А. Строение оперона прокариот

Как мы отмечали раньше, для нормального функционирования гена необходимы регуляторные зоны. Регуляторных генов в этом разделе касаться не будем.

У прокариот регуляторные зоны «обслуживают» несколько генов. Эти гены вместе с регуляторными элементами носят название оперон. Таким образом, оперон состоит из двух функционально различных участков: (см. рис. 18, А).

1. Кодирующего участка, который содержит несколько структурных генов.
2. Регуляторной зоны , которая включает следующие участки:

а. Стартовый кодон – сайт (место) инициации транскрипции.

б. Терминатор – сайт конца транскрипции.

в. Лидирующую область.

г. Трейлерную область.

д. Промотор.

е. Оператор.

ж. Активатор

з. Спейсеры.

Все эти участки представлены на рисунке 18 (Б,В,Г).

Как отмечали выше третий элемент – регуляторные гены, которые непременно входят в состав наименьшего функционирующего участка, в этом разделе рассматриваться не будут.

Оперон

Регуляторная зона Кодирующая область (Гены)

А 5’ 3’

Регуляторная зона Ст. 1 Ст. 2 Ст. 3

Б5’ 3’

Сайт начала транскрипции Терминатор

В5’ 3’

Лидерная последовательность Трейлерная последовательность.

Ак. Пр. Оп. К о д и р у ю щ а я о б л а с т ь

Г5’ 3’

Рис. 18. Схема регуляторных и кодирующих элементов оперона прокариот. На рисунке от А до Г повышается детализация строения оперона, его регуляторной и кодирующей области. Ст.1,2,3 – структурные гены. Ак. – активатор, Пр. – промотор, Оп. – оператор.

Кодирующая область (собственно ген) начинается с сайта инициации (стартовый кодон). С этого участка РНК-полимераза, проходя через структурный ген, начинает синтезировать РНК. Заканчивается кодирующая область участком, который называется терминатор(рис. 18, Б). Подходя к нему, РНК-полимераза заканчивает транскрипцию и сходит с нити ДНК. Терминирующая область у многих генов имеет различное строение. Отметим два из них.

1. Чаще всего в терминирующей области располагается один из бессмысленных кодонов (УАА, УАГ, УГА), не кодирующий ни одну аминокислоту. Обнаружив эту последовательность РНК-полимераза прекращает синтез РНК.

2. Сигналом к окончанию транскрипции могут быть определённые короткие последовательности ДНК (не бессмысленные кодоны), которые располагаются в зоне окончания синтеза РНК. К этим последовательностям прикрепляется белок, который и прекращает транскрипцию.

В последнее время обнаружили, что в зоне терминатора ДНК может формировать шпильки, которые и приводят к окончанию транскрипции.

Область, располагающаяся между сайтом инициации и терминации, транскрибируется как одна нить РНК и носит название единица транскрипции. У прокариот единица транскрипции, как правило, содержит последовательности, кодирующие не один, а несколько типов белков или РНК, т.е. содержит несколько структурных генов (рис. 18, Б). Все они имеют одну регуляторную область и контролируют синтез ферментов одного биохимического цикла (на рисунке они обозначены как Ст1, Ст2 Ст3).

Кроме перечисленных регуляторных зон обнаружено, что перед стартовым кодоном и терминаторомрасполагаются небольшие участки ДНК, которые соответственно носят название лидерные и трейлерные области (или последовательности). Лидерная область включает или отключает транскрипцию иРНК, трейлерная принимает участие в «созревании» иРНК (рис. 18,В).

Особенностью лидерного участка является то, что он транскрибируется, т.е представлен в молекуле иРНК. Но этот участок в рибосомах не транслируется, т.е. он не представлен аминокислотной последовательностью в белке. Более тщательные исследования показали, что лидерная последовательность обладает уникальной способностью приобретать форму шпильки в том случае, когда транскрипция данного гена клетке не нужна. Например, при отсутствии субстрата, нет необходимости транскрибировать иРНК и транслировать с неё фермент, расщепляющий субстрат. Поэтому довольно часто отсутствие субстрата провоцирует образование в лидерной последовательности шпильки и синтез иРНК не начинается.

