Понятие оперона. Оперон - это что такое? Позитивно действующие элементы

участок ДНК, транскрипция которого осуществляется на одну молекулу информационной РНК под контролем одного специального белка-регулятора. Концепция оперона была предложена в 1961 г. Ф. Жакобом и Ж. Мано для объяснения механизма «включения» и «выключения» генов в зависимости от потребности клетки прокариотического организма в веществах, синтез которых контролируют эти гены. Дальнейшие эксперименты позволили дополнить эту концепцию, а также подтвердили, что оперонная регуляция (т. е. регуляция на уровне транскрипции) является основным механизмом регуляции активности генов у прокариот и ряда вирусов.

В состав оперона прокариот входят структурные гены и регуляторные элементы (не путать с геном-регулятором). Структурные гены кодируют белки, осуществляющие последовательно этапы биосинтеза какого-либо вещества. Этих генов может быть один, два или несколько. Они тесно сцеплены друг с другом и, что самое главное, в ходе транскрипции работают как один единый ген: на них синтезируется одна общая молекула иРНК, которая лишь потом расщепляется на несколько иРНК, соответствующих отдельным генам. Регуляторными элементами являются следующие:

Промотор - участок связывания фермента, осуществляющего транскрипцию ДНК - РНК-полимеразы. Является местом начала транскрипции. Представляет собой короткую последовательность из нескольких десятков нуклеотидов ДНК, с которой специфически связывается РНК-полимераза. Кроме того, промотор определяет, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза иРНК;

Оператор - участок связывания регуляторного белка;

Терминатор - участок в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции.

На работу оператора данного оперона влияет самостоятельный ген-регулятор, синтезирующий соответствующий регуляторный белок. Этот ген не обязательно располагается рядом с опероном. Кроме того, один регулятор может регулировать транскрипцию нескольких оперонов. Ген-регулятор также имеет собственный промотор и терминатор. Регуляторные белки бывают двух типов: белок-репрессор или белок-активатор. Они присоединяются к специфическим нуклеотидным последовательностям ДНК оператора, что либо препятствует транскрипции генов (негативная, отрицательная регуляция), либо способствует ей (позитивная, положительная регуляция); механизмы их работы противоположны. Кроме того, на работу белков-репрессоров могут влиять вещества - эффекторы: соединяясь с репрессором, они влияют на его взаимодействие с оператором.

У эукариот транскрипция осуществляется с участков, подобных оперонам прокариот и также состоящих из регуляторных и структурных генов, однако у оперонов эукариот имеется ряд особенностей.

1. В состав оперона эукариот входит лишь один структурный ген (а не несколько - как у прокариот).

2. Оперон эукариот почти всегда содержит только структурный ген, а прочие гены разбросаны по хромосоме или даже по разным хромосомам.

3. Оперон эукариот состоит из чередующихся друг с другом значащих (экзонов) и незначащих (интронов) участков. При транскрипции вчитываются как экзоны, так и интроны, а затем в ходе процессинга происходит вырезание интронов (сплайсинг). У эукариот механизмы регуляции активности отдельных генов и генома в целом довольно сложны, и рассмотрение этих вопросов выходит далеко за рамки школьного курса биологии.

Модель оперона была впервые предложена Ж. Моно и Ф. Жакобом. В 1961 г. они исследовали процессы, связанные с развитием клеток кишечной палочки. В частности изучались механизмы контроля участков ДНК, кодирующих

Описание

Моно и Жакоб предложили схему координированного контроля деятельности структурных участков ДНК. Ученые дали ей название "оперон". Принцип работы схемы следующий. Транскрипция группы участков ДНК, кодирующих полипептидов, тесно связанных друг с другом функционально, контролируется двумя элементами. Первым является регулятор, а вторым - оператор. Последний представлен последовательностью нуклеотидов, примыкающих к контролируемым структурным участкам. Если в качестве продукта регулятора выступает белок-компрессор, то его присоединение к оператору будет блокировать транскрипцию звеньев ДНК. Это, в свою очередь, является предпосылкой для формирования стерических препятствий для соединения РНК-полимеразы со специфичным участком-промотором. Последний необходим для инициации транскрипции. Иное развитие событий будет в случае, если в качестве регулятора выступает апоиндуктор. В этой ситуации его соединение с оператором создаст условия для транскрипции.

