Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 21

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Энхансер. Активаторы. Репрессоры, репрессия. Сайленсер. Медиаторный комплекс. Смена и воспроизводство сценария. Операторы. Индукторы, индукция. Корепрессоры. Коактиваторы. Малая молекула. Брутто-формула. Лактаза. Непереносимость лактозы. Ген lacI. Лактозный оперон lacZYA. β-галактозидпермеаза. Обратная отрицательная связь. САР. Триптофановый оперон, триптофансинтаза. Аттенюатор. Лидерная последовательность. Лидерный пептид. Терминаторная шпилька. Сайт паузы.

Содержание

    Мы в целом разобрались с тем, как устроены базальные промоторы, но, как уже было написано, в состав промотора в более широком понимании этого слова входят и другие последовательности оснований, которые оказывают свое влияние на процесс транскрипции. Сейчас мы рассмотрим – что такое энхансер. Энхансер – это регион ДНК, длина которого может меняться в широких пределах – от 50 до 1500 оснований (поскольку сейчас все это рассматривается в аспекте процесса транскрипции, то уместнее говорить об энхансере как о последовательности азотистых оснований, а не остатков нуклеотидов). Как мы видели, элементы базального промотора лежат очень близко к точке начала транскрипции – в пределах пары сотен оснований. В отличие от них, энхансер может располагаться очень далеко не только от точки начала транскрипции, но и очень и очень далеко от самого гена – порой на расстоянии миллиона (!) оснований перед геном или после него (или в интронах). Более того – они могут даже находиться на другой хромосоме! Это, конечно, очень затрудняет для нас поиск энхансера для того или иного гена. С другой стороны, когда мы в очередной раз видим в составе ДНК якобы мусорный элемент, то может так оказаться, что этот элемент является энхансером того или иного гена. В геноме человека сейчас насчитывается несколько сот тысяч энхансеров, а если мы учтем и те участки, которые являются предполагаемыми (но еще не доказанными) энхансерами, то их число превысит миллион. Напомню, что генов при этом у человека всего лишь около 30 тысяч! Зачем нужно столько энхансеров при таком небольшом количестве генов? Вероятнее всего для того же, для чего служит альтернативный сплайсинг и прочие механизмы, с помощью которых достигается большое разнообразие продуктов, получаемых из генов, и большое разнообразие функций этих продуктов в их теснейшей взаимосвязи.

    Энхансеры – довольно универсальные элементы ДНК, и они встречаются как у эукариотов, так и у прокариотов. Единственное, что является необходимым условием для работы энхансера – это возможность его физического контакта с базальным промотором. Если энхансер находится очень далеко от гена, то физический его контакт с базальным промотором достигается с помощью изгибания хромосомы, «выпетливания» между базальным промотором и энхансером.

    Теперь взглянем на то, какую функцию выполняет энхансер. Сам по себе он не в состоянии оказать какое-то воздействие на базальный промотор, но он привлекает к себе особые белки – особые факторы транскрипции — активаторы, которые объединяются с энхансером. Затем активаторы привлекают к себе белки (о них ниже), которые составляют медиаторный комплекс, и именно медиаторный комплекс привлекает РНК-полимеразу и главные факторы транскрипции, которые принимают участие в посадке РНК-полимеразы на ДНК в месте начала транскрипции. Только после этого РНК-полимераза может начать процесс транскрипции.

    Обычно энхансер активирует близлежащий к нему промотор, но если энхансер находится между двумя промоторами (а их может быть несколько), то активироваться может лишь один из них, ведь чтобы активировать промотор, энхансер должен физически войти в соприкосновение с ним за счет белок-белковых взаимодействий, соединяющих комплексы на промоторе и энхансере.
     
    Существуют еще так называемые инсуляторы — такие последовательности оснований на ДНК, которые в результате некоторых процессов ограничивают активность энхансера, предотвращая его контакт с промотором.
     
