ძირითადი მასალა

კურსი: ბიოლოგია > თემა 16

გაკვეთილი 1: გენის რეგულაცია ბაქტერიებში

trp ოპერონი

როგორ აკონტროლებს trp რეპრესორი გენის ექსპრესიას. უკურეაქციის ინჰიბირება & ატენუაცია.

საკვანძო საკითხები:

trp ოპერონი, რომელიც E. coli -შია აღმოჩენილი, არის გენების ჯგუფი, რომელიც აკოდირებს ბიოსინთეზურ ფერმენტებს ამინომჟავა ტრიპტოფანის წარმოსაქმნელად.
trp ოპერონი ექსპრესირებულია („ჩართულია") როდესაც ტრიპტოფანის შემცველობა დაბალია, ხოლო რეპრესირებულია („გამორთულია"), როცა მისი დონე მაღალია.
trp ოპერონი რეგულირდება trp რეპრესორის მიერ. ტრიპტოფანთან დაკავშირებისას trp რეპრესორი ბლოკავს ოპერონის ექსპრესიას.
ტრიპტოფანის ბიოსინთეზი ასევე ატენუაციით რეგულირდება (მექანიზმით, რომელიც დაფუძნებულია ტრანსკრიფციისა და ტრანსლაციის შეწყვილებაზე).

რა არის trp ოპერონი?

ბაქტერიებს, როგორიცაა Escherichia coli (ნაწლავის ჩხირი - ჩვენი ნაწლავების კეთილგანწყობილი მაცხოვრებელი) თავის გადასარჩენად ესაჭიროებათ ამინომჟავები, რადგან მათ, როგორც ჩვენ, ცილების წარმოქმნა ესაჭიროებათ. მათთვის აუცილებელი ერთ-ერთი ამინომჟავა ტრიპტოფანია.

თუ ტრიპტოფანი გარემოში ხელმისაწვდომია, E. coli მას ცილების საშენად გამოიყენებს. თუმცა, E. coli -ის შეუძლია, ტრიპტოფანი თავადაც წარმოქმნას იმ ფერმენტების გამოყენებით, რომლებიც კოდირებულია ხუთი გენის მიერ. ეს ხუთი გენი trp ოპერონშია განთავსებული, ერთმეორეს მიყოლებით.

მოკლედ რომ ვთქვათ, ოპერონი იმ გენთა ჯგუფია, რომლებსაც ერთი საერთო პრომოტორი აკონტროლებს და რომლებიც ერთ გრძელ ი-რნმ-ად ტრანსკრიბირდებიან, ზედ არსებული მრავალი გენის თანმიმდევრობით. ოპერონის შემადგენლობაში მარტო გენები არ შედის, მასში ასევე არის დნმ-ის მარეგულირებელი თანმიმდევრობებიც, რომლებიც ამ გენების ექსპრესიას აკონტროლებს (მათ შორისაა პრომოტორი და ნებისმიერი რეპრესორი ან აქტივატორი ცილის დამაკავშირებელი უბნები).

თუ გსურთ, ოპერონის ძირითად თავისებურებებს ნაბიჯ-ნაბიჯ გაეცნოთ, იხილეთ ბაქტერიული გენების რეგულაციის მიმოხილვა.

თუ ტრიპტოფანი გარემოში ხელმისაწვდომია, მაშინ E. coli -ის აღარ უწევს მისი სინთეზირება, ამიტომ trp ოპერონის გენების ტრანსკრიფცია „გამორთულია", არ მიმდინარეობს. ხოლო მაშინ, როდესაც ტრიპტოფანი ნაკლებად ხელმისაწვდომია, ოპერონი „ჩართულია," გენები ტრანსკრიბირდება, ბიოსინთეზური ფერმენტები წარმოიქმნება და უფრო მეტი ტრიპტოფანი სინთეზდება.

trp ოპერონის სტრუქტურა

trp ოპერონი შეიცავს ხუთ გენს, რომლებიც აკოდირებს ტრიპტოფანის ბიოსინთეზისთვის საჭირო ფერმენტებს, პრომოტორსა (რნმ-პოლიმერაზას დაკავშირების უბანი) და ოპერატორთან (რეპრესორი ცილის დაკავშირების უბანი) ერთად. trp ოპერონის გენები ერთიან ი-რნმ-ად ტრანსკრიბირდება.

