Оперонный принцип организации генов у эукариот

Французские микробиологи Франсуа Жакоб и Жак Моно сформулировали в 1961 г. концепцию оперона. Оперон – это система генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований. Например, это могут быть гены, которые детерминируют синтез ферментов, участвующих в утилизации какого-либо вещества или синтезе какого-то компонента клетки.

В 1965 г. Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андрэ Львов получили за эту работу Нобелевскую премию.

Гены можно поделить на две группы по принципу действия их продукта. Гены, которые кодируют структурубелков, называются структурными. Таких генов у бактерий большинство.

Гены (последовательности нуклеотидов), которые обеспечивают регуляцию экспрессии (активности, транскрипции) структурных генов, называются регуляторными.

В качестве примера оперонной организации генов рассмотрим так называемый лактозный оперон кишечной палочки.

При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы белок репрессор, кодируемый геном-регулятором (I),взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов Z, Y, А.

Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов Z, Y, A.

Лактоза относится к β-галактозидам, в результате ее расщепления образуются глюкоза и галактоза.

Весь кластер генов занимает около 6000 пн. Ген laсIимеет свои промотор и терминатор. Конец района laсIнепосредственно примыкает к промотору Р_lac, оператор О_lacзанимает первые 26 пн гена lacZ. После гена lacZ, который имеет необычно большую длину, расположены гены lacYи lacA, а также общий терминатор транскрипции.

Гены имеют следующие функции:

продукт lacZрасщепляет β-галактозид на составляющие его сахара;

продукт гена lacYявляется β-галактозид-пермеазой, он транспортирует β-галактозид в клетку;

ген lасАкодирует белок трансацетилазу — энзим, который переносит ацетильную группу с ацетил-СоА на β-галактозид.

Мутации генов lacZи lacY дают фенотип Lac^-, когда клетки не могут использовать лактозу.

Мутациигена-регулятора I приводят к тому, что гены lacZ, Y иA экспрессируютсянепрерывно.

Данный способ регуляции активности гена со стороны гена-регулятора называется негативным контролем, так как продукт гена (репрессор) останавливаеттранскрипцию. Он может быть двух видов: негативная индукция (если репрессор активен сам по себе) и негативная репрессия (если белок репрессор становится активным, соединяясь с низкомолекулярным корепрессором; например, в случае триптофанового оперона у E. coli).

Основным преимуществом оперонной организации генов у микроорганизмов является координация регуляции активности: все гены экспрессируются или не экспрессируются одновременно, и относительные количества всех трех ферментов остаются одинаковыми независимо от условий индукции.

В ходе реализации геномного проектаE. coli, завершившегося в 1997 г. полным секвенированием ДНК, в геноме кишечной палочки выявлено 2584 оперона. Среди них 73 % содержат один цистрон, 16 % — 2 цистрона, 4,6 % — 3 цистрона (в том числеlac-оперон); 6 % — 4 и более цистрона (в том числе trp-, his-опероны). Все они имеют не менее одного промотора и управляются регуляторными белками.

У эукариот опероны не обнаружены.

Лекция № 12

Тема лекции: Строение гена на молекулярном уровне

План лекции:

1. Регуляторная часть гена

1.1. Промоторы

1.2. Энхансеры

1.3. Инсуляторы

2. Структурная часть гена

2.1. Интроны и экзоны

2.2. Сплайсинг и альтернативный сплайсинг

3. Терминаторы транскрипции

4. Псевдогены

5. Кластерная организация генов в хромосомах эукариот