Умблик
10 класс · углублённый
Биология · 10 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 10 класс · Урок 58

Оперон и регуляция генов: почему клетка не делает все белки сразу

Клетка не производит все возможные белки непрерывно. Разберём два разных решения: lac-оперон усиливает использование появившейся лактозы, а trp-оперон снижает синтез уже накопившегося триптофана. Затем отделим регуляторные участки эукариотического гена от его транскрибируемой части и проследим созревание РНК.

Наследственная информация и реализация её в клетке

Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс

Наследственная информация и реализация её в клетке

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Организация генома прокариот и эукариот
  • Экспрессия гена
  • Гипотеза оперона Ф. Жакоба и Ж. Моно
  • Структурные и регуляторные гены, промотор и оператор
  • Репрессор, индуктор и корепрессор
  • Индуцибельный lac-оперон и лактоза
  • Влияние доступности глюкозы
  • Репрессибельный trp-оперон и триптофан
  • Структурная и регуляторные части гена эукариот
  • Обработка РНК: кэп, сплайсинг и полиаденилирование
  • Сравнение экспрессии у прокариот и эукариот
  • Регуляция обменных процессов
  • Клеточный гомеостаз и отрицательная обратная связь
Индуктор lac и корепрессор trp действуют противоположноlac: использование лактозыtrp: синтез триптофанаОтдельно: ген lacI → репрессорОтдельно: ген trpR → репрессорНет индуктораТриптофана малоРепрессор связан с операторомРепрессор плохо связывает операторПОlacZYAТранскрипция сниженаПОtrpEDCBAЧтение возможноАллолактоза + репрессорТриптофан + репрессорСродство к оператору сниженоКомплекс связывает операторПОlacZYAЧтение возможноПОtrpEDCBAТранскрипция сниженаП — промотор; О — оператор. Белок-репрессор не кодируется оператором. Показан только контроль репрессором.
Две системы отрицательной регуляции у E. coli реагируют противоположно: аллолактоза ослабляет связывание lac-репрессора, а триптофан как корепрессор делает trp-репрессор способным связывать оператор. Это схема репрессии; дополнительная активация lac и аттенуация trp раскрыты в тексте. Регуляторные гены lacI и trpR показаны отдельно от операторов.
Ген эукариота: управление чтением и созревание иРНКРегуляторные участки ДНКТранскрибируемая часть ДНКУсилительПромоторЭкзон AИнтронЭкзон BУсилитель может быть далеко или в интроне; схема условна.ТранскрипцияПре-иРНК в ядреЭкзон AИнтронЭкзон B5′3′Обработка: кэп + сплайсинг + поли-А-хвостЗрелая иРНККэпЭкзон AЭкзон BAAAA…Поли-А-хвостИнтрон удалён из РНК, но остался в ДНК. Экзоны могут включать нетранслируемые области — UTR.После созревания и экспорта в цитоплазму иРНК может использоваться в трансляции.
Условный ядерный ген эукариота: регуляторные участки управляют транскрипцией, а экзоны и интроны транскрибируемой части переписываются в пре-иРНК. Сплайсинг удаляет интроны из РНК, а не из ДНК. Кэп и поли-А-хвост добавляются при обработке; не каждый экзон целиком кодирует аминокислоты.

Как это устроено

1. Разделите четыре разных объекта. Промотор — участок ДНК, с которого организуется начало транскрипции; оператор — участок ДНК, связывающий регулятор; структурные гены — инструкции для продуктов регулируемого пути; регуляторный ген — инструкция для самого белка-регулятора. В модели Жакоба и Моно белок действует на участок ДНК и меняет чтение других генов. lacI имеет собственный промотор и отдельный транскрипт, хотя расположен рядом с lacZYA. Оператор не «вырабатывает репрессор»: последовательность оператора служит местом его связывания. Аналогично trpR расположен отдельно от trpEDCBA.

2. Индуцируемый lac: появление субстрата снимает торможение. Если лактозы нет, lac-репрессор обычно удерживается на операторе и сильно ограничивает транскрипцию lacZYA. Небольшая базальная экспрессия позволяет сохранять некоторое количество пермеазы и β-галактозидазы. Появившаяся лактоза поступает в клетку, часть её превращается в аллолактозу. Аллолактоза связывает репрессор и меняет его состояние: сродство к оператору снижается, РНК-полимераза получает возможность эффективнее транскрибировать структурные гены. Белки помогают использовать лактозу; индуктор здесь снимает отрицательную регуляцию, а не становится частью нового белка.

