МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ ОПЕРОНА 

1. Генетическая система координат. Строение оператора и промотора
Методами молекулярной биологии в 70 х годах была подтверждена оперонная гипотеза Ф. Жакоба и Ж. Моно (удостоенных Нобелевской премии в 1965 году) и установлено строение оперона (рис.1). Оказа-лось, что оператор – это участок ДНК, находящийся в самом начале транскрибируемой области оперона. Перед оператором (в нетранскрибируемой области) находится регуляторный участок - промотор. Промотор – это область ДНК, к которой прикреп-ляется молекула фермента РНК-полимеразы.

Строение оперона
Рис. 1. Молекулярное строение и схема экспрессии оперона: а — принципиальная структура гена (р — промотор; СР — сайт связывания рибосом; ИК и ТК — соответственно инициирующий и терминирующий кодоны; t — терминатор транскрипции) ;
б - идеализированная структура характерных сайтов на некодирующей нити ДНК; в - мРНК; г - белок-предшественник ; д — активный белок.

На рисунке 1 использована принятая в молекулярной гене-тике система координат, в которой нуклеотиды нумеруются от границы между транскрибируемой (справа) и нетранскри-бируемой (слева) областями ДНК. Первый транскрибируемый нуклеотид и все нуклеотиды, находящиеся от него справа, имеют номера со знаком (+). Нетранскрибируемые нуклеотиды нумеруются влево со знаком (–).
Другая особенность схемы состоит в том, что состав нук-леотидов указывается не по смысловой, а по комплементарной ей цепи ДНК. Это облегчает отображение результатов транс-крипции, так как синтезируемая РНК имеет такой же состав нуклеотидов, что и несмысловая цепь ДНК (за исключением замены тимина на урацил).
Оператор в этой системе координат находится на отрезке ДНК от +1 до +24, промотор – от –1 до –38. (Эти значения являются усреднёнными по большому числу (свыше 100) изученных промоторов E. coli).

В состав промоторов всех изученных оперонов входят два участка с относительно постоянным составом и последовательностью нуклеотидов (консервативные последовательности). Одна из них (последователь-ность Хогнесса) необходима для узнавания, а другая (последовательность Прибноу) – для тесного связыва-ния РНК-полимеразы с промотором.
Последовательность Хогнесса имеет состав 5’ТТГАЦА3’. Её центр находится около координаты – 35. Последовательность Прибноу (5’ТАТААТ3’) расположена в участке с центральной координатой
–10. В разных промоторах положение обоих последовательностей немного различается. Чаще всего они отстоят друг от друга на 16-18 пар нуклеотидов.

Последовательность нуклеотидов оператора (область ДНК от +1 до +24). лактозного оперона (Lac-оперона) образует симметричный палиндром (рис. 2) – после-довательность пар нуклеотидов, которая в каждой из цепей ДНК считывается одинаково, но в противо-положных направлениях (как справа налево, так и сле-ва направо). Строение палиндрома таково, что моле-кула белка-репрессора, закодированного в регулятор-ном гене (I*), прочно связывается с изолированной ДНК оператора (если нет индуктора). Если же в среде есть индуктор (аллолактоза), то репрессор соединяется с ним. При этом происходит аллостерическое измене-ние пространственной структуры молекулы репрессо-ра, что влечёт к ослаблению его связи с операторной ДНК.

Рис. 2. Белок-репрессор и нуклеотидная после-довательность ДНК (палиндром), с которой связывается с lac-репрессор.

2. Структура транскрибируемой области оперона. Терминация транскрипции. Результат транскрипции
Транскрибируемая область оперона включает не только опе-ратор и структурные гены. Между оператором и первым струк-турным геном (координаты от +28 до +36) находится участок, кодирующий т.н. сайт узнавания рибосом (или последо-вательность Шайна-Далгарно) (СР на рис.1). В её состав вхо-дит участок 5’АГГА 3’. В транскрибируемой мРНК к этой последовательности присоединяется рибосома. Сайты рибосом расположены перед каждым структурным геном оперона. Промотор, оператор и терминирующий участок являются общими для всех генов оперона. Поэтому, синтезирующаяся мРНК является полицистронной, т.е. содержит непрерывную последовательность нуклеотидов РНК, транскрибированную со всех структурных генов данного оперона – от оператора до терминатора включительно.

