11.5 : Prokaryotic Transcriptional Activators and Repressors

Организация прокариотических генов в их геномах заметно отличается от таковой у эукариот. Прокариотические гены организованы таким образом, что гены белков, участвующих в одном и том же биохимическом процессе или функции, расположены вместе в группах. Эта группа генов вместе со своими регуляторными элементами известна как оперон. Функциональные гены оперона транскрибируются вместе, образуя единую цепь мРНК, известную как полицистронная мРНК.

Транскрипция прокариотических генов в опероне регулируется двумя типами ДНК-связывающих белков, известных как активаторы и репрессоры. Активаторы связываются с промотором, участком инициации транскрипции, и способствуют связыванию РНК-полимеразы, ключевого фермента, участвующего в транскрипции. Репрессоры связываются с операторами, короткими регуляторными последовательностями в опероне между промотором и генами, и ингибируют связывание РНК-полимеразы с промотором.

Предварительным структурным условием для активаторов и промоторов является то, что они должны иметь возможность существовать в двух альтернативных конформациях: в одной они могут связываться с ДНК, а во второй - нет. Другой характерной особенностью активаторов является то, что они имеют две поверхности связывания, которые одновременно связываются как с РНК-полимеразой, так и с ДНК. Это комплектование двух молекул приближает полимеразу к промотору и способствует ее связыванию. Активаторы не играют каталитической роли в транскрипции, и их функция ограничивается облегчением связывания фермента и ДНК. В отсутствие активатора РНК-полимераза все еще может связываться с ДНК и демонстрирует низкие уровни экспрессии. Если в этой системе присутствует репрессор, то базальная экспрессия этого гена не допускается.

Регулирование экспрессии прокариотических генов во многом зависит от доступности питательных веществ и потребностей организмов. Эти питательные вещества контролируют связывание активаторов и репрессоров с опероном и обеспечивают экспрессию только необходимого набора генов. Например, присутствие триптофана в клетке приводит к его связыванию с репрессором, что предотвращает транскрипцию оперона trp и последующее производство триптофана.