3. Второй вход lac — доступность глюкозы. В типичной учебной модели при низкой глюкозе повышен сигнал cAMP, комплекс CAP–cAMP связывает свой регуляторный участок около промотора и облегчает работу РНК-полимеразы. При высокой глюкозе это усиление слабее. Получаем четыре случая: лактозы нет/глюкозы много — очень низкая экспрессия; лактозы нет/глюкозы мало — также сильно подавленная, потому что активатор не отменяет действие репрессора; лактоза есть/глюкозы много — репрессия ослаблена, но сильного усиления нет; лактоза есть/глюкозы мало — наиболее высокая экспрессия. Это относительные уровни в заданной модели, не абсолютные ноль и сто процентов и не описание всех дополнительных механизмов транспорта сахаров.

4. Репрессируемый trp: накопление продукта усиливает торможение. При недостатке триптофана белок TrpR без корепрессора плохо связывается с оператором: транскрипция генов ферментов синтеза триптофана возможна. Если триптофана достаточно, он связывается с TrpR и делает комплекс способным связывать оператор, ограничивая запуск транскрипции. Так клетка не тратит столько ресурсов на производство уже доступной аминокислоты. Триптофан здесь одновременно продукт пути и регуляторный сигнал-корепрессор. В реальном trp-опероне E. coli есть также аттенуация — управление преждевременным завершением транскрипции через лидерный участок РНК и его структуры, связанное с обеспеченностью заряженной триптофановой тРНК. Схема репрессор–оператор показывает только один из механизмов.

5. Сравните направление сигнала, а не слова «включается» и «выключается». В lac молекула-индуктор ослабляет связывание репрессора с ДНК, поэтому экспрессия возрастает; это выгодно при появлении используемого субстрата. В trp молекула-корепрессор усиливает способность репрессора связывать ДНК, поэтому экспрессия снижается; это выгодно при достатке синтезируемого продукта. Обе описанные связи через репрессор относятся к отрицательной регуляции. Положительная регуляция означает действие активатора, например CAP–cAMP, а не просто факт роста количества РНК. «Индуцируемый/репрессируемый» характеризует ответ на сигнал, а «положительный/отрицательный контроль» — действие регулятора.

6. Что в эукариотическом гене регулирует, а что переписывается. В школьной схеме структурная часть — транскрибируемая область, включающая экзоны и, если они есть, интроны. Она не равна исключительно аминокислот-кодирующей последовательности: зрелая иРНК содержит 5′- и 3′-UTR. Регуляторные части включают промотор и элементы связывания специфических факторов, например усилители и подавляющие элементы. Они могут быть перед геном, после него или в интроне, поэтому две функциональные категории не всегда разделены одним линейным «забором». Факторы на удалённом усилителе могут взаимодействовать с комплексом у промотора благодаря пространственной организации ДНК. Разные клетки имеют разные сочетания факторов и доступность хроматина — отсюда различия экспрессии при сходном геноме.

7. Обработка РНК — ещё один уровень контроля. Для типичного ядерного белок-кодирующего гена образуется пре-иРНК. Кэпирование модифицирует 5′-конец, сплайсинг удаляет интроны и соединяет экзоны, а расщепление 3′-конца и полиаденилирование формируют конец большинства зрелых иРНК. Эти процессы часто перекрываются с транскрипцией. Интроны удаляются из РНК, исходная ДНК остаётся. Кэп и поли-А-хвост не являются белковыми кодонами и добавляются ферментами, а не копируются как готовые структуры с матрицы. Альтернативный сплайсинг может дать несколько вариантов РНК из одного гена; не каждый вариант автоматически превращается в устойчивый функциональный белок. Точность обработки, устойчивость и экспорт РНК также влияют на выход продукта.

8. Сравнение клеток требует оговорок. У бактерий нет ядерной оболочки, и трансляция может начаться ещё во время транскрипции; многие бактериальные иРНК полицистронны, то есть содержат информацию для нескольких отдельных белков. У эукариот типичные ядерные белок-кодирующие гены транскрибируются в ядре, зрелая иРНК экспортируется и обычно задаёт одну основную белковую цепь. Существуют исключения, а митохондрии и пластиды имеют собственные особенности. Нельзя делать вывод «у бактерий любой ген — оперон» или «у эукариот вообще нет совместного контроля групп генов». У всех клеток экспрессия может регулироваться не только при начале транскрипции, но и на последующих стадиях и через разрушение продуктов.