Примерно с 37-го нуклеотида начинается ДНК первого структурного гена. Первый триплет (кодон в мРНК) называется инициирующим (ИК на рис.1). В большинстве генов бактерий это триплет АТГ (реже – ГТГ). Триплет АТГ кодирует ами-нокислоту метионин, но в начале полипептидной цепи он оп-ределяет вставку аминокислоты – формилметионина. В гото-вом белке эта аминокислота модифицируется или отщепляется.
Белок-кодирующая часть заканчивается терминирующим триплетом (ТК на рис.1) (ТАА, ТАГ или ТГА).
Пройдя структурные гены и синтезировав полицистронную молекулу мРНК, РНК-полимераза вступает в область, назы-ваемую терминатором. В терминаторной последовательности содержатся участки, состоящие из повторяющихся ГЦ-пар, расположенных в противоположной ориентации относительно друг друга и взаимно комплементарных. В транскрибиро-ванной одноцепочной мРНК эти участки комплементарно соединяются друг с другом с помощью водородных связей, образуя т.н. «шпильки» (рис. 3).

Предполагается, что образование шпилек в синтезированной моле-куле мРНК способствует её отсо-единению от ДНК-матрицы.
Движение РНК-полимеразы по двойной нити ДНК сопровож-дается перемещением расплав-ленного участка ДНК (дли-ной 16-18 н.п.), в котором 3’-концевая область синтезируемой мРНК свя-зана водородными связями с ДНК-матрицей. После считывания терминаторного участка в соот-ветствующем ему участке мРНК образуется шпилька. Это, каким то, пока не образом, ослабляет связь РНК с ДНК матрицей и приводит к разрыву водородных связей между ними.
Рис. 3. Шпильки в термина-торных последовательностях двух мРНК, образующиеся при транскрипции:
1 - гена фага λ;
2 -триптофанового оперона E.coli

За терминатором, на рассто-янии около 20 нуклеотидов от оси шпильки, расположен уча-сток ДНК, состоящий из остат-ков тимидина (ТТТ…) (в мРНК, соответственно, УУУ…). На РНК-транскрипте образуется полиуридиновый «хвост» (рис. 1, 4). Так как поли-У последо-вательность соединена с ком-плементарной ей последова-тельностью поли-А (в ДНК) меньшим числом водородных связей, чем участки, состоящие из Г-Ц пар, то это способствует отсоединению РНК-транс-крипта от ДНК-матрицы.
Рис. 4. Возможный механизм терминации транскрипции (объяснение в тексте).

На рис. 5 показана схема экспрессии лактозного оперона E.coli. Образовавша-яся в ходе транс-крипции полигенная (полицистронная) молекула мРНК, состоит из лидерной (5’), белок-кодирую-щей и концевой (3’) частей.
Рис. 5. Схема экспрессии лактоз-ного оперона E.coli: а – строение оперона (р – промотор; о – опе-ратор; Z, Y, A – структурные гены; t – терминатор); б – полигенная мРНК (СР- сайт связывания рибосом, ИК и ТК – инициирующий и терминирующий кодоны); в - белки.

Трансляция мРНК начинается с посадки рибосом на мРНК, которая осуществляется благодаря комплементарности 3’–конца 16S рибосомной РНК и лидерной части мРНК (в сайте связывания рибосом). Рибосомы считывают информацию со всех генов полигенной мРНК. Но благодаря тому, что перед каждым геном имеется свой сайт связывания рибосом и инициирующий кодон, а в конце каждого гена – свой терминирующий кодон, на каждом гене мРНК синтезируется своя отдельная полипептидная цепь (рис.5).

