ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА ПРОКАРИОТ И РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ ГЕНОВ

1. Принципы изучения работы генов бактерий
Исследования главного структурного и функционального элемента генома – отдельного гена начались в 60-х гг. ХХ века. В те годы не существовало методов определения нуклеотидной последовательности ДНК. Поэтому учёные строили гипотезы о строении гена на основе экспериментального изучения особен-ностей его функционирования. В 70-80-гг. эти гипотезы были проверены и уточнены с помощью молекулярной генетики.
Прямым критерием активности гена является наличие или отсутствие в клетке закодированного в нём белка. Так как большинство генов кодируют строение ферментов, можно су-дить о работе гена по активности соответствующего фермента. Искусственно вводя или убирая из питательной среды субстрат для данного фермента можно получить сведения относительно особенностей регуляции работы гена. Для проведения подоб-ных исследований лучше всего подходят микроорганизмы, в частности – бактериальные культуры.

1.1. Бактерии как объекты генетики
Генетический аппарат бактерий не организован в хромосомы и не отделён от цитоплазмы ядерной мем-браной. Большинство генов находятся в большой коль-цевой молекуле ДНК. Кроме того, имеются кольца меньших размеров, в которых также есть гены. Эти кольца ДНК называются плазмидами (рис.1).
Плазмиды могут реплицироваться автономно от бактериальной «хромосомы». Некоторые плазмиды могут интегрироваться в неё в определённых участках – сайтах. Такие плазмиды называются эписомами.
Плазмиды могут переходить из одной клетки в дру-гие, перенося имеющиеся в них гены. Наличие в плаз-мидах генов устойчивости ко многим антибиотикам, создаёт большие проблемы в борьбе с болезнями.

Одним из преимуществ бактерий как объектов гене-тики является то, что в бак-териальном геноме каждый ген представлен единствен-ным аллелем. На его актив-ность не могут влиять дру-гие аллели этого же гена (их попросту нет). Поэтому чтобы узнать, какой аллель, нормальный или «дефект-ный», имеется у данного бактериального штамма, «включён» или «выключен» ген в данный момент, дос-таточно определить качест-во и количество конечного продукта – закодирован-ного в гене белка.
Рис. 1. Бактериальная пдазмида. Электронная микрофотография
(х 40000). Плазмида представляет собой кольцевую молекулу ДНК

Фенотип бактериального штамма – это, прежде всего, совокупность вырабатываемых химических сое-динений. «Дистанция» между генотипом и феноти-пом у бактерий гораздо короче, чем между генотипом и морфологическими признаками высших организмов (такими, например, как форма гребня у кур, форма и вес плодов у растений, размеры организма и т.д.). Именно потому, что у бактерий (и некоторых других микроорганизмов) можно непосредственно изучать различные биохимические мутации, они стали главными объектами молекулярной и биохимической генетики. Самой изученной бактерией является кишечная палочка – Escherichia coli (сокращённо E. coli), обитающая в кишечнике всех млекопитающих и не являющаяся болезнетворным организмом.

2. Регуляция транскрипции гена галактозидазы у E.coli. Оперон
Культуру Escherichia coli можно поддерживать искус-ственно в виде жидкой суспензии клеток, или на ага-ризованной питательной среде. Для своего существо-вания E. coli требует поступления извне органических соединений. Из углеводов лучше всего она усваивает глюкозу. Ферменты для утилизации глюкозы выраба-тываются бактериальными клетками постоянно, а, следовательно, постоянно должны транскрибиро-ваться гены, в которых закодированы эти ферменты. Такие ферменты, вырабатывающиеся клеткой посто-янно, были названы конститутивными.

Если глюкозу заменить другим сахаром – дисахари-дом лактозой, то бактерии начинают вырабатывать β-галактозидазу - фермент расщепляющий лактозу на моносахара – глюкозу и галактозу. Если подачу лакто-зы прекратить и вновь заменить её глюкозой, то выра-ботка β-галактозидазы прекращается. Таким образом, β-галактозидаза вырабатывается клеткой только тогда, когда она необходима. Белки, вырабатываемые клеткой не постоянно, а только при наличии соответствующего субстрата, называются факультативными.
Вывод: ген галактозидазы способен «включаться» и «выключаться» в зависимости от наличия в суб-страта для данного фермента. Гены, способные ин-дуцироваться в необходимый момент, называются индуцибельными, а вещества, вызывающие включе-ние гена, – индукторами.