Специфика

Оперон - это последовательность ДНК, которая состоит из тесно сцепленных кодирующих участков, промотора и оператора. Контролирующий элемент может располагаться рядом с ней или на определенном расстоянии от нее. Оператор зачастую находится между структурными участками и промотором. Существуют низкомолекулярные вещества, которыми может контролироваться оперон. Это, в частности, эффекторы, которые являются индукторами или крепрессорами структурных участков, включенных в схему.

Классификация

Бывает индуцируемый или репрессируемый оперон. Это зависит от характера влияния на их деятельность молекул-эффекторов. У индуцируемых структур он присоединяется к репрессору, блокируя связывание с оператором. Соответственно, возникают препятствия для транскрипции структурных участков. Такая называется негативной. Вместе с тем индуцируемые структуры могут быть под позитивным контролем. В этом случае эффектор связывается с регуляторной белковой молекулой, активизируя ее апоиндуктор. Присоединяясь к оператору, он обеспечивает возможность транскрипции. Эти типы контроля действуют и по отношении репрессируемых структур. Если регуляция негативная, эффектор, выступающий как корепрессор, соединяется с неактивным репрессором и активирует его. В итоге последний получает способность стыковаться с оператором, блокируя тем самым транскрипцию. Если контроль позитивный, связывание происходит с активным апоиндуктором. Этот комплекс не может соединяться с оператором. Соответственно, структурные участки не транскрибируются.

Выводы

При негативном контроле, таким образом, эффектор соединяется с репрессором, вызывая инактивацию или активацию. Соответственно, индуцируется либо репрессируется транскрипция оперона. В случае позитивного контроля присоединение осуществляется к апоиндуктору. Этот процесс блокирует или разрешает транскрипцию. Результат зависит от формы, которую приобретает апоиндуктор при присоединении к эффектору.

Строение оперона E.coli

У кишечной палочки есть структура, обладающая способностью к сбраживанию молочного сахара. В нее входит промотор, оператор и три структурных участка ДНК. Кодированию подвергаются ферменты генгалактозидаза, галактозидпермеаза, тиогалактозидтрансацетилаза. Для каждого из них существует свой ген. Оперон включает в себя участки lac Z, lac А, lac Y. Первый кодирует генгалактозидазу, катализирующую молочный сахар до глюкозы и галактозы. Lac Y взаимодействует с галактозидпермеазой. обеспечивает транспорт разных сахаров. Lac А кодирует тиогалактозидтрансацетилазу. Ее роль, однако, в процессе утилизации молочного сахара не ясна. Как правило, все белки находятся в клетках кишечной палочки в следовых количествах. Но при выращивании ее в среде, где в качестве единственного источника энергии и углерода выступает лактоза, число ферментов вырастает в 1000 раз.

Конститутивный синтез

Лактозный оперон включает в себя структурный участок lac 1. Им кодируется белок-репрессор. В активном состоянии он представляет собой тетрамер, который сформирован из четырех копий участка lac 1 - полипептидами, включающими в себя 360 аминокислот. Клетки с изменениями в этом гене конститутивны по синтезу белков, кодируемых lac Z, Y и A. При этом такая ситуация возможна при наличии мутаций не только в репрессоре, но и в операторе. Такие изменения всегда являются цис-доминантными. Это связано с тем, что оператор, в отличие от репрессора, может оказывать влияние на возможность транскрипции только в том случае, если располагается в непосредственной близости от промотора. Если в клетке присутствует индуцированные соединения, они вступают с оператором в конкуренцию за молекулы репрессора.