3. Регулоны и аттенюаторы
В ДНК бактерий существует и другой тип организа-ции генов. Некоторые группы структурных генов объ-единены в регулоны – совокупности координирован-но экспрессирующихся генов, контролирующих одну определенную функцию (этапы расщепления или син-теза какого-либо вещества). Гены в регулоне прост-ранственно отдалены друг от друга. Каждый ген имеет собственные промотор, оператор и терминатор транс-крипции. В некоторых регулонах часть генов объеди-нена в опероны (например аргининовый регулон состоит из шести отдельных генов и двух оперонов).
Некоторые опероны (и регулоны), контролирую-щие синтез аминокислот, содержат ещё один тип регуляторных элементов – аттенюаторы.

Аттенюатор – это нуклеотидная последовательность с инвертированными повторами, расположенная между промотором и первым геном оперона. Вторичная структура аттенюатора изменяется в зависимости от наличия или отсутствия в клетке аминокислоты, синтез которой контролируется данным опероном (или регулоном). В аттенюаторе закодирован пептид, содержащий несколько, расположенных друг за другом, аминокислотных остатков данной аминокислоты. Когда концентрация аминокислоты в клетке в результате её синтеза (или поступления извне) достаточно высокая, происходит синтез аттенюаторного пептида. В результате изменяется вторичная структура ДНК в аттенюаторе таким образом, что транскрипция оперона прекращается. (Аттенюатор, таким образом, приобретает характер терминатора). При низкой концентрации аминокислоты в клетке пептид не синтезируется и структура аттенюатора не мешает транскрипции.

4. Молекулярный механизм работы белка-репрессора
Молекула активного Lac-репрессора это тетрамер, постро-енный из четырёх одинаковых полипептидных цепей (рис.2), первичная структура которых закодирована в гене-регуляторе (I*). Каждая цепь состоит из 360 аминокислотных остатков. Репрессор способен соединяться как с операторной ДНК, так и с индуктором. Связывание с этими двумя агентами осущест-вляется двумя различными участками белковых цепей моле-кулы репрессора. К ДНК репрессор прикрепляется N-концевой последовательностью, длиной около 50 аминокислотных остат-ков. Соединение с индуктором так изменяет конфигурацию молекулы репрессора, что она теряет химическое сродство к операторному участку ДНК. Для репрессии транскрип-ции Lac-оперона достаточно 10 молекул репрессора на клетку.

Удивительна точность, с которой молекула репрессора «опознаёт» операторный участок. Длина молекулы ДНК E. coli составляет 3,2 млн. пар нуклеотидов, а длина оператора Lac-оператора – всего 24 п.н. (рис.2). Если использовать иной масштаб, и принять длину оператора равной 1 см, то длине всей ДНК будет соответствовать величина 1,33 км. Каким образом нескольким молекулам репрессора удаётся «отыс-кать» на огромной молекуле ДНК свою крошечную операторную последовательность? Успешность столь точного поиска определяется его механизмом.
Молекулы репрессора имеют достаточно сильное химическое сродство и к неоператорной ДНК. По-видимому, все они после своего синтеза прикрепляются к ДНК в любом месте. Но эта связь, примерно, в 100000 раз слабее связи со своим оператором.

Она достаточно сильна, чтобы удерживать молекулы репрес-сора в постоянном контакте с нитью ДНК, но позволяет им перемещаться (скользить) вдоль ДНК (рис.6). Встретившись при таком скольжении со своим оператором, белок-репрессор прочно фиксируется на нём. Моделью данного процесса может служить бусина, нани-занная на длинную нить. Она может свободно перемещаться по нити, пока не наткнётся на крупный узелок.
Рис.6. Схема поиска белком-репрессором области оператора на ДНК бактерии, сплетённой в клубок – нуклеоид. (Объяснение в тексте)

Поиск оператора молекулами репрессора облегчается благодаря особенностям строения как самого репрессора, так и операторного участка ДНК. Оператор имеет структуру палиндрома (рис.2), поэтому он может одинаково хорошо «распознаваться» молекулой репрессора при подходе к нему как слева, так и справа.
Молекула репрессора также симметрична, её противоположные концы одинаковы по строению, а, следовательно, обладают одинаковыми способностями к «распознаванию» оператора. Поэтому молекула репрессора может перемещаться по кольцевой «хромосоме» бактерии в любом направлении. В любом случае, она «обнаружит» свой оператор и прочно соединится с ним.