Французские биохимики Ф. Жакоб и Ж. Моно в 1961 г. провели опыты с мутантными штаммами E.coli, различаю-щимися по способности утилизировать лактозу. Использо-вались, также гибридные штаммы (мерозиготы), у которых были объединены мутации, связанные с нарушением индукции синтеза галактозы. Были получены следующие результаты:
1. Одновременно с синтезом галактозидазы всегда начинается синтез ещё двух ферментов – пермеазы (необходима для пе-реноса лактозы внутрь клетки) и трансацетилазы (непосред-ственно не участвующей в утилизации лактозы). Абсолютное количество этих ферментов в клетке может быть разным, но относительное соотношение (10 : 5 : 2) всегда остаётся постоянным.
2. Кроме мутаций структурных генов ферментов обнаружи-ваются мутации ещё в двух участках ДНК, нарушающие индук-цию. Мутация одного из этих участков делает синтез всех трёх ферментов конститутивным (ферменты вырабатываются посто-янно, даже тогда, когда в среде нет индуктора). Мутация в другом участке полностью блокирует синтез ферментов.

3. Конститутивная мутация находится в ДНК на некотором удалении от структурных генов ферментов.
4. Мутация блокировки синтеза расположена непосредственно перед структурными генами ферментов.
Жакоб и Моно предложили следующие объяснения полученных данных.
1. Структурные гены β-галактозидазы, пермеазы и трансацетилазы расположены рядом друг с другом и включаются одновременно при наличии в клетке индуктора (именно поэтому вырабатываются сразу три фермента).
2. Перед генами находится участок ДНК, мутация которого приводит к блокировке синтеза ферментов. Этот участок был назван оператором.

3. Ещё один ген, определяющий включение и выключение структурных генов, расположен на некотором удалении от них. В нём закодирован особый белок, имеющий химическое сродство и к оператору, и к индуктору. Этот белок был назван белком-репрессором, а его структурный ген – геном-регулятором.
4. Регуляция синтеза всех трёх ферментов происходит с помощью единого механизма следующим образом (рис.2).

Рис. 2. Взаимодействие репрессора, индуктора и оператора при регу-ляции транскрипции генов лактозного оперона E.coli
А. В отсутствии индуктора репрессор связан с оператором, препятствуя связыванию РНК-полимеразы с промотором, который прилегает к оператору.
Б. Индуктор связывается с репрессором, инактивируя его. РНК-поли-мераза связывается с промотором и начинает транскрипцию

В клетке всегда имеется небольшое число молекул белка-репрессора, который стремится связаться с опе-ратором, расположенным перед структурными генами. «Заблокированный» оператор становится недоступ-ным для прохождения молекул фермента РНК-поли-меразы в область структурных генов. Поэтому транс-крипция структурных генов не происходит.
Если в питательной среде появляется индуктор, то имеющий к нему сродство белок-репрессор, соединя-ются с молекулами индуктора. Это изменяет структу-ру молекул белка-репрессора так, что они теряют срод-ство к оператору и отсоединяются от него. РНК-поли-мераза получает доступ на структурные гены фермен-тов. Начинается их транскрипция (синтез мРНК) и синтез ферментов. Ферменты расщепляют лактозу.

Если поступление лактозы в среду прекращается, то концентрация её, по мере утилизации ферментами, падает, происходит диссоциация комплекса субстрат-репрессор и высвобождение молекул белка-репрессо-ра. Высвободившиеся молекулы репрессора вновь присоединяются к оператору. Оператор вновь блоки-руется. Синтез ферментов прекращается.
Участок ДНК, включающий оператор и следующие за ним структурные гены, был назван опероном.
Таким образом, включение и выключение генов утилизации лактозы происходит по принципу обратной связи. Поступление в среду лактозы является сигналом для включения структурных генов, в которых закодированы ферменты утилизации лактозы. Полное исчезновение лактозы является сигналом для выключения этих генов.

Рассмотренный характер регуляции транскрипции является общим для генов, определяющих ферментативное расщепле-ние (катаболизм) различных органических веществ. Поэтому такая регуляция транскрипции была названа катаболической.
Включение генов, в которых закодированы ферменты син-теза (реакции анаболизма), например, аминокислот, регули-руется тоже по принципу обратной связи. Регуляторами в этом случае являются конечные продукты. Молекулы свободного белка-репрессора химически инертны по отношению к опера-тору. При отсутствии в клетке конечного продукта (например, аминокислоты) оператор не заблокирован для РНК-поли-меразы. Происходит транскрипция генов и синтез ферментов анаболизма данной аминокислоты. Когда концентрация моле-кул аминокислоты достигает необходимого уровня, небольшая их часть соединяется с репрессором (происходит активация репрессора). Активированный репрессор приобретает хими-ческое сродство к оператору и блокирует его. Синтез фер-ментов анаболизма (и соответствующей аминокислоты) прек-ращается. Такой тип регуляции был назван анаболическим.

Характерной особенностью большинства факультативных ферментов, определяющих последовательную цепь биох-имических превращений, является то, что они появляются и исчезают одновременно. По-видимому, соответствующие структурные гены расположены последовательно друг за другом и имеют общие оператор и регулятор.
Оперонная организация генома оказалась свойственной всем изученным бактериям.
Ещё одними обязательными функциональными элемен-тами генома должны быть участки ДНК, на которых пре-кращается транскрипция (терминаторы). Они действитель-но были обнаружены в положении за структурными генами, как оперонов бактерий, так и генов эукариот.