Трейлерная последовательностьтранскрибируется на иРНК и является сигналом для формированию поли(А) хвостика при «созревании» про-иРНК (см. далее).

Начиная с 5’ конца, по направлению к 3’ концу располагаются – активатор, промотор и оператор(рис. 18, Г). К промотору присоединяется РНК-полимераза. Активатор и оператор регулируют активность гена. Так к активатору присоединяется белок, способный облегчить присоединение фермента к промотору или, наоборот, затормозить этот процесс. На операторе также осаждается белок, который может блокировать работу РНК-полимеразы.

Ещё раз подчеркнём важную особенность функционирования оперона у прокариот:- одна регуляторная область оперона (куда входят активатор, промотор, оператор, стартовый кодон и др.), как правило, обслуживает несколько структурных гена. Причём, между последними располагаются последовательности ДНК не несущие никакой информации. Эти последовательности называютспейсерами (см. рис. 19).

РОСт.1 Ст.2 Ст.3 Ст.4

С п е й с е р ы Терминатор

Рис. 19 Кодирующая область оперона, включает 4 структурных гена (Ст.1,Ст2, Ст3, Ст4), которые разделены спейсерами. Обслуживаются они одной регуляторной областью (на рисунке она обозначена как РО).

Несколько слов о правилах обозначения генов. В разделе 1 мы уже объяснили, на каком принципе основано обозначение концов ДНК, если последняя представлена на графике в виде линейного изображения.

На рисунке 18 изображена одна нить ДНК, которая маркирована цифрами 5’( начало отрезка) и 3’(конец отрезка). Эти обозначения общеприняты и облегчают понимание генетических процессов происходящих на гене (транскрипции и трансляции), которые имеют выраженную направленность. Однако в обозначении направленности гена имеются некоторые особенности, без знания которых определить начало и конец отрезка ДНК сложно. Из школьного курса известно, что транскрипция РНК происходит на двухнитчатой ДНК только с одной её нити.

Эта нить ДНК называется матричной (этот термин употребляется чаще всего), антисмысловой, незначащей, не кодирующей, кодогенной и т.д. Понятно, что синтезированная с этой нити РНК будет комплементарна ей. Однако полное совпадение последовательностей нуклеотидов у вновь синтезированной РНК будет не с нуклеотидами матричной цепи, а с противоположной (второй, оппозитной) нитью ДНК, которая называется смысловая, не матричная, значащая, кодирующая, не кодогенная и т.д.

Транскрипция с матричной цепочки ДНК идёт в направлении от 3’ конца к 5’. Понятно, что противоположная цепочка ДНК будет иметь направление 5’ – 3’. Это направление и принято обозначать на рисунках. Поэтому необходимо помнить, что на рисунках принято обозначать цифрами не ту цепочку ДНК, с которой синтезируется (транскрибируется) РНК, а противоположную – смысловую (см. рис. 20).

5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’ Смысловая нить

А ДНК

3’ Т А Т А Ц Г Т А Ц Г 5’ Антисмысло-

вая нить ДНК, с

которой синтези-

руется иРНК

Б РНК 5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’ РНК синтезирован-

ная с антисмысло-

вой нити ДНК

В ДНК 5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’Так на рисунках обо-

значается отрезок ,

ДНК. Последователь-

ность нуклелтидов-

в ней аналогична по-

следоватнельности

их в иРНК и антисмы

словой цепи ДНК.

Рис. 20. Схема транскрипции и правила обозначения направленности ДНК. А – отрезок молекулы ДНК, Б – синтезированная РНК на атисмысловой нити, В – цепь ДНК на рисунке обозначена так же, как и смысловая цепь ДНК