    Вообще до сих пор механизм работы энхансеров во многих ситуациях остается малоизученным. К примеру, мы до сих пор не знаем, какие промоторы нуждаются в энхансерах того, чтобы обеспечивать нормальный уровень экспрессии гена. Мы не знаем — почему некоторые энхансеры избирательно активируются лишь в определенных тканях, в то время как другие могут выполнять свои функции в любых типах клеток.

    Когда мы говорим «РНК-полимераза начинает транскрипцию», то двумя словами описываем процесс, который на самом деле довольно сложен, и который мы подробнее изучим позже. Вообще надо понимать, что любая смена сценария поведения тех или иных клеточных объектов является очень сложным процессом – гораздо более сложным, чем процесс многократного воспроизводства одного и того же сценария. Эти термины – «смена сценария» и «воспроизводство сценария» — не используются в генетике, они придуманы мной и будут мной далее использоваться. Рассматривая, к примеру, процесс наращивания пептидной цепочки или процесс наращивания цепочки из нуклеозид-монофосфатов, мы понимаем, что одна и та же операция может повторяться тысячи раз, и если мы уже знаем – как протекает один ее этап, то сразу же в знаем – как протекают все остальные. Это и есть воспроизводство сценария. Конечно, воспроизводство сценария тоже может допускать те или иные вариации. С другой стороны, когда мы говорим что-то вроде «РНК-полимераза начинает движение по ДНК, начинает производство пре-мРНК», то надо понимать, что слово «начинает» обозначает на самом деле то, что в этот момент происходит что-то очень сложное, что и приводит к тому, что какой-то один процесс заканчивается и сменяется другим. Пассивная прикрепленность РНК-полимеразы к промотору сменяется движением, и чтобы такая смена сценария произошла, должно быть вовлечено множество участников при сложном их взаимодействии друг с другом. Процесс начала движения РНК-полимеразы мы рассмотрим позже.

    Помимо белков-активаторов существуют и белки-репрессоры, которые, соединяясь с ДНК, вызывают подавление (репрессию) транскрипции гена. Репрессоры прикрепляются к особым участкам ДНК, которые называются сайленсерами (молчание — silence). В отличие от энхансеров, сайленсеры могут находиться на расстоянии до 2500 оснований от базального промотора. Механизм действия репрессора очень прост: он физически блокирует прикрепление РНК-полимеразы к промотору. Такая блокировка экспрессии называется репрессией.

    Есть обобщающий термин, обозначающий и сайленсер, и энхансер: оператор, т.е. сайленсер и энхансер – это разновидности операторов, выполняющие противоположные функции в своем влиянии на процесс транскрипции.

    Как и следовало ожидать, в клетке есть обширная система регулирования работы репрессоров и активаторов. Немного познакомимся с наиболее заметными представителями этой системы.

    В клетке существует еще один класс белков, выполняющих функцию активизации транскрипции, т.е. активизации экспрессии гена – это индукторы. Индукторы могут двумя способами достигать своей цели. Во-первых, они могут препятствовать работе репрессоров: связываясь с репрессором, индуктор заставляет его изменить свою форму и, в результате, попросту лишает его возможности связываться с сайленсером, что предотвращает торможение транскрипции. Во-вторых, активаторы сами по себе являются довольно ленивыми работниками и связываются с энхансерами не очень уж активно, а вот когда индуктор связывается с активатором, тогда образуется медиаторный комплекс, активность которого по связыванию с энхансером в несколько раз выше активности одиночного активатора. Повышение уровня экспрессии некоторого гена с помощью вовлечения в процесс молекул индукторов (как правило, это малая молекула) называется индукцией.

    Если индуктор присоединяется к репрессору, пока тот находится в свободном плавании, то репрессор просто не может присоединиться к сайленсеру, а если репрессор уже присоединен к сайленсеру, то присоединение к нему индуктора приведет к тому, что репрессор уйдет с этого места на ДНК.