9. Связь с гомеостазом — причинная цепочка. В системе trp накопление триптофана → активация репрессора → снижение транскрипции ферментов → снижение дальнейшего синтеза триптофана: это отрицательная обратная связь на уровне экспрессии. Отдельно конечный продукт может быстро тормозить уже имеющийся фермент пути; это регуляция активности, а не количества транскрипта. Синтез и разрушение белков меняют систему медленнее непосредственного взаимодействия с ферментом. Гомеостаз поддерживает допустимые диапазоны, а не неизменность каждой молекулы: вещество продолжает поступать, расходоваться и синтезироваться. Уменьшение РНК не означает мгновенного исчезновения всех существовавших ферментов.

10. Как проверять регуляторную модель. Укажите, какие клетки и условия сравниваются, отделите уровень РНК от количества белка и скорости реакции. Модель lac позволяет ранжировать четыре сочетания сахаров, но не предсказывает точные проценты без измерений. Числа в бумажной практике ниже специально условны, а не результаты выращивания E. coli. При изменённом операторе или неработающем репрессоре прогноз меняется; наличие лактозы не исправит любую мутацию. Подобная проверка показывает, какой участок связывает белок, какой кодирует белок и на какой стадии возникло изменение.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Экспрессия гена

Процессы, через которые информация участка генома приводит к образованию функциональной РНК и, для белок-кодирующих генов, белка.

Пример: При изменении питательной среды бактерия может увеличить синтез ферментов использования нового сахара.

Оперон

Группа совместно транскрибируемых генов с общим промотором и связанными регуляторными участками ДНК. У бактерий такая организация позволяет согласованно менять количество нескольких продуктов одного пути.

Пример: lacZ, lacY и lacA у E. coli могут входить в одну полицистронную иРНК, из которой получают отдельные белки. Это не один огромный белок и не устройство всех генов бактерии.

Структурные гены оперона

Гены, кодирующие функциональные продукты регулируемого пути, в отличие от участков связывания регуляторов и отдельно транскрибируемого гена репрессора. В данной модели это гены ферментов и транспортного белка.

Пример: lacZ кодирует β-галактозидазу, расщепляющую лактозу и образующую часть аллолактозы; lacY — пермеазу, облегчающую поступление лактозы; lacA — тиогалактозид-трансацетилазу.

Регуляторный ген

Ген, продукт которого регулирует экспрессию других генов. Он имеет собственную транскрипцию и кодирует, например, белок-репрессор; это не то же самое, что оператор или промотор — участки связывания белков на ДНК.

Пример: lacI кодирует lac-репрессор и находится рядом с lac-опероном, но транскрибируется отдельно. trpR кодирует trp-репрессор и расположен в другом участке генома E. coli.

Промотор

Последовательность ДНК, влияющая на связывание и начало работы РНК-полимеразы около соответствующих генов.

Пример: У lac-оперона активность промотора зависит от регуляторных факторов и состава среды.

Оператор

Регуляторный участок ДНК некоторых оперонов, связывание белка с которым влияет на прохождение транскрипции.

Пример: Репрессор lac-оперона может связываться с оператором и мешать эффективной транскрипции.

Репрессор

Регуляторный белок, способный уменьшать транскрипцию при связывании с определённым участком ДНК или другим компонентом системы.

Пример: Без подходящего индуктора lac-репрессор ограничивает считывание генов использования лактозы.

Индуктор

Молекула, которая через регуляторный механизм увеличивает экспрессию определённых генов при соответствующих условиях.

Пример: Производное лактозы аллолактоза меняет связывание lac-репрессора с ДНК.

Аллолактоза

Производное лактозы, связанное с индуцированием lac-оперона через изменение активности его репрессора.

Пример: При наличии лактозы часть её превращается в аллолактозу, после чего торможение оперона ослабевает.

Индуцибельный (индуцируемый) оперон

Регуляторная система, экспрессия которой возрастает при появлении определённого сигнала-индуктора. В модели отрицательно регулируемого lac-оперона индуктор связывается с репрессором и ослабляет его способность удерживаться на операторе.

Пример: Появление лактозы приводит к образованию аллолактозы, снятию части репрессии и увеличению синтеза белков использования лактозы; уровень также зависит от глюкозы.