Индукторы

Ими могут являться разные соединения. Молочный сахар выступает одновременно и как индуктор, и как субстрат. В нормальных клетках и при отсутствии индуцированных соединений остаточная активность ферментов обеспечивает возможность проникновения лактозы в минимальных количествах. В результате каталитической реакции молочный сахар трансформируется в аллолактозу. Он, в свою очередь, связывается с репрессором и провоцирует его отсоединение от оператора. Это позволяет РНК-полимеразе состыковаться с промотором. В результате запускается транскрипция lac Z, A и Y. Соединениями, выступающими только как индукторы, являются ИПТГ и ТМГ, используемые для изучения контроля лактозного оперона.

Позитивно действующие элементы

Их выявление обуславливается диауксией. Суть этого феномена в том, что утилизация молочного сахара начинается только после использования всей имеющейся в среде глюкозы. Диауксия - одно из проявлений катаболитной репрессии. Этот глюкозный эффект известен с 40-х гг. прошлого века. Он выражается в неспособности кишечной палочки катаболизировать разные углеводы в присутствии глюкозы. Она, в свою очередь, выступает как более эффективный источник энергии.

Механизм эффекта

Его смогли расшифровать Пастан и Перлман. Они обнаружили два элемента, которыми транскрибируется lac-оперон. Это небольшая молекула-эффектор - цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) и белок-активатор катаболизма САР. У эукариот первый выступает в качестве медиатора действия гормонов. Выяснилось, что при добавлении цАМФ к клеткам кишечной палочки, растущим в среде с присутствием глюкозы, их скорость замедляется, но при этом снимается катаболическая репрессия. Это, в свою очередь, обуславливает возможность экспрессии lac-оперона при одновременном присутствии лактозы и глюкозы. Спустя некоторое время была выявлена обратная зависимость. Активность фермента, синтезирующего цАМФ, подавляется глюкозой.

Заключение

Транскрипция оперона находится под двойным контролем - негативным и позитивным. Комплекс САР-цАМФ дает возможность РНК-полимеразе соединиться с матричной ДНК до начала процесса. В настоящее время учеными расшифрована полная нуклеотидная цепь регуляторной области lac-оперона, в которой присутствует оператор и промотор. Более того, в 1969 г. была выделена его чистая ДНК, содержащая фрагмент lac 1, полностью промоторная и операторная последовательности, lac Z и фрагмент lac Y. При исследовании было установлено, что значительная роль во взаимодействии мультимерных белков с ДНК принадлежит симметричным структурам - палиндромам. В операторе lac-оперона их присутствует 26. При этом 14 из них отличаются специфичностью. В разных цепях они читаются одинаково, но в противоположном направлении. Палиндром выявлен и в участке промотора, взаимодействующем с комплексом САР-цАМФ.

Оперон - способ организации генетического материала у прокариот, при котором цистроны (гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки, объединяются под одним (или несколькими) промоторами. Такая функциональная организация позволяет эффективнее регулировать экспрессию (транскрипцию) этих генов.

Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Жакоб и Моно, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.

Опероны по количеству цистронов классифицируют на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).

Оператор - участок связывания регуляторного белка;

Терминатор - участок в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции.

1. В состав оперона эукариот входит лишь один структурный ген (а не несколько - как у прокариот).

Характерным примером оперонной организации генома прокариот является лактозный оперон, или lac оперон. Начинается и заканчивается оперон регуляторными областями - промотором в начале и терминатором в конце, кроме этого, каждый отдельный цистрон может иметь в своей структуре собственный промотор и/или терминатор.

Оперон - функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны (гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним (или несколькими) промоторами. Опероны по количеству цистронов делят на моно -, олиго - и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).

