ОПЕРОН

Оперон — единица генетического материала, состоящая из одного или нескольких функционально связанных структурных генов, проявление к-рых имеет общую регуляцию. Наиболее детально изучены Опероны, контролирующие у Escherichia coli и Salmonella typhimurium обмен лактозы, галактозы, арабинозы, биосинтез гистидина, лейцина, триптофана. В состав этих Оперонов входит от 3 (лактозный и галактозный Опероны) до 15 генов (гистидиновый Оперон).

В начале 20 в. микробиологами было обнаружено, что при выращивании дрожжей на среде, содержащей лактозу, в клетках индуцируется синтез фермента, катализирующего ее расщепление. Позднее способность различных веществ индуцировать синтез соответствующих ферментов была установлена у разных организмов. Помимо индукции, было обнаружено явление репрессии, при к-ром наблюдается подавление синтеза определенного фермента (напр., триптофансинтетазы) в результате образования избыточного количества продукта ферментативной реакции (в данном случае — триптофана).

Взаимосвязь между репрессией и индукцией ферментов прояснилась в результате генетических исследований, проведенных Ф. Жакобом и Моно (J. L. Monod) в 1961 г. Ими было показано, что в результате единичной мутации (см.) клетки Escherichia coli K12 утрачивают способность увеличивать синтез ферментов, участвующих в обмене лактозы, под действием специфических индукторов (в данном случае лактозы). При этом мутация влияла лишь на регуляторную функцию, способность мутантных клеток синтезировать нормальный фермент бета-галактозидазу) сохранялась. Более подробные исследования позволили установить, что ген-регулятор (i) в отличие от структурных генов (z, y, a) может располагаться в другом месте хромосомы Escherichia coli, тогда как структурные гены, кодирующие синтез метаболически связанных между собой белков бактерий, расположены на хромосоме линейно и взаимосвязаны. Так, в лактозном опероне Escherichia coli, контролирующем обмен лактозы (Zac-оперон, Zac-область), имеются три структурных гена, контролирующих синтез трех белков: ген z контролирует синтез бета-галактозидазы, ген у — бета-галактозидпермеазы и ген а — бета-галактозидтрансацетилазы. Мутации в структурных генах ведут к потере биол, активности контролируемых ими белков, тогда как мутации в других локусах, обозначаемых как «о» и «i», приводят к появлению мутантов, синтезирующих постоянно, вне зависимости от присутствия или отсутствия индукторов, большие количества ферментов. Такие мутации получили название конститутивных. Конститутивные мутанты (о^с и i^-) практически синтезируют такие же количества ферментов, как и нормальные клетки (о⁺ и i⁺) после индуцирования синтеза этих ферментов соответствующими веществами.

Изучение различных мутантных диплоидов позволило Ф. Жакобу и Ж. Моно предположить, что ген-регулятор управляет структурными генами посредством синтеза специфического цитоплазматического бел-ка-репрессора и поэтому синтез ферментов, контролируемый этими структурными генами, не должен зависеть от положения гена-регулятора на хромосоме относительно структурных генов. Генетический анализ (см.) подтвердил это предположение. Бактериальные гены гаплоидны. Если в конститутивный мутант ввести посредством конъюгации плазмиду, содержащую lac-область, то возникнет штамм бактерий, частично диплоидных по Zac-области и соответственно имеющих различные аллели регуляторных генов (мерозигота). В мерозиготах, диплоидных по генам i⁺ и z^- хромосомы бактерии и генам i^- и z⁺ плазмиды, или ^- z⁺/i⁺ z^-, нормальный индуцибильный аллель доминантен, т. е. ген i⁺ независимо от того, находится ли он в хромосоме или в составе плазмиды, контролирует работу структурного гена.

На основе полученных экспериментальных данных Ф. Жакоб и Ж. Моно предложили схему генетической регуляции синтеза белка. Активность О. регулируется специальной группой белков-репрессоров — продуктов регуляторного гена. Репрессор, связываясь с определенным участком ДНК (оператором), предотвращает образование информационной РНК и соответственно блокирует синтез ферментов, кодируемый этим О. Функционально-активный репрессор представляет собой аллостерический белок, способный изменять свои биол, свойства при соединении с различными специфическими молекулами и содержащий два участка: один из них должен иметь сродство к месту связывания репрессора с участком-оператором на ДНК, а второй — специфично связывать индуктор или корепрессор. Индуктор (часто им является субстрат первого фермента специализированного Оперона), соединяясь с репрессором, инактивирует его биологическую активность. Для Zac-оперона, помимо природных индукторов (лактозы), установлено существование более эффективных индукторов, напр, изопропилтиогалактозида, метилтиогалактозида и др.

Ферменты, синтез которых подавляется продуктами данного О., получили название репрессируемых ферментов. Ген-регулятор в таких О. контролирует синтез неактивного репрессора (апорепрессора), который становится активным лишь после связывания с определенным хим. соединением, являющимся репрессирующим метаболитом и получившим название корепрессора (эффектора). Так, напр., для ферментов, участвующих в синтезе гистидина, конечным продуктом цепи ферментативных реакций является гистидин. При увеличении его количества выше оптимального гистидин выступает в качестве корепрессора, активируя репрессор, в результате деятельности к-рого тормозится синтез ферментов, катализирующих биосинтез гистидина.

Несколько генетических репрессоров получено в высокоочищенном состоянии. Установлено, что они представляют собой олигомерные белки. Так, /йс-репрессор является полипептидом с мол. весом (массой) 38 000 и легко агрегирует, образуя тетрамер с мол. весом (массой) 155 000. Выделены репрессоры, участвующие в регуляции галактозного и триптофанового Оперона, в расщеплении гистидина у Salmonella typhimurium, а также репрессор синтеза белков фага к и ряд других.

С помощью генетического анализа удалось установить, что конститутивные мутанты делятся на два класса: в первом классе таких мутантов мутацией затронуты регуляторные гены (i-), а во втором — участок в структуре О., с к-рым связывается репрессор, названный оператором. Эксперименты показали, что оператор локализован на проксимальном конце О. и представлен двунитчатой нуклеотидной последовательностью, состоящей, напр., в lacс-опероне Escherichia coli из 21 азотистого основания. Репрессор, взаимодействуя с оператором, предотвращает транскрипцию оперона РНК-полимеразой (см. Транскрипция). Ранее синтезированная информационная РНК быстро разрушается, и синтез соответствующих белков прекращается. В случае конститутивной мутации, связанной с оператором (o^c), О. не регулируется репрессором, т. к. репрессор не может связаться с измененным в результате мутации оператором. Последовательность нуклеотидов в Zac-опероне определена, более того — осуществлен его хим. синтез.

Перед оператором располагается участок молекулы ДНК, так наз. промотор, представляющий собой нуклеотидную последовательность, с к-рой связывается РНК-полимераза. Разные промоторы с различной скоростью инициируют синтез информационной РНК. Первичные нуклеотидные последовательности нескольких промоторов определены. Было установлено, что РНК-полимераза "узнает" третичную структуру в ДНК. Нуклеотидная последовательность промоторов содержит симметричные элементы, состоящие из двух основных участков: первый — для связывания с РНК-полимеразой, второй — участвующий в регуляции катаболической репрессии. Репрессия этого типа вызывается повышением концентрации одного из продуктов расщепления (катаболизма) исходного источника энергии (глюкозы) внутри клетки. Такой катаболит снижает содержание циклического 3', 5'-АМФ, к-рый стимулирует синтез информационной РНК при связывании с белком, активирующим катаболитный ген. Промотор может связывать несколько молекул РНК-полимеразы, число участков связывания является индивидуальной характеристикой каждого промотора.

Темп транскрипции (синтеза информационной РНК) в конкретном О. определяется двумя параметрами: частотой инициации транскрипции и скоростью транскрипции. Нек-рые Опероны в добавление к имеющемуся про-моторному участку, прилегающему к оператору, имеют экстрарегуляторный локус; между структурными генами найдены экстрапромоторы. Поскольку такие промоторы не связаны с О., возможна нек-рая транскрипция информационной РНК с матрицы поздних генов, несмотря на то что О. репрессирован.

Когда оператор находится в открытом состоянии, РНК-полимераза инициирует синтез полицистронной информационной РНК (см. Цистрон) со структурных генов, входящих в данный О. Однако в ряде случаев синтезируемая информационная РНК нек-рых О. может не достигать нормальной длины. Этот эффект связан с наличием в молекуле соответствующей ДНК особых ослабляющих нуклеотидных последовательностей, так наз. аттенуаторов, на к-рых РНК-полимераза прекращает транскрипцию, и соответственно активность О. не проявляется (напр., у триптофанового оперона Escherichia coli). Предполагают, что существует особый регулятор, способствующий прохождению РНК-полимеразы через аттенуатор.

Т. о., помимо описанных основных механизмов регуляции генной активности посредством положительного контроля индукции и репрессии, существуют и другие механизмы регуляции, многие из к-рых пока полностью не ясны. Совершенно не выясненным остается механизм регуляции генной активности у высших организмов. Имеющиеся данные позволяют предположить участие в процессах регуляции генной активности у таких организмов механизмов индукции и репрессии. В качестве индукторов и корепрессоров у них описаны различные стероидные гормоны и нек-рые аминокислоты. Активность таких индукторов (апоиндукторов) проявляется при связывании с высокоспецифичными белковыми рецепторами. Учитывая, что каждая клетка эукариотов содержит все гены данного организма, из к-рых функционируют только 1—3%, процесс регуляции активности генов у эукариотов более сложен, чем у бактерий. Более того, установлено, что большинство изученных структурных генов эукариотов, помимо кодирующих последовательностей для белков (эксонов), имеют нетранслируемые участки (интроны). Количество и длина интронов у разных генов различны и могут превышать количество и длину эксонов. Установлено, что у нек-рых белков синтез одной полипептидной цепи может кодироваться несколькими участками ДНК, расположенньши в разных частях хромосомы (напр., у иммуноглобулинов).

См. также Бактерии, генетика.

Библиография: Бреслер С.Е. Молекулярная биология, с. 530 и др., Л., 1973; Георгиев Г. П. Организация генетического материала в животных клетках, Журн. Всесоюз, хим. об-ва, т. 20, № 3, с. 242, 1975, библиогр.; Молекулярная биология, под ред. А. Е. Браунштейна, М., 1964; Уотсон Дж. Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1978; Gene expression, ed. by B. Lewin, v. 1, L., 1975; Gilbert W., Maisels N. a. Maxam A. Sequences of controlling regions of the lactose operon, Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol., v. 38, p. 845, 1974; Jacob F. a. Monod J. Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins, J. molec. Biol., v. 3, p. 318, 1961; The lactose operon, ed. by J. R. Beckwith a. D. Zipser, N. Y., 1970.

С. И. Городецкий.