ოპერონის „ჩართვა" და „გამორთვა"

რას აკეთებს ოპერატორი? დნმ-ს ეს მონაკვეთი ამოიცნობა მარეგულირებელი ცილის, trp რეპრესორის, მიერ. როდესაც რეპრესორი ოპერატორთანაა დაკავშირებული, იგი წინ ეღობება რნმ-პოლიმერაზას, ტრანსკრიფციის ფერმენტს და შესაბამისად, ხელს უშლის მას ოპერონის ტრანსკრიფციაში.

ცილა trp რეპრესორი კოდირებულია გენში, სახელად trpR. ეს გენი trp ოპერონის ნაწილი არ არის და სულ სხვაგან მდებარეობს ბაქტერიის ქრომოსომაზე. მას საკუთარი პრომოტორი და სხვა მარეგულირებელი თანმიმდევრობები აქვს.

trp რეპრესორი ყოველთვის არ უკავშირდება დნმ-ს. იგი უკავშირდება და ბლოკავს ტრანსფრიფციას, მხოლოდ მაშინ, როდესაც წარმოდგენილია ტრიპტოფანი. როდესაც ტრიპტოფანი ახლომახლოა, იგი ებმის რეპრესორის მოლეკულებს და ცვლის მათ ფორმას, ამიტომ ისინი აქტიურდებიან. ტრიპტოფანისმაგვარ მცირე მოლეკულას, რომელიც რეპრესორს ააქტივებს, კორეპრესორი ეწოდება.

მეორე მხრივ, როდესაც უჯრედში ცოტა ტრიპტოფანია, trp რეპრესორი არააქტიურია (რადგან ტრიპტოფანი ხელმისაწვდომი არაა, რომ დაუკავშირდეს და გაააქტიუროს იგი). ამ დროს რეპრესორი არც დნმ-ს ებმის და არც ტრანსკრიფციას ბლოკავს, ეს კი საშუალებას აძლევს რნმ-პოლიმერაზას, წარმართოს trp ოპერონის ტრანსკრიფცია.

ამ სისტემაში, trp რეპრესორი მოქმედებს ორნაირად, როგორც სენსორი და ჩამრთველი. იგი „აღიქვამს", ტრიპტოფანი უკვე მაღალი შემცველობითაა თუ არა გარემოში ხელმისაწვდომი, რა შემთხვევაშიც იგი ოპერონს „გათიშავს", იმისთვის, რომ არასაჭირო ბიოსინთეზური ფერმენტები ზედმეტად არ წარმოიქმნას.

trp ოპერონის დამატებითი რეგულაცია: ატენუაცია

იმის მიხედვით, თუ რა საგანს გადიხართ ან რა ინტერესები გაქვთ, შესაძლოა გსმენიათ trp ოპერონის სხვა სახის რეგულაციაზე, კერძოდ ატენუაციაზე.

trp რეპრესორის მიერ რეგულაციის მსგავსად, ატენუაციაც trp ოპერონის ექსპრესიის შესამცირებელი მექანიზმია, რომელიც ტრიფტოფანის მაღალი შემცველობის დროს ჩაირთვება, თუმცა ტრანსკრიფციის ინიციაციის, ანუ დაწყების, დაბლოკვის მაგივრად, ატენუაცია ხელს უშლის ტრანსკრიფციის დასრულებას.

როდესაც ტრიპტოფანის დონე მაღალია, ატენუაცია იწვევს რნმ-პოლიმერაზას ნაადრევ შეჩერებას trp ოპერონის ტრანსკრიფციის პროცესში. შედეგად წარმოიქმნება მხოლოდ პატარა, მოკლე ი-რნმ, რომელიც არ აკოდირებს ტრიპტოფანის ბიოსინთეზისთვის საჭირო არცერთ ფერმენტს. ატენუაციის მექანიზმი ტრანსკრიფცია-ტრანსლაციის შეწყვილებაზეა დაფუძნებული (ი-რნმ-ის ტრანსლაცია მაშინ, როცა ჯერ კიდევ მისი ტრანსკრიფცია მიმდინარეობს),

ატენუაციის გასაგებად, მოდით, ზედა ნაწილში მოკლედ განხილული trp ოპერონის ერთ-ერთ მონაკვეთს უფრო ახლოს გავეცნოთ. იგი ოპერატორსა და ოპერონის პირველ გენს შორის მდებარეობს და ლიდერი ეწოდება. ლიდერი აკოდირებს მოკლე პოლიპეპტიდს და ასევე შეიცავს ატენუატორის თანმიმდევრობასაც. ატენუატორი პოლიპეპტიდს არ აკოდირებს, მაგრამ მის შესაბამის ი-რნმ-ს რამდენიმე თვითკომპლემენტარული უბანი აქვს და შეუძლია, სხვადასხვანაირი, თმის სარჭის მსგავსი სტრუქტურები წარმოქმნას.

