Регуляция
Экспрессия гена — это процесс, в ходе которого наследственная информация реализуется в виде молекулы РНК или белка. У бактерий экспрессия генов регулируется разными способами. Во-первых, транскрипция гена может проходить с разной интенсивностью. Во-вторых, на количество синтезируемого белка влияет время жизни мРНК этого белка и то, насколько активно транслируется мРНК рибосомами. В-третьих, определенные последовательности РНК могут образовывать альтернативные вторичные структуры, которые могут вызывать терминацию транскрипции или не допускать присоединение рибосомы для трансляции. Вам представлены схемы регуляции синтеза некоторых белков в клетке.
Пояснения: лиганд — молекула, образующая комплекс с некоторым белком; шпилька-терминатор — вторичная структура РНК, которая, сформировавшись сразу позади РНКполимеразы, заставляет ее диссоциировать, что приводит к окончанию (терминации) транскрипции; промотор — последовательность ДНК, узнаваемая РНКполимеразой, как площадка для старта транскрипции; оперон — участок ДНК, транскрибируемый за один раз (может включать в себя несколько генов белков, участвующих в одном метаболическом пути).
Вопрос 1. Разберитесь в механизмах регуляции, представленных на схемах. Какие из перечисленных ниже белков регулируются каким способом? Обоснуйте свой ответ.
А. Специальная сигма-субъединица бактериальной РНК-полимеразы, узнающая промоторы генов белковшаперонов. Шапероны участвуют в процессе формирования правильной пространственной структуры белков. У разных генов промоторы отличаются, и группа генов белков-шаперонов не узнается обычной сигма-субъединицей РНК-полимеразы.
Б. Группа ферментов пути биосинтеза аминокислоты.
В. Группа ферментов, осуществляющих катаболизм дисахарида.
1В Экспрессия гена запускается при наличии лиганда. Значит, белки являются ферментами, которые каким-то образом уменьшают количество лиганда. То есть это может быть группа ферментов, расщепляющих дисахарид (лиганд для белка-репрессора).
2Б В этом случае экспрессия гена останавливается, если лиганд присутствует в клетке. На схеме показано, что лиганд – продукт работы белков, то есть его синтез катализируется этими белками. Таким образом, это может быть группа ферментов биосинтеза аминокислоты.
3А Из схемы видно, что при температуре 37о рибосома не может взаимодействовать с мРНК, а при повышенной температуре участок вторичной структуры мРНК расплетается и рибосома может начать трансляцию. Значит, это мРНК белка, который регулирует ответ клетки на повышение температуры. Одним из таких ответов является синтез белков-шаперонов.
4Б Из схемы видно, что вещество Х входит в состав полипептидной цепи. Поэтому Х — это аминокислота, а в данном опероне закодированы белки группы ферментов пути биосинтеза аминокислоты.
Вопрос 2. В чем преимущества регуляции экспрессии генов на уровне транскрипции, а в чем — в регуляции экспрессии на уровне трансляции? Подытожьте, когда клетке выгоднее использовать какой способ.
Преимущества регуляции на уровне транскрипции
На уровне транскрипции можно регулировать содержание белка в бактерии в широком диапазоне — от нулевого до очень высокого (каждый ген может транскрибироваться много раз подряд, и каждая мРНК может транслироваться по нескольку раз). (Амплитуда сигнала)
Экономия субстратов и энергии, так как не надо запасать мРНК
Можно использовать для регуляции комбинацию репрессора и активатора (как в случае лактозного оперона).
Преимущества регуляции на уровне трансляции
В случае регуляции на уровне трансляции можно очень быстро добиться появления нового белка в клетке (не нужно ждать транскрипции).
Кроме того, регуляция на уровне транскрипции подразумевает постоянное наличие в клетке белкарепрессора (активатора), тогда как для регуляции на уровне трансляции можно обойтись только специальным регуляторным участком на мРНК
Когда клетке выгоднее использовать какой способ?
на уровне транскрипции
Для генов, кодирующих рРНК, тРНК
Если продукт генов требуется клетке не часто (если продукт нужен клетке при определенных изменениях внешней среды)
на уровне трансляции
Для реакции клетки на изменение температуры (использование вторичной структуры мРНК в качестве «термометра», схема 3)
Если есть небольшой лиганд, который может узнаваться вторичной структурой РНК (рибопереключатели, регулирующие инициацию трансляции)
Для сбалансированного синтеза разных компонентов рибосомы (если недостаточно рРНК, рибосомные белки репрессируют собственную трансляцию)
Как дополнение к регуляции на уровне транскрипции для более точного контроля.