Репрессибельный (репрессируемый) оперон

Регуляторная система, экспрессия которой снижается при появлении определённого сигнала. В модели trp-оперона накопившийся конечный продукт активирует репрессор и тем самым ограничивает дальнейший синтез продукта.

Пример: При нехватке триптофана репрессор слабо связывает оператор и синтез ферментов пути возможен; при достатке триптофана его связывание с репрессором усиливает репрессию.

Корепрессор

Малая молекула, связывание которой с регуляторным белком делает комплекс способным подавлять транскрипцию. В школьной модели trp-оперона корепрессор активирует способность репрессора связываться с оператором.

Пример: Триптофан — корепрессор для TrpR. Он не заменяет репрессор на ДНК и не является оператором; сначала связывается с белком, после чего комплекс действует на оператор.

trp-оперон

Оперон E. coli, структурные гены которого кодируют ферменты биосинтеза триптофана. Его транскрипция регулируется репрессором TrpR с триптофаном-корепрессором и дополнительным механизмом аттенуации.

Пример: В классической схеме гены trpE, trpD, trpC, trpB и trpA образуют совместный транскрипт. Регуляторный ген trpR не является одним из этих пяти генов.

Положительная регуляция

Увеличение экспрессии через действие активатора или другого компонента, облегчающего работу аппарата транскрипции.

Пример: При дефиците глюкозы комплекс CAP–cAMP помогает активировать lac-оперон при наличии лактозы.

cAMP и CAP (CRP)

cAMP — циклический аденозинмонофосфат, внутриклеточный сигнальный нуклеотид. CAP, также называемый CRP, — регуляторный белок: комплекс CAP–cAMP связывает определённый участок ДНК и усиливает транскрипцию lac-оперона при соответствующих условиях.

Пример: В типичной учебной модели при низкой глюкозе cAMP больше, комплекс CAP–cAMP активнее, а при наличии аллолактозы lac-репрессор не мешает: оба условия вместе дают наиболее высокую экспрессию.

Отрицательная регуляция

Уменьшение экспрессии через действие репрессора или другого фактора, тормозящего определённую стадию образования продукта.

Пример: Связанный с оператором lac-репрессор уменьшает транскрипцию в отсутствии индуктора.

Клеточный гомеостаз

Поддержание динамически допустимого диапазона внутренних условий клетки с помощью регуляции потоков вещества и работы молекулярных систем.

Пример: Клетка меняет экспрессию транспортёров и ферментов при изменении доступности питательных веществ.

Отрицательная обратная связь

Регуляция, при которой изменение результата запускает ответ, ослабляющий исходное отклонение системы.

Пример: Накопление продукта пути может снизить активность его раннего фермента или экспрессию соответствующих генов.

Эпигенетическая регуляция

Изменение доступности геномных участков и экспрессии без обязательного изменения последовательности оснований ДНК.

Пример: Химические модификации хроматина у эукариот могут влиять на считывание генов.

Регуляторные части гена эукариот

Участки ДНК, на которых связываются факторы, управляющие транскрипцией: промотор и другие регуляторные элементы, включая усилители и подавляющие элементы. Они могут располагаться близко или далеко от транскрибируемой области, в том числе внутри интронов.

Пример: Транскрипционный фактор связывает усилитель, а пространственное сближение ДНК помогает ему взаимодействовать с комплексом у промотора. Усилитель не нужно переводить в белок, чтобы он действовал.

Транскрибируемая (структурная) часть гена эукариот

Область ДНК от точки начала транскрипции, информация которой переписывается в первичную РНК. У типичного ядерного белок-кодирующего гена она включает экзоны, интроны и участки, задающие нетранслируемые области зрелой иРНК.

Пример: В модели экзон 1 — интрон — экзон 2 все три участка транскрибируются, хотя интрон удаляется из РНК. Структурная часть не равна только кодонам между AUG и стопом.

Усилитель (энхансер)

Регуляторный участок ДНК, который при связывании соответствующих факторов увеличивает транскрипцию связанного с ним гена. Его действие зависит от клеточного контекста и взаимодействия с промотором, а не только от расстояния в линейной записи.

Пример: Один и тот же ген может активнее транскрибироваться в нужном типе клеток, если там есть факторы, узнающие его усилитель; этот участок может находиться далеко от промотора.

Пре-иРНК

Первичный транскрипт белок-кодирующего гена эукариот до завершения обработки в зрелую иРНК. У гена с интронами он содержит и будущие сохраняемые экзоны, и удаляемые интроны.

Пример: Из пре-иРНК «экзон A — интрон — экзон B» после сплайсинга получается РНК с соединёнными A и B; исходная ДНК при этом не укоротилась.

Кэпирование

Добавление к 5′-концу большинства ядерных пре-иРНК эукариот специальной структуры с модифицированным гуанозином. Кэп участвует в защите РНК и её распознавании при экспорте и начале трансляции.

Пример: Кэп — не стартовый кодон AUG и не аминокислота: он является модификацией 5′-конца РНК и помогает аппарату трансляции работать с этой РНК.

Сплайсинг

Удаление интронов из РНК и соединение сохраняемых экзонов; для многих ядерных пре-иРНК эту работу выполняет сплайсосома — комплекс РНК и белков. Возможен альтернативный выбор участков зрелого транскрипта.

Пример: Условные экзоны A, B, C могут соединяться как A–B–C или A–C. В зависимости от границ и рамки такие варианты могут дать разные белковые продукты.

Полиаденилирование

Добавление цепочки аденозиновых остатков — поли-А-хвоста — к обработанному 3′-концу большинства ядерных иРНК эукариот. Первичная РНК предварительно расщепляется в соответствующем месте; хвост не переписывается как готовая цепь A с матрицы ДНК.

Пример: Поли-А-хвост влияет на устойчивость и использование иРНК. Некоторые иРНК, например многих репликационно-зависимых гистонов, созревают без обычного поли-А-хвоста.

Нетранслируемые области иРНК (UTR)

Участки зрелой иРНК до стартового кодона и после стоп-кодона, не переводимые в аминокислоты данной цепи. Они могут участвовать в регуляции устойчивости, размещения и трансляции РНК.

Пример: Экзон может включать 5′-UTR и начало кодирующей области; поэтому утверждение «все экзоны целиком кодируют аминокислоты» неверно.

Пример по шагам

В среде есть лактоза и много глюкозы. Почему фраза «lac-оперон работает максимально» неверна?

  1. Лактоза через аллолактозу ослабляет действие репрессора.
  2. При большом количестве глюкозы активирующий сигнал CAP–cAMP обычно слабее.
  3. Следовательно, снятие отрицательной регуляции не равно максимальному положительному усилению.

Вывод: Экспрессия возможна, но её уровень ниже, чем при наличии лактозы и недостатке глюкозы в типичной модели.

Практическая работа

Сопоставьте прогноз lac и trp с условными данными

  1. Для lac разделите карточки: отдельный ген lacI → белок-репрессор; промотор → связывание аппарата транскрипции; оператор → связывание репрессора; lacZYA → продукты. Для trp используйте отдельно trpR и совместно транскрибируемые trpEDCBA. Малые молекулы добавьте к белкам, а не вместо участков ДНК.
  2. Условная таблица lac, единицы относительного количества иРНК: лактозы нет/глюкозы много — 1; лактозы нет/глюкозы мало — 2; лактоза есть/глюкозы много — 15; лактоза есть/глюкозы мало — 100. Сначала предскажите порядок, затем сравните. Проверка: 100 > 15 > 2 > 1; обе строки без лактозы остаются сильно подавленными. Это вымышленные числа для модели, не опубликованные измерения.
  3. Условная таблица trp без учёта аттенуации: триптофана мало — 80 единиц иРНК; триптофана достаточно — 8. Проверка: рост продукта сопровождается усилением связывания репрессора и снижением РНК, в отличие от роста lac при индукторе.
  4. Для эукариотической модели расположите усилитель, промотор, экзон A 120, интрон 90, экзон B 180; перепишите транскрибируемые участки в РНК и удалите только РНК-интрон. Добавьте кэп и поли-А-хвост отдельными карточками. Проверка: экзонная часть 300 нуклеотидов, ДНК-интрон остаётся на исходной карточке; без границ кодирующей области длину белка не рассчитывают.

Что можно заключить: Модель проверяет противоположное действие индуктора и корепрессора и отделяет регуляцию транскрипции от обработки РНК. Условные данные проверяют логику, но не заменяют количественный биологический эксперимент.

Безопасность: Только бумажная модель и открытые данные; не культивируйте кишечные бактерии и не используйте биоматериал человека.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.