Regulacja funkcji genów cd.

System represji katabolicznej 

bakterii

(wg „Genomy”. TA Brown)

Cząsteczka  sygnalizacyjna  nie  oddziałuje 
bezpośrednio 

z 

czynnikiem 

transkrypcyjnym,  ale  wpływa  pośrednio 
na aktywność genomu.

W 

systemie 

RK 

zewnątrzkomórkowy 

poziom  glukozy  decyduje  o  tym,  czy 
operony  wykorzystania  innych  cukrów 
mają  być  włączone,  gdy  te  cukry  są 
obecne w podłożu.

W 1941 roku Jacques Monod odkrył zjawisko 
RK.

Wykazał  on,  że  jeśli  E.  coli  lub  B.  subtilis  są 
hodowane  w  obecności  mieszaniny  cukrów, 
to  najpierw  jest  metabolizowany  jeden 
cukier, a po jego zużyciu bakteria przestawia 
się na wykorzystywanie drugiego cukru.

Proces ten J. Monod nazwał diauksją.

Diauksję 

obserwowano 

w 

przypadku 

obecności w podłożu glukozy i laktozy.

Glukoza była wykorzystywana przez bakterie 
jako pierwsza.

20  lat  po  pierwszych  doświadczeniach 
Monoda  podjęto  szczegółowe  badania  nad 
zasadą działania operonu laktozowego.

Stwierdzono, że za diauksję między glukozą i 
laktozą  musi  odpowiadać  mechanizm,  w 
którym  obecność  glukozy  znosi  normalny 
induktywny  wpływ  wywierany  na  operon 
przez laktozę.

W  obecności  laktozy  i  glukozy  operon 
laktozowy  jest  wyłączony  (mimo,  że  część 
laktozy zostaje przekształcona do allolaktozy, 
która  wiąże  się  z  represorem  laktozy  i  w 
normalnych  warunkach  ten  operon  ulegałby 
transkrypcji).

Okazało  się,  że  glukoza  jest  związkiem 
sygnalizującym, 

który 

hamuje 

ekspresję 

operonu  laktozowego  oraz  innych  operonów 
wykorzystywania cukrów.

Hamowanie  odbywa  się  poprzez  pośredni 
wpływ na białko CAP.

Białko 

CAP 

wiąże 

się 

z 

określonymi 

sekwencjami  w  genomie  bakteryjnym  i 
aktywuje  inicjację  transkrypcji  leżących  w 
pobliżu promotorów.

Efektywna  inicjacja  transkrypcji  w  obrębie 
tych  promotorów  jest  zależna  od  obecności 
białka  CAP:  jeśli  białka  nie  ma,  to  geny 
będące  pod  jego  kontrolą  nie  ulegają 
transkrypcji.

Glukoza  nie  oddziałuje  bezpośrednio  z 
białkiem CAP.

Rola  glukozy  polega  na  tym,  że  kontroluje 
ona  poziom  w  komórce  zmodyfikowanego 
nukleotydu: cAMP.

Mianowicie,  glukoza  hamuje  aktywność 
cyklazy  adenylanowej,  która  syntetyzuje 
cAMP z ATP.

Czyli:  jeśli  poziom  glukozy  jest  wysoki, 
zawartość cAMP w komórce jest mała.

Białko  CAP  wiąże  się  ze  swoimi  miejscami 
docelowymi tylko w obecności cAMP.

Czyli:  w  obecności  glukozy  białko  CAP 
pozostaje 

nie 

związane, 

a 

operony 

kontrolowane przez CAP są wyłączone.

W  przypadku  diauksji  dla  glukozy  i  laktozy: 
gdy  glukoza  zostanie  zużyta,  wzrasta  poziom 
cAMP,  białko  CAP  wiąże  się  ze  swoimi 
sekwencjami  docelowymi  (m.in.  z  sekwencją 
leżącą  przed  operonem  laktozowym)  i  geny 
operonu laktozowego ulegają aktywacji.

Atenuacja

(wg Genetyka molekularna. P Węgleński)

Terminatory  transkrypcji  wykazują  różny 
stopień efektywności.

Istnieją  terminatory,  których  efektywność 
jest  regulowana  w  zależności  od  potrzeb 
komórki 

bakteryjnej 

(atenuacja) 

czy 

programu 

rozwoju 

wirusa 

bakteryjnego 

(antyterminacja).

Wiele  operonów  biosyntezy  aminokwasów 
podlega regulacji przez atenuację.

Atenuacja  to  mechanizm,  który  uzależnia 
biosyntezę 

aminokwasów 

od 

zniesienia 

sygnału terminacji dla polimerazy RNA.

Atenuator 

(czyli 

niezależny 

od 

Rho 

terminator)  leży  między  promotorem  a 
zespołem  genów  kodujących  enzymy  szlaku 
biosyntezy aminokwasu.

Istota  mechanizmu  kontrolnego  polega  na 
dostosowaniu 

syntezy 

aminokwasu 

do 

wewnątrzkomórkowego  stężenia  aminoacylo-
tRNA:

-gdy  aminoacylo-tRNA  jest  dostępny,  synteza 
ulega zahamowaniu,

-gdy 

aminoacylo-tRNA 

zostanie 

zużyty, 

synteza aminokwasu ulega wznowieniu.

Charles Yanofsky z Uniwersytetu Stanforda 
przyczynił się do  wyjaśnienia mechanizmu 
molekularnego atenuacji.

Stwierdzono, że w tzw. rejonie liderowym 
znajdującym się między promotorem a 
pierwszym genem strukturalnym każdego 
operonu, występują tandemowo co najmniej 2 
kodony dla tego aminokwasu, którego syntezie 
dany operon służy.

Np. w rejonie liderowym operonu syntezy 
tryptofanu trpL występują obok siebie 2 kodony 
tryptofanowe UGG. 

Powstała 

hipoteza, 

że 

mRNA 

rejonu 

liderowego  ulega  translacji  i  że  -  gdy  brak   
tryptofanylo-tRNA  –  zatrzymanie  rybosomu 
na  kodonach  tryptofanowych  pozwala  tej 
części  mRNA,  która  się  przed  nim  znajduje, 
na  wytworzenie  struktury  drugorzędowej 
uniemożliwiającej  powstanie  „szpilki  do 
włosów” – sygnału terminacji transkrypcji.

Czyli: 

-atenuator 

(w 

odróżnieniu 

od 

innych 

terminatorów)  jest  elementem  regulacji 
transkrypcji;

-atenuacja  z  kolei  to  mechanizm  oparty  na 
przedwczesnej terminacji transkrypcji, który 
pozwala 

na 

dostosowanie 

niektórych 

procesów biosyntezy do potrzeb komórki.

W ekspresji operonu syntezy tryptofanu:

atenuacja  nakłada  się  na  regulację 

inicjacji 

transkrypcji opartą na represji.

Nadmiar  tryptofanu  (końcowego  produktu 
szlaku  metabolicznego)  aktywuje  swoiste 
dla  niego  białko  represorowe,  które 
wiążąc 

się 

z 

sekwencją 

operatora 

(wewnątrz promotora trp) blokuje inicjację 
transkrypcji.

Czyli:  jest  to  przykład  regulacji  w  wyniku 
ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Współpraca  w/w  mechanizmów  prowadzi 
do bardzo wysokiej efektywności.