Ген регулятор –/ Промотор – Оператор – Аттеньюитор (может прекратить считывание до начала транскрипции) – Терминатор. \

Начинается и заканчивается оперон регуляторными областями - промотором в начале и терминатором в конце, кроме этого, каждый отдельный цистрон может иметь в своей структуре собственный промотор и/или терминатор.

14. Молекулярные механизмы транскрипции у прокариот. Фазы транскрипции .

Транскрипцией называется перенос информации с двух-цепочечной молекулы ДНК на одноцепочечные молекулы РНК. Матрицей для синтеза РНК служит только одна цепь ДНК, называемая смысловой цепью. Транскрипция проходит 4 стадии:1 - связывания ДНК-матрицы; 2 – инициации;3 – элонгации;4 - терминации;

В рамках каждой из этих стадий осуществляются определенные функции мультимолекулярного ферментного комплекса - РНК-полимеразы.

Собственно РНК-полимеразная активность, т. е. образование фосфодиэфирных связей с нуклеотидами, комплементарными матрице, свойственна так называемому минимальному ферменту; таким образом, холофермент РНК-полимеразы может быть разделен на минимальный фермент α2ββ’ иσ - фактор. Инициацию синтеза РНК осуществляет только холофермент, затем σ- фактор диссоциирует и минимальный фермент ведет элонгацию.Основная функция σ - фактора - узнавание промоторов и обеспечение прочного связывания РНК-полимеразы с промоторами. Существуют минорные разновидности σ -фактора, узнающие определенные группы промоторов.

Активным центром РНК-полимеразы является полуфермент РНК-полимеразы состоящий из:1 – сигма фактора (отсоединяется);2 – минимального фермента.

15. Регуляция работы оперона по типу репрессии и индукции .

Механизмы репрессии и активации транскрипции.Белки, подавляющие транскрипцию, называются – репрессорами.Если белок усиливает транскрипцию путем уменьшения активности репрессора, он называется – индуктором.Если транскрипция активируется непосредственно, без участия репрессора, белок называется - активатором.Участки связывания репрессора или активатора на ДНК называются – операторами.Единица транскрипции, находящаяся под контролем данного оператора, - опероном(у прокариот это, как правило, несколько генов, регулируемых параллельно транскрипции.Механизмы репрессии и активации транскрипции: Простейший механизм репрессии - связывание репрессора с промоторной областью, т. е. перекрывание промотора и оператора. В этом случае инициации транскрипции не происходит, поскольку участок связывания РНК-полимеразы уже занят репрессором. Простейший механизм активации - образование комплекса активатора и РНК-полимеразы, что облегчает формирование открытого комплекса на матрице ДНК.

16. Структурная организация транскриптона .+

17. Функционирование транскриптона =

Синтез молекул РНК начинается в определенных местах ДНК, называемых промоторами, и завершается в терминаторах. Участок ДНК, ограниченный промотором и терминатором, представляет собой единицу транскрипции (Lewin B., 1980) - транскриптон. В пределах каждого транскриптона копируется только одна из двух нитей ДНК, которая называется значащей или матричной. Во всех транскриптонах, считываемых в одном направлении, значащей является одна нить ДНК; в транскриптонах, считываемых в противоположном направлении, значащей является другая нить ДНК. Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК, а могут и перекрываться, в частности так, что в пределах участка перекрывания матричными оказываются обе нити. Разбиение ДНК на множество транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов, их индивидуального включения и выключения. У эукариот в состав транскриптона, как правило, входит только один ген.Термины "транскрипционная единица" или "транскриптон" по смыслу близки термину "ген", но они не всегда совпадают. Так, транскрипционные единицы прокариот, как правило, заключают в себе генетическую информацию нескольких генов и называются оперонами. Продуктами транскрипции оперонов являются полицистронные мРНК, в результате трансляции которых рибосомами образуется несколько белков. Белки, кодируемые полицистронными мРНК, обычно функционально связаны друг с другом и обеспечивают протекание какого-либо метаболического процесса, например, биосинтеза определенной аминокислоты или утилизацию углеводов в качестве источника углерода. Организация генов в виде оперонов облегчает координированную регуляцию их экспрессии на уровне транскрипции. Согласованная регуляция транскрипции (и других этапов экспрессии) многих генов, не образующих одного оперона, чаще всего осуществляется специфическими белками-регуляторами, которые взаимодействуют с гомологичными регуляторными нуклеотидными последовательностями, маркирующими гены данной группы.

18. Процессинг .- Процессинг – процесс созревания молекулы иРНК, сопровождающийся удалением интронов (участки не несущие информацию о последовательности аминокислот в синтезируемом белке) и сращиванием (сплайсингом) экзонов.

Длина созревшей и направляющейся к рибосомам молекулы иРНК оказывается короче первоначальной и эту РНК называют мРНК (матричной).

У прокариот процессинг отсутствует.

Исследование механизмов регуляции генов, кодирующих утилизацию молочного сахара лактозы у E.coli , позволило Ф. Жакобу и Ж. Моно (1961) предложить модель координированного контроля работы структурных генов, известную какмодель оперона. Согласно этой модели в ее нынешнем виде, транскрипция группы структурных генов, кодирующих полипептиды, тесно связанные между собой функционально, регулируется двумя контролирующими элементами – геном-регулятором и оператором. Последний представляет собой последовательность нуклеотидов, примыкающую к регулируемым структурным генам. Если продуктом гена-регулятора являетсябелок-компрессор, его присоединение к оператору блокирует транскрипцию структурных генов, создавая стерические препятствия для присоединения РНК-полимеразы к специфичному участку-промотору, необходимому для инициации транскрипции. Напротив, если белком-регулятором служитактивный апоиндуктор , его присоединение к оператору создает условия для инициации транскрипции. Оператор часто локализуется между промотором и структурными генами.Последовательность ДНК, состоящая из тесно сцепленных структурных генов, оператора и промотора, и образующая единицу генетической регуляции, называется опероном . Ген-регулятор может локализоваться рядом с опероном или на расстоянии от него. В регуляции работы оперонов участвуют также низкомолекулярные вещества– эффекторы , выступающие как индукторы либо корепрессоры структурных генов, входящих в состав оперонов.

Различают индуцируемые и репрессируемые опероны в зависимости от типа влияния на их работу молекул– эффекторов. У индуцируемых оперонов эффектор присоединяется к белку-репрессору и блокирует его связывание с оператором, препятствуя транскрипции структурных генов. Такой тип регуляции работы оперона называютнегативным . Наряду с этим, индуцируемые опероны могут находиться под позитивным контролем регуляции, при котором эффектор связывается с регуляторным белком и активизирует его активный апоиндуктор присоединяется к оператору, что обеспечивает возможность транскрипции оперона. Оба типа контроля регуляции действуют и в отношении репрессируемых оперонов. При негативном контроле эффектор, являющийся корепрессором, присоединяется к неактивному репрессору и активирует его. В результате репрессор приобретает способность присоединяться к оператору и тем самым блокировать транскрипцию оперона. При позитивном контроле функционирования репрессируемого оперона корепрессор связывается с активным апоиндуктором. Такой комплекс не может присоединяться к оператору, и структурные гены не транскрибируются.

Таким образом, при негативном контроле эффектор связывается с репрессором, что приводит к его инактивации либо активации и соответственно индуцирует либо репрессирует транскрипцию оперона. При позитивном контроле эффектор присоединяются не к репрессору, а к апоиндуктору, что разрешает, или наоборот, блокирует транскрипцию в зависимости от того, какую форму (активную или неактивную) приобретает апоиндуктор в результате связывания с эффектором. Поскольку при транскрипции оперона, состоящего из нескольких структурных генов, образуется один общий транскрипт в виде молекулы полицистронной иРНК, все эти гены экспрессируются координированно.