მას შემდეგ, რაც რნმ-პოლიმერაზა ოპერონის ტრანსკრიფციას დაიწყებს, ჯერ კიდევ მზარდ ტრანსკრიფტს (ი-რნმ-ს) რიბოსომა უკავშირდება და ლიდერი მონაკვეთის ტრანსლაციაც იწყება. ლიდერში კოდირებული პოლიპეპტიდი მოკლეა, სულ რაღაც

14

ამინომჟავასგან შედგება და მასში ტრიპტოფანის (Trp) ორი ნაშთია

^{1}

. ეს ტრიფტოფანები მნიშვნელოვანია იმიტომ, რომ:

თუ ბაქტერიას ტრიფტოფანი თავზე საყრელად აქვს, რიბოსომას არ მოუწევს, დიდხანს უცადოს ტრიფტოფანის მატარებელ ტ-რნმ-ს და იგი მალევე დაასრულებს ლიდერი პოლიპეპტიდის აწყობას.
თუ ტრიფტოფანი ცოტაა, რიბოსომას უწევს, დაყოვნდეს Trp კოდონებზე (და დაელოდოს ტრიპტოფანის მატარებელ ტ-რნმ-ს), რის გამოც ლიდერის ტრანსლაცია დროში გაჭიანურდება.

რა მნიშვნელობა აქვს, რიბოსომა ლიდერის ტრანსლაციას სწრაფად მორჩება თუ ნელა? როგორც ზემოთ ვახსენეთ, ლიდერის შემდეგ ატენუატორის მონაკვეთი მდებარეობს, რომლის შესაბამისი ი-რნმ-ის მოლეკულის ნაწილები ერთმანეთს ეწებებიან და სხვადასხვანაირ, თმის სარჭის მსგავს სტრუქტურებს წარმოქმნიან. ერთ-ერთი ასეთი სტრუქტურა ტრანსკრიფციის დასრულების (ტერმინაციის) სიგნალია, მეორე კი პირიქით, დასრულების საშუალებას არ იძლევა (დამასრულებელი, ტერმინატორი სარჭის წარმოქმნას უშლის ხელს)

^{2}

თუ რიბოსომაზე ტრანსლაცია ნელა მიმდინარეობს, პროცესი დაპაუზდება და ამის გამო ანტიტერმინატორი (არატერმინატორი, არადამასრულებელი სარჭი) წარმოიქმნება. იგი ხელს უშლის ტერმინატორის წარმოქმნას და ტრანსკრიფციაც გრძელდება.
ტრიპტოფანის დაბალი კონცენტრაცია: როცა უჯრედში ბევრი ტრიფტოფანი არ არის, რიბოსომა Trp კოდონზე შეჩერდება ლიდერის დასაწყისში არსებული მოკლე პოლიპეპტიდის ტრანსლაციისას. შეჩერების შედეგად 2 და 3 უბნები ერთმანეთს უკავშირდება და თმის სარჭს წარმოქმნის. ეს, ე.წ. ანტიტერმინატორი, თმის სარჭი ხელს უშლის ტერმინატორი თმის სარჭის ფორმირებას 3 და 4 უბნების მიერ. ტერმინაცია აღარ ხდება და რნმ-პოლიმერაზა აგრძელებს ტრანსკრიფციას, რის შედეგადაც trpE-trpA გენებისგან შემდგარი ტრანსკრიპტი წარმოიქნნება.
თუ რიბოსომაზე ტრანსლაცია სწრაფად მიმდინარეობს, ლიდერი პეპტიდის წარმოქმნის შემდეგ რიბოსომა და ი-რნმ ერთმანეთს მოშორდება. შედეგად წარმოიქმნება ტერმინატორი და ასოცირებული სარჭები, რაც აიძულებს რნმ-პოლიმერაზას, მოშორდეს ოპერონს და ტრანსკრიფციაც სრულდება.
ტრიპტოფანის მაღალი კონცენტრაცია: რიბოსომა არ ჩერდება Trp კოდონებზე ლიდერი პოლიპეპტიდის სინთეზის პროცესში, რადგან ტრიპტოფანი ბევრია (და შესაბამისად, Trp-ით დატვირთული ტ-რნმ-ებიც). რიბოსომა სწრაფად წარმოქმნის ლიდერ პოლიპეპტიდს, აღწევს სტოპ-კოდონს და ჩამოშორდება ი-რნმ-ს. შედეგად 1 და 2 უბნებს შეუძლიათ, დაწყვილდნენ, ისევე, როგორც 3 და 4 უბნებს და შედეგად ტერმინატორი თმის სარჭი წარმოიქმნება. სარჭი რნმ-პოლიმერაზას დნმ-ისა და ტრანსკრიპტისგან ჩამოშორებს იწვევს და ტრანსკრიფცია წყდება. საბოლოოდ მხოლოდ მოკლე ი-რნმ წარმოიქმნება ლიდერი უბნით, ხოლო trpE-trpA გენები - არ ტრანსკრიბირდება.

ეს საკმაოდ რთული მექანიზმია, მაგრამ შედეგი ძალიან ლოგიკურია: როცა ტრიპტოფანი უხვადაა, რიბოსომა სწრაფად გაივლის ლიდერ მონაკვეთს, წარმოიქმნება ტერმინატორი სარჭი და trp ოპერონის ტრანსკრიფცია სრულდება. როცა ტრიპტოფანი ცოტაა, რიბოსომა ნელა მოძრაობს ლიდერზე, წარმოიქმნება არატერმინატორი სარჭი და trp ოპერონის ტრანსკრიფცია გრძელდება.

სხვანაირად რომ ვთქვათ, ატენუაციით რეგულირება იმავე ლოგიკას ეფუძნება, რასაც trp რეპრესორით რეგულირება. ორივე შემთხვევაში, ტრიპტოფანის მაღალი შემცველობა უჯრედში იწვევს ოპერონის ექსპრესიის შეწყვეტას. ეს ლოგიკურია, რადგან როცა ტრიპტოფანი ისედაც ბევრია ბაქტერიაში, მას აღარ სჭირდება ამ ამინომჟავას ბიოსინთეზის ფერმენტების წარმოქმნა და კიდევ მეტი ტრიპტოფანის სინთეზი.

ატრიბუცია:

მოდიფიცირებული სტატიის თავდაპირველი ვერსიაა „გენების რეგულაცია პროკარიოტებში", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია CC BY 4,0. ჩამოტვირთეთ თავდაპირველი სტატია უფასოდ აქ: http://cnx.org/contents/76b4a074-d223-4ad9-8d9e-4114c74f492c@5.

სახეცვლილი სტატია ვრცელდება CC BY-NC-SA 4,0 ლიცენზიით.

ციტირებული შრომები:

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1143. http://dx.doi.org/10,1261/rna.620507.
Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1144. http://dx.doi.org/10,1261/rna.620507.

წყაროები:

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2002). How genetic switches work. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. წყარო: www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26872/

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2002). Prokaryotic DNA-binding proteins bind specifically to regulatory sites in operons. In Biochemistry (5th ed., section 31,1). New York, NY: W. H. Freeman. წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22512/.

Bergmann, D. C. (2011). Gene regulation: How to only make RNA (and protein) at the right time and place. In BIO41: 2011 Molecular biology lectures on DNA, RNA and biotechnology (pp. 9-13).

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Additional examples of control: Attenuation. In An introduction to genetic analysis. New York, NY: W. H. Freeman. წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22103/.

Gutierrez, R. (2009). Bio41 week 9 — Molecular biology Lectures 4-6. In Stanford Bio41.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Bacterial transcription initiation. Molecular Cell Biology (4th ed., section 10,2). New York, NY: W. H. Freeman. წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21612/.

McClean, P. (1997). The trp operon - A repressible system. In Prokaryotic gene expression. წყარო: https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc431/prokaryo/prokaryo3.htm.

ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია. (29 სექტემბერი, 2015). გენების რეგულაცია პროკარიოტებში. In OpenStax CNX. წყარო: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9,87:drSgdNIj@5/Prokaryotic-Gene-Regulation.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). The trp operon is controlled by the trp repressor. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 311-312). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription. In Campbell biology (10th ed., pp. 361-365). San Francisco, CA: Pearson.

Szouter, P. (2013). Lecture 17 - Prokaryotic regulation. In BIOL 202 Genetics. წყარო: http://www.discoveryandinnovation.com/BIOL202/notes/lecture17.html.

ტრიპტოფან-სინთაზა. (31 იანვარი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 17 აპრილი, 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Tryptophan_synthase.

Trp ოპერონი. (11 თებერვალი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 17 აპრილი, 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Trp_operon.

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1141-1154. http://dx.doi.org/10,1261/rna.620507.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.