukozy w obecności laktozy

najpierw glukozy w obecności laktozy



(nie dochodzi do uaktywnienia operonu

(nie dochodzi do uaktywnienia operonu

lac aż do wyczerpania glukozy).

lac aż do wyczerpania glukozy).

Mechanizm tzw. represji

Mechanizm tzw. represji

katabolicznej

katabolicznej



polimeraza RNA łączy się z promotorem

polimeraza RNA łączy się z promotorem

w operonie lac dużo wydajniej w

w operonie lac dużo wydajniej w

obecności specyficznego białka

obecności specyficznego białka

CAP

CAP

(catabolite gene activator protein),

(catabolite gene activator protein),

które musi być związane ze

które musi być związane ze

specyficznym miejscem DNA położonym

specyficznym miejscem DNA położonym

w pobliżu tzw.

w pobliżu tzw.

CBS

CBS

(CAP binding site).

(CAP binding site).



Białko CAP wiąże się z tym miejscem w

Białko CAP wiąże się z tym miejscem w

obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi

obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi

przy braku glukozy.

przy braku glukozy.

Glukoza działa represyjnie na

Glukoza działa represyjnie na

operon lac

operon lac



Hamuje syntezę cAMP

Hamuje syntezę cAMP



Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże

Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże

się z CBS,

się z CBS,



polimeraza RNA wiąże się z

polimeraza RNA wiąże się z

promotorem mniej wydajnie

promotorem mniej wydajnie



i synteza enzymów szlaku

i synteza enzymów szlaku

laktozowego zostaje spowolniona.

laktozowego zostaje spowolniona.

Istnieją więc trzy różne

Istnieją więc trzy różne

poziomy aktywności operonu

poziomy aktywności operonu

lac:

lac:



nieobecność laktozy: nie ma substratu,

nieobecność laktozy: nie ma substratu,

niepotrzebne są enzymy do katalizy

niepotrzebne są enzymy do katalizy

(represor lac jest połączony z operonem i

(represor lac jest połączony z operonem i

blokuje wiązanie się polimerazy RNA).

blokuje wiązanie się polimerazy RNA).



przy obecności laktozy, lecz braku glukozy:

przy obecności laktozy, lecz braku glukozy:

laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu

laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu

związanie się z operatorem, co z kolei

związanie się z operatorem, co z kolei

pozwala na przyłączenie polimerazy RNA

pozwala na przyłączenie polimerazy RNA



poziom cAMP

poziom cAMP



Operon lac

Operon lac



to przykład

to przykład

pozytywnej

pozytywnej

regulacji ekspresji

regulacji ekspresji

genów u

genów u

E.

E.

coli,

coli,



gdyż obecność substratu w

gdyż obecność substratu w

pożywce indukuje produkcję

pożywce indukuje produkcję

enzymów.

enzymów.

Inny model regulacji

Inny model regulacji

ekspresji genów u bakterii

ekspresji genów u bakterii



Represja - czyli zahamowanie

Represja - czyli zahamowanie

syntezy enzymów szlaku

syntezy enzymów szlaku

biosyntetycznego w odpowiedzi na

biosyntetycznego w odpowiedzi na

nadmiar końcowego produktu.

nadmiar końcowego produktu.



Przykładem operonu regulowanego w

Przykładem operonu regulowanego w

ten sposób jest

ten sposób jest

operon

operon

tryptofanowy

tryptofanowy

(trp).

(trp).

Operon ten zawiera pięć genów

Operon ten zawiera pięć genów

struktury (E,D,C,B,A) kodujących

struktury (E,D,C,B,A) kodujących

enzymy syntetyzujące tryptofan

enzymy syntetyzujące tryptofan



W obecności tryptofanu cząsteczka

W obecności tryptofanu cząsteczka

represora wiąże się z nim i zmienia

represora wiąże się z nim i zmienia

konformację, na taką która

konformację, na taką która

umożliwia związanie się z

umożliwia związanie się z

operatorem i zablokowanie syntezy

operatorem i zablokowanie syntezy

enzymów.

enzymów.



Jeżeli tryptofan jest nieobecny,

Jeżeli tryptofan jest nieobecny,

represor nie może związać się z

represor nie może związać się z

operatorem.

operatorem.

Dochodzi wtedy do przyłączenia

Dochodzi wtedy do przyłączenia

polimerazy RNA

polimerazy RNA

i syntezy enzymów, które

i syntezy enzymów, które

doprowadzą do syntezy tryptofanu.

doprowadzą do syntezy tryptofanu.

Atenuacja

Atenuacja



Komórki bakteryjne reagują nie

Komórki bakteryjne reagują nie

tylko na brak lub obecność

tylko na brak lub obecność

tryptofanu ale również na jego

tryptofanu ale również na jego

stężenie.

stężenie.



ATENUATORY transkrypcji-

ATENUATORY transkrypcji-

samodzielnie działające

samodzielnie działające

sekwencje, występujące na

sekwencje, występujące na

końcach jednostek transkrypcji.

końcach jednostek transkrypcji.



Kontrola transkrypcji tryptofanu

Kontrola transkrypcji tryptofanu

przez ATENUACJĘ czyli

przez ATENUACJĘ czyli

przedwczesną terminację

przedwczesną terminację

transkrypcji.

transkrypcji.



U

U

E. coli

E. coli

atenuatory występują w

atenuatory występują w

operonie tryptofanowym na

operonie tryptofanowym na

końcu genu A i na początku

końcu genu A i na początku

sekwencji liderowych genu E.

sekwencji liderowych genu E.



*Liczne cząsteczki tryptofanu

*Liczne cząsteczki tryptofanu

powodują zapętlenie liderowego

powodują zapętlenie liderowego

mRNA

mRNA



*Być może, że nadmiar tryptofanu

*Być może, że nadmiar tryptofanu

aktywuje swoiste białko

aktywuje swoiste białko

represorowe, które wiąże się z

represorowe, które wiąże się z

sekwencjami atenuacyjnymi i

sekwencjami atenuacyjnymi i

blokuje w ten sposób transkrypcję

blokuje w ten sposób transkrypcję

Atenuacja

Atenuacja

Atenuacja jest typem regulacji opartym na

Atenuacja jest typem regulacji opartym na

fakcie, że w organizmach prokariotycznych

fakcie, że w organizmach prokariotycznych

transkrypcja i translacja są procesami

transkrypcja i translacja są procesami

połączonymi.

połączonymi.

w operonie tryptofanowym poza

w operonie tryptofanowym poza

wspomnianymi już wcześniej genami operon

wspomnianymi już wcześniej genami operon

ten zawiera tzw. sekwencję liderową

ten zawiera tzw. sekwencję liderową



w obrębie której znajduje się region

w obrębie której znajduje się region

atenuatora kodujący polipeptyd

atenuatora kodujący polipeptyd

zawierający przy końcu kodony

zawierający przy końcu kodony

tryptofanu.

tryptofanu.



Jeżeli w komórce znajduje się dużo

Jeżeli w komórce znajduje się dużo

tryptofanu peptyd liderowy zostanie

tryptofanu peptyd liderowy zostanie

zsyntetyzowany.

zsyntetyzowany.



Natomiast przy braku tryptofanu nie

Natomiast przy braku tryptofanu nie

powstanie peptyd liderowy.

powstanie peptyd liderowy.



Jakie są tego rezultaty?

Jakie są tego rezultaty?



Synteza peptydu liderowego

Synteza peptydu liderowego

prowadzi do zahamowania

prowadzi do zahamowania

transkrypcji genów tryptofanowych.

transkrypcji genów tryptofanowych.