    Термин «малая молекула» в биохимии означает молекулу, имеющую размер не более 1 нанометра, и соответственно массу не более 900 дальтон (дальтон – это то же, что а.е.м. — примерно масса протона/нейтрона). Интересно прикинуть: окситоцин, к примеру, это малая молекула, или нет? Брутто-формула (т.е. формула, в которой перечислены все входящие в нее атомы с указанием их количества) окситоцина: C43H66N12O12S2. Углерод имеет 6 протонов и 6 нейтронов (изотоп 12С); водород – 1 протон; азот – 7 протонов и 7 нейтронов (изотоп 14N); кислород – 8 протонов и 8 нейтронов (изотоп 16О), и сера – 16 протонов и 16 нейтронов (изотоп 32S). Суммируем и получаем: 1006. За гранью того, что считается малой молекулой, но близко к самому верхнему пределу. Чаще всего, однако, малыми молекулами считаются (особенно в фармакологии) такие, молекулярный вес которых не превышает 500 дальтон, и в этом есть определенный практический смысл: оказывается, что если взять два лекарственных препарата с одинаковым действием, но при этом масса молекул первого будет менее 500 дальтон, а второго – от 500 до 900, то частота жалоб на побочные эффекты (и частота отказов от терапии) от большей молекулы будет значительно больше, чем от меньшей. Это можно объяснить тем, что более мелкие молекулы лучше проникают через липидные (т.е. жировые) клеточные мембраны (если, конечно, эти молекулы растворимы в липидах) и, соответственно, эффективнее достигают своих внутриклеточных мишеней.

    Но, как говорится, на каждую большую крысу найдется большая кошка. Нашлась кошка и на индукторы:) Существует еще один класс молекул – это ко-репрессоры (или корепрессоры). Если репрессор уже присоединился к сайленсеру, и если клетке необходимо, чтобы транскрипция этого гена непременно не начиналась в ближайшее время, тогда корепрессор присоединяется к репрессору, результатом чего станет особенно плотная привязка репрессора к сайленсеру.

    И что же, в клетке есть корепрессоры, но нет коактиваторов? Да ни за что:) Коактиваторы тоже есть, и они увеличивают экспрессию генов, связываясь с активаторами и усиливая их сродство с энхансером. Связываясь с активатором, прикрепленным к энхансеру, коактиватор упрочняет позицию активатора на ДНК. Сами по себе ни корепрессоры, ни коактиваторы не могут связываться с ДНК.

    У прокариотов корепрессорами являются малые молекулы, например – аминокислоты. У эукариотов корепрессорами обычно являются молекулы посложнее и помассивней – слоны белки.

    Понятно, что и репрессор, и корепрессор, и активатор, и коактиватор, и индуктор – все они относятся к классу факторов транскрипции, поскольку их работа влияет на ход транскрипции данного гена.

    Теперь мы вплотную подошли к очень интересному моменту, который сейчас и разберем – это механизм обратной связи в репрессии или активации транскрипции, причем обратная связь может быть как положительной, так и отрицательной. Если эта фраза сейчас непонятна – это неважно, т.к. она станет понятной после того, как мы детально рассмотрим обе ситуации.

    В главе 004-19 мы рассматривали оперон фермента лактазы – вернемся к нему снова и рассмотрим его работу поподробней. Есть такая разновидность сахара – лактоза. Мы не будем сейчас смотреть на её формулу, так как в сахарах мы будем детально разбираться в разделе «Жиры и углеводы», да нам сейчас формула и не нужна. Нам нужно только знать, что лактоза – это дисахарид, т.е. состоит из двух соединенных между собой молекул простых сахаров: из галактозы и глюкозы. Фермент, который называется лактазой, гидролизует лактозу, так что та распадается на глюкозу и галактозу. Много лактозы находится в молоке и молочных продуктах, так что если у человека производится недостаточно лактазы, то возникает распространенная непереносимость лактозы. Так как лактаза помогает переваривать молочные продукты, то неудивительно, что экспрессируется она в основном в клетках кишечного эпителия и располагается на плазматических мембранах эпителия тонкой кишки – там она встречается с лактозой и перерабатывает ее в легкоусваиваемые глюкозу и галактозу. Нельзя не восхититься красотой лактазы:

    Теперь вернемся к оперону лактазы lacZYA и рассмотрим его работу в геноме кишечной палочки. В непосредственной близости от него расположен еще один ген (со своим промотором), имеющий отношение к производству лактазы, поэтому этот ген называется lacI (по существующей у генетиков договоренности названия генов пишутся наклонным шрифтом, а названия производимых по ним белков — прямым). Ген lacI можно было бы назвать антагонистом оперона лактазы, потому что он кодирует репрессор лактазы lacI.

    В изображенной на рисунке ситуации, в окрестностях клетки по тем или иным причинам нет лактозы – ну вот попала эта бактерия в такую среду без лактозы. В этой ситуации ген lacI экспрессируется – это его нормальное, обычное состояние в безлактозном окружении клетки, и поэтому репрессоры лактазы постоянно производятся каким-то своим умеренным темпом. Когда произведенный по lacI репрессор садится на сайленсер оперона лактазы, он физически не дает РНК-полимеразе встать на базальный промотор и начать транскрипцию оперона, поэтому lacZYA выключен и работать не может:

    А раз оперон лактазы временно выключен, значит в данный период времени по нему не строится лактаза, а значит некому будет расщеплять лактозу, если она вдруг начнет появляться. Но! Допустим, что в какой-то момент в окрестностях прокариотической клетки наконец-то появляется лактоза. В небольших количествах она способна проникать через плазматическую мембрану внутрь клетки. Когда мы наблюдаем за лактозой, которая начинает появляться в окрестностях гена, то начинаем понимать, что она, оказывается, является ингибитором репрессора: как только две молекулы лактозы прицепляются к репрессору, так сразу же он отсоединяется от сайленсера, таким образом освобождая место для посадки РНК-полимеразы на промотор, и в результате оперон lacZYA начинает работать. А что происходит, когда этот оперон начинает работать? Все три входящие в него гена начинают экспрессироваться, и лактаза начинает производиться:

    До этого момента мы рассматривали оперон lacZYA как единое целое, но не надо забывать, что все-таки он является комплексом из трех генов: lacZ, lacY и lacA, и у каждого из них имеется своя роль. По первому из них — lacZ – как раз и производится фермент лактаза. По второму — lacY – строится фермент β-галактозидпермеаза (permeate – проникать, проходить сквозь) — это мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки, так что теперь лактоза идет внутрь клетки уже в больших количествах, сплошным потоком, и все репрессоры неумолимо ингибируются. Функцию третьего гена lacA рассматривать не будем, она вспомогательная. Итак, в результате того, что оперон лактазы активно заработал, производство лактазы запускается.

    Лактаза, само собой, начинает тут же расщеплять лактозу, клетка получает нужное ей питание в виде глюкозы и галактозы, жизнь налаживается, приятное чувство голода сменяется приятным чувством наполненного желудка, и теперь прокариота в полном соответствии с пирамидой Маслоу начинает задумываться о вечном, перелистывая странички томика Гёльдерлина.

    Но бывает и так, что стада бизонов уходят дальше, и приходится переходить на подножный корм. С прокариотами такое тоже случается сплошь и рядом: представим, что лактозы в окружении клетки стало мало. Ингибировать репрессор теперь становится некому, так что молекулы репрессора без помех садятся на сайленсер, и производство лактазы вновь прекращается вплоть до того момента, когда (и если) снова появится лактоза. Так и получается, что само по себе появление лактозы запускает процесс производства расщепляющей его лактазы. Чем больше лактозы, тем больше становится ферментов, которые ее перерабатывают, и тем меньше становится свободной лактозы – значит тут имеет место обратная отрицательная связь: увеличение количества лактозы запускает процессы, уменьшающие ее количество. В итоге поддерживается нужный клетке баланс, и ферменты метаболизма лактозы производятся не постоянно, а только тогда, когда есть сама эта лактоза – вполне разумно и экономно.

    Оперон этот называют лактозным опероном, потому что он производит три фермента, участвующих в метаболизме лактозы.

    Обратную отрицательную связь иногда называют негативной индукцией, и ингибитор репрессора, соответственно – негативным индуктором, но я сомневаюсь в целесообразности таких терминов: с таким же успехом мы можем уменьшение называть негативным увеличением:)

    Существует еще один путь, приводящий к увеличению производства лактазы и, как следствие, усвоению лактозы, и у нас сейчас есть достаточно знаний для того, чтобы в нем разобраться.

    Представим, что в клетке кишечной палочки имеется достаточно глюкозы для того, чтобы ее жизнедеятельность шла в нормальном русле. Глюкоза – это один из видов сахара, поэтому мы просто взглянем на ее молекулу, но детально разбираться в ней сейчас не будем:

    Мы видим гетероцикл с пятью атомами углерода и одним кислородом, а всего тут 6 углеродов и 5 гидроксилов.

    Если случилось так, что клетка попала в обедненную питательными веществами среду, и глюкозы стало мало, то необходимо предпринимать меры согласно плану Б, если он есть. У кишечной палочки он есть, миллиарды лет эволюции не прошли даром: она может переключиться на питание с помощью расщепления лактозы. Дело в том, что глюкоза обладает двумя интересными свойствами:

    *) глюкоза является ингибитором аденилатциклазы — уже знакомого нам фермента, который катализирует превращение АТФ в цАМФ;

    *) глюкоза активирует цАМФ-фосфодиэстеразу – это тоже знакомый нам фермент, который из цАМФ делает АМФ.

    Значит, пока глюкозы у клетки достаточно, глюкоза ингибирует аденилатциклазу, и она не работает, и цАМФ не производится, ну а если вдруг цАМФ появится, то цАМФ-фосфодиэстераза тут же превратит ее в то, что сейчас клетке полезней – в АМФ.

    Но если клетка попала в бедную питательными веществами среду, и глюкозы становится мало, то теперь некому становится ингибировать аденилатциклазу, и она начинает работать – начинает делать цАМФ из АТФ (именно поэтому цАМФ называют сигналом клеточного голода). И цАМФ-фосфодиэстеразу тоже теперь некому активировать, раз нет глюкозы, так что полученная цАМФ не превращается в АМФ и начинает накапливаться в клетке.

    Дальше каскад реакций с участием разных белков продолжается и постепенно подбирается к геному. Существует в клетке особый белок – САР (catabolism activating protein) (не путать с кэпом у мРНК). Этот САР соединяется именно с цАМФ, и вот этот образующийся комплекс соединяется с базальным промотором лактозного оперона и становится очень привлекательным местом для РНК-полимеразы. Если при этом у клетки есть доступ к лактозе, то она убирает с сайленсера репрессор, РНК-полимераза садится на базальный промотор, снабженный особенно привлекательной для нее приманкой в виде комплекса «CAP + цАМФ», и начинает транскрипцию лактозного оперона, и производство лактазы начинается. Лактаза активно перерабатывает лактозу, и клетка в условиях отсутствия самой вкусной для нее пищи начинает использовать доступный альтернативный источник питания:

    Теперь, насладившись ясным пониманием этих интересных историй из жизни кишечной палочки, рассмотрим более сложный, но не менее интересный пример.

    Мы знаем, что есть протеиногенная аминокислота триптофан. Грибы, микроорганизмы и растения умеют его синтезировать, а значит в составе их генома есть гены, по которым производятся ферменты, занимающиеся синтезом триптофана. Так же, как в первом примере, посмотрим на то, как устроен триптофановый оперон у кишечной палочки.

    Триптофановый оперон состоит уже из пяти лежащих друг за другом цистронов: 5` — trpE, trpD, trpC, trpB, trpA – 3`. Эти пять генов кодируют пять субъединиц фермента, синтезирующего триптофан — триптофансинтазы. Довольно далеко выше оперона лежит еще один ген — trpR, имеющий непосредственное отношение к оперону, так как по нему производятся мономеры белка, подавляющего экспрессию триптофанового оперона:

    Так что тут мы видим ситуацию, идентичную разобранной выше: есть оперон, и есть далеко лежащий от него ген, продукты которого подавляют экспрессию оперона.

    Подавление происходит так: по гену trpR производятся мономеры белка trpR, которые затем собираются в димеры, и получившийся димерный белок только соединившись с двумя триптофанами может связываться с сайленсером, что и приводит к подавлению транскрипции. То есть мы снова видим знакомую завязку сюжета обратной отрицательной связи: чем больше имеется триптофана, тем больше возникает репрессоров (в данном случае: комплексов двух триптофанов с димерным белком), подавляющих транскрипцию триптофана. Как и репрессоры лактазы, мономеры триптофанового репрессора экспрессируется с некоторой постоянной скоростью, что обеспечивает постоянную возможность подавления триптофанового оперона в том случае, если триптофана уже имеется достаточно:

    Но это еще не все. В отличие от лактозного оперона, у триптофанового оперона помимо описанного выше варианта регулирования экспрессии имеется еще один, поскольку триптофановый оперон имеет в составе своего базального промотора еще одну регулирующую последовательность – аттенюатор. На рисунке мы также видим, что непосредственно перед цистронами оперона лежит последовательность азотистых оснований, которая называется лидерной, и аттенюаторная последовательность входит в состав лидерной последовательности. Лидерная последовательность разделена нами для наглядности на 4 отрезка, и смысл этого мы увидим позже. Аттенюатор лежит внутри последовательности первого отрезка, а непосредственно перед ним еще находится последовательность, которая называется сайтом паузы – о них мы поговорим ниже.

    Вообще аттенюаторы встречаются у прокариотов нередко, и сейчас мы посмотрим на их функцию. Главное, что здесь нужно понимать – это то, что производство белков у эукариотов и прокариотов устроено несколько по-разному. У прокариотов мРНК не нуждается в специальной обработке и последующей транспортировке за пределы ядра, ведь ядра-то у них и нет:) Поэтому, как только мРНК начинает производиться РНК-полимеразой, так сразу на мРНК садятся рибосомы и начинают производить белок (позже мы подробно изучим этот процесс). Это приводит к тому, что ни при каких обстоятельствах не может происходить у эукариотов: процесс трансляции может оказывать непосредственное влияние на процесс транскрипции, т.е. процесс производства рибосомой белка по матрице производящейся в это же время мРНК может оказывать влияние на процесс производства мРНК.

    Если у нас речь идет о транскрипции оперона (т.е. полицистронного объекта), то и получающаяся мРНК будет полицистронной, т.е. на ней будут расположены РНК-копии нескольких цистронов.

    Итак, как только в кишечной палочке РНК-полимераза начала обрабатывать лидерную последовательность на ДНК, появилась первая, начальная часть полицистронной мРНК, на которую тут же уселась рибосома и стала производить белок. Та часть белка, которая произведена из начального участка лидерной последовательности, называется лидерным пептидом. Дальше происходит самое интересное.

    Длина лидерного пептида невелика – всего лишь около 14 аминокислотных остатков, но он имеет важную особенность – в нем находится два следующих друг за другом остатка триптофана. Казалось бы, ничего особенного – триптофан, так триптофан, аланин так аланин… но нет, особенное тут есть. Дело в том, что триптофан – это довольно редкая аминокислота в составе белков кишечной палочки: на каждые 100 аминокислотных остатков в белках кишечной палочки приходится лишь один триптофан, а это означает, что и триптофановая АРСаза, и триптофановая аминоацил-тРНК являются относительно редкими, и специальные факторы, обеспечивающие транспорт именно этой аминоацил-тРНК к мРНК, тоже редки. А тут надо вставить сразу два триптофана подряд! Если триптофