Тема 6: РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

Короткие повторы относятся к ретропозонам, они представлены последователностями Alu. У человека они составляют до 5-6% генома, встречаются 3х105 раз на геном. Возможно, это частично процессированные копии т-РНК (транспортной) и 7S РHК, которая входит в состав рибосом и обеспечивает прикрепление их к эндоплазматическому ретикулюму. Механизмы транспозиции

Молекулярные механизмы транспозиции сопряжены с репликацией транспозонов, как отдельных репликативных единиц, и существенно различаются у разных видов. В процеесе репликации транспозоны могут удваиваться, что в конечном итоге ведет к появлению их копий в разных элементах генома (хромосомах, плазмидах, умеренных вирусах).

Известны три основных механизма транспозиции, связанных с их копированием:

– консервативный;

– полуконсервативный;

– РНК-опосредованный.

 

При консервативном механизметранспозиции обе цепи ДНК вырезаются из исходной молекулы и дальше встраиваются в ДНК-мишень, например в плазмиду, а в месте делеции (выпадения участка ДНК) происходит репликативная репарация. Если же для застраивания бреши не имеется матрицы, то может происходить «самоубийственная» транспозиция, сопровождающаяся деградацией всей ДНК за счет гидролитического действия экзонуклеаз. Соответствующие экзонуклеазы присоединяются к 5´- и 3´-концам ДНК в районе бреши, образовавшейся при выщеплении транспозона, и начинают последовательно удалять один нуклеотид за другим. При консервативном механизме транспозиции транспозаза вырезает транспозон сразу гидролизуя обе цепи ДНК в одном месте (с образованием «тупых» концов) и может замыкать вырезанный транспозон в кольцо. По такому механизму происходит транспозиция Tn 5, IS 1, IS 903 и др.. При встраивании в ДНК-мишень эти мобильные элементы вызывают дупликацию концов мишени с образованием прямых повторов из 9 п.н..

Полуконсервативный механизм транспозиции. Этот механизм хорошо изучен на примере Ми-фага, который может рассматриваться как транспозон. При таком механизме в двухцепочечной молекуле ДНК справа и слева от транспозона фермент транспозаза разрывает по одной цепи в транс-положении, а к образовавшимся концам прикрепляется белок А (продукт гена А у Ми-фага). Белок В (продукт гена В) делает разрыв в ДНК-мишени с образованием «липких» концов в 5 п.н. и присоединяется к ним. После этого происходит соединение разорванных концов транспозона с «липкими» концами разрезов ДНК-мишени. В результате такого соединения образуется коинтеграт – сцепленные кольца ДНК-донора (например, хромосомы) и ДНК-мишени (плазмиды). В коинтеграте вокруг транспозона остается по 2 несоединенных цепи, которые имитируют репликативные вилки, с которых и начинается удвоение транспозона. После репликации резолваза осуществляет сайт-специфическую рекомбинацию в res-области удвоенного транспозона, разрезая сцепленные цепи и воссоединяя их крест-на-крест. В результате этого сцепленные кольца коинтеграта разъединяются и по одной копии транспозона оказывается и в исходной молекуле ДНК-донора, и в молекуле ДНК-мишени. Таким образом, транспозон остается и на прежнем месте, и появляется в другом месте или элементе генома, т.е. как бы размножается.

Полуконсервативный процесс транспозиции характерен для крупных транспозонов TnA-семейства, к которому отнесены Ми-фаг, Tn1, Tn3, Tn21, Tn501, Tn1000 и ряд других МГЭ.

РНК-опосредованный механизм транспозиции встречается в основном у эукариот при формировании и перемещении ретротранспозонов и ретропозонов. Данные МГЭ формируются за счет обратной транскрипции на вирусных РНК (ретротранспозоны) или клеточных РНК (ретропозоны). С помощью фермента обратной транскриптазы, источником которой зачастую являются ретровирусы, происходит синтез ДНК-копий на матрицах молекул РНК. Образованные ДНК-копии встраиваются в ДНК хромосом, однако легко могут из них выщепляться и переноситься в другие сайты генома, причем количество их копий при транспозициях может увеличиваться.

В заключение следует отметить, что мобильные генетические элементы (плазмиды, транспозоны, вирусы) вносят весомый вклад в изменчивость живых организмов. Мутации, вызванные перемещением транспозонов, будучи подхвачены отбором, способствуют адаптации организмов в постоянно меняющихся условиях среды.

Живая клетка является открытой динамической саморегулирующейся системой, метаболизм которой зависит как от внутренних потребностей, так и от факторов окружающей среды. Поэтому все существующие в клетке гены экспрессируются не одновременно, а по потребности. Кроме того и активность ферментов меняется в зависимости от нужд клетки. В этом и состоит сущность регуляции метаболизма.

Регуляция метаболизма осуществляется на двух основных уровнях – генетическом и биохимическом. На генетическом уровне обмен веществ регулируется путем регуляции экспрессии генов, а именно усилением или подавлением транскрипции и трансляции. Второй уровень регуляции – биохимический осуществляется за счёт регуляции активности ферментов. Генетическая регуляция – грубый способ настройки метаболизма, биохимическая регуляция – более тонкая настройка.

Молекулярной основой обоих уровней регуляции являютсяаллостерические ферменты и белки, имеющие обычно два типа активных центров. Один из них служит для присоединения низкомолекулярных эффекторов, которые могут влиять на проявление активности второго активного центра, путем изменения пространственной структуры белка.

При регуляции ферментативной активности (биохимический уровень) – сами ключевые ферменты того или иного метаболического цикла являются аллостерическими. Они имеют два типа активных центров – каталитический (для связывания с субстратом) и эффекторный (для связывания с эффектором – активатором или ингибитором). Если фермент связывается с активатором, изменяется его конформация и, в том числе, пространственная структура каталитического центра. Это способствует облегчению связывания фермента с субстратом и усиливает ферментативную активность. Если эффектор является ингибитором, то его присоединение к эффекторному центру фермента ослабляет или делает невозможным взаимодействие субстрата с каталитическим центром и ведет к понижению или полному угнетению ферментативной активности.

В регуляции экспрессии генов(генетической уровень) также участвуют аллостерические белки. Они выступают в роли белков-регуляторов, которые связываются с ДНК в промоторной зоне гена (или оперона) в области оператора и могут либо усиливать, либо подавлять транскрипцию. Один центр белка-регулятора служит для присоединения к ДНК, второй центр – для связывания эффектора. Аллостерические белки-регуляторы выступают в роли посредников между ДНК и эффектором.

Эффекторами, способными «включать» или «выключать» гены, являются:

· в катаболических генах (оперонах)– самисубстраты (например, углеводы), которые подлежат расщеплению, они выступают активаторами для белка-регулятора, т.е. выполняют функцию «включателей» гена;

· в анаболических оперонах – конечные продукты синтеза (например, аминокислоты, нуклеотиды), они выступают в роли корепрессоров для белка-регулятора и, связываясь с ним, «выключают» транскрибирование ферментов, необходимых для их собственного синтеза.

Механизмы регуляции метаболизма на генетическом уровне впервые были изучены на прокариотах (в оперонах кишечной палочки) в работах Жакоба и Моно еще в 40х-60х годах ХХ столетия. В настоящее время установлено, что регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне транскрипции – при синтезе и-РНК и на уровне трансляции – при синтезе белка на рибосомах.

На уровне транскрипции выявлены такие механизмы регуляции:

· положительный и отрицательный контроль;

· индукция и репрессия;

· аутогенный контроль;

· катаболитная репрессия;

· смешанные механизмы регуляции;

· регуляция посредством взаимодействия с энхансерами и сайленсерами (у эукариот)

 

На уровне трансляции выявлены следующие механизмы:

· аттенуация путем образования альтернативных шпилек на и-ДНК (изучена у прокариот),

· регуляция трансляции на уровне сборки рибосом;

· регуляция трансляции с помощью факторов инициации, элонгации и терминации.