Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир - Партасарати Рагувир
Ген lacZ (см. рисунок) кодирует часть механизма усвоения лактозы. Выше по ходу транскрипции от него (грубо говоря, перед ним), как всегда, находится его промотор. РНК-полимераза, которую я изобразил в виде серой фигуры, вот-вот продвинется вперед и считает ген lacZ.
(Рисунок выполнен без соблюдения масштаба; в реальности ген lacZ состоит примерно из 3 тысяч п. н., а РНК-полимераза покрывает лишь 30–40.) E. coli производит белок, называемый lac-репрессором, который связывается с оператором – другим участком ДНК выше по ходу транскрипции от lacZ. Когда lac-репрессор (темная фигура) связан с ДНК, РНК-полимераза не может нормально прикрепиться к ДНК1 и ген lacZ не экспрессируется.
Как мы знаем, ДНК и белки – это физические тела со специфической структурой, которая определяет характер их работы. Lac-репрессор связывается с ДНК поразительно хитроумным способом. Расстояние между последовательностями нуклеотидов, которые он распознает, превышает его собственную ширину. Следовательно, репрессор должен сворачивать ДНК в тугое кольцо диаметром около 10 нанометров2.
Мы помним, однако, что ДНК – молекула жесткая. Если дать ей свободу, она останется относительно прямой на 100-нанометровых отрезках. Подобно цирковому силачу, гнущему железный прут, lac-репрессор изгибает ДНК. Свернутая в петлю ДНК мешает РНК-полимеразе считывать гены белков, которые участвуют в расщеплении лактозы3.
У lac-репрессора есть еще одно удивительное свойство: он может связываться с молекулярным двойником лактозы, аллолактозой (черный кружок на следующем рисунке), из-за чего слегка меняет форму и теряет способность удерживаться на операторе. Набредая на лактозу в среде, бактерия поглощает какое-то ее количество и преобразует в аллолактозу, lac-репрессор перестает работать, и синтезируются расщепляющие лактозу белки – теперь бактерия может насытиться находкой.
Регуляторы, подобные lac-репрессору, характерны для всех организмов, не только для бактерий. Мешать РНК-полимеразе должным образом взаимодействовать с ДНК или хотя бы конкурентной борьбой снижать вероятность такого взаимодействия – одна из излюбленных природой тактик регуляции активности генов. Подавление экспрессии может быть сопряжено с внешними стимулами, как в случае с lac-репрессором, либо с внутренними, как мы увидим далее.
В регуляторном арсенале клетки припасены и противоположно действующие инструменты – активирующие экспрессию. Особенно часто они работают в районе промоторов, с которыми РНК-полимераза связывается слабо. Белки-активаторы, имеющие сродство с полимеразой, распознают и занимают прилегающие к промотору участки ДНК, повышая шансы РНК-полимеразы удержаться и начать транскрипцию.
Активаторам нашлось место и в истории с лактозой. Бактерии вроде E. coli действительно любят лактозу, но еще больше они любят другой сахар, глюкозу. Будь у бактерий глюкоза, они ни за что не стали бы тратить силы на расщепление даже доступной лактозы. Этот феномен в 1940-х открыл Жак Моно4, который во время Второй мировой войны совмещал исследования в области фундаментальной биологии с участием во французском Сопротивлении. Бактерия должна экспрессировать гены расщепления лактозы, только если в среде есть лактоза и нет глюкозы. Задачу регулятора здесь выполняет белок, активирующий катаболизм (CAP; г-образная фигура на рисунке). Связь РНК-полимеразы с lac-промотором слаба, поэтому даже без lac-репрессора транскрипция генов катаболизма лактозы маловероятна. Бактерия производит белок-активатор, который садится на ДНК, только если связан с молекулой под названием циклический аденозинмонофосфат, или цАМФ. Эту молекулу бактерии производят лишь при низком уровне глюкозы, и ее даже называют «сигналом голода». Следовательно, в присутствии глюкозы цАМФ мало, активатор не связывается с ДНК, и гены расщепления лактозы не экспрессируются, даже если она доступна. Когда глюкозы нет, цАМФ много, активатор связывается с ДНК и гены экспрессируются – при условии, что полимераза не блокируется lac-репрессором. Это очень хитроумная система, особенно для безмозглого существа размером в тысячную долю миллиметра.
Репрессоры и активаторы в совокупности называют факторами транскрипции, поскольку они управляют транскрипцией генетической информации. Факторы транскрипции представляют собой белки, а значит, сами кодируются генами. В нашем геноме таких генов очень много – точное число неизвестно, но считается, что их не меньше 16005. И это при том, что у нас всего около 20 тысяч белок-кодирующих генов. Иными словами, существенная часть наших генетических инструкций приходится на тормозящие и инициирующие механизмы считывания самих инструкций.
Факторы транскрипции и решения, которые они обеспечивают, характерны для всей живой природы и незаменимы при кодировании сложного поведения простыми генами. Регуляторным областям – посадочным площадкам для факторов транскрипции в геноме – даже не обязательно примыкать к подконтрольным генам. Поскольку геном изгибается и перекручивается, транскрипционный фактор, связанный с участком ДНК, может влиять на экспрессию гена, который пространственно приближен, хотя на распрямленной ДНК находился бы далеко (см. рисунок)6.
Такие взаимоотношения генетического и физического расстояний открывают дополнительные возможности для регуляции генов и активно исследуются в современной биофизике.
Все механизмы, которые мы рассматривали, относились к регуляции транскрипции, то есть первого шага в экспрессии гена, когда закодированная в ДНК информация переписывается языком РНК. Клетки также могут регулировать трансляцию, или синтез белка по матрице РНК. Способов такой регуляции множество, включая управление скоростью деградации матричной РНК, изоляцию мРНК в особых зонах клетки и даже синтез молекул РНК, комплементарных мРНК, чтобы образовавшийся дуплекс не смог транслироваться в белок. Мы могли бы посвятить еще множество страниц изучению разнообразия инструментов генетической регуляции, но лучше сделаем шаг назад и оценим универсальность этих механизмов и некоторых структур, созданных природой для объединения отдельных инструментов в машины.
Мы увидели, как lac-система применяет факторы транскрипции, чтобы включать или выключать гены в зависимости от стимулов окружающей среды, в частности от актуального выбора сахаров. E. coli и другие бактерии используют эту систему, чтобы привести свою биохимическую активность в соответствие с доступностью той или иной пищи. Ученый может без труда добавить лактозу в колбу с изголодавшимися по глюкозе бактериями, и это подтолкнет их к активации гена lacZ. Однако можно поступить похитрее, добавив в колбу реагент ИПТГ, который очень похож на аллолактозу, но при этом устойчив к расщеплению. Связавшись с ИПТГ, lac-репрессор не сможет удерживаться на операторе и подавлять транскрипцию, поэтому клетка начнет производить ферменты катаболизма лактозы, даже когда ее нет. Смысл этих странных манипуляций в том, чтобы создать управляемую систему для экспрессии нужных генов. Возможно, ученый заменил гены расщепления лактозы другими, сохранив те же регуляторные элементы, включая lac-промотор. Эти новые гены могут кодировать флуоресцентные белки, позволяющие наблюдать за бактерией, или какие-то полезные вещества вплоть до лекарств. Теперь ученый может контролировать экспрессию встроенных генов с помощью внешнего индуктора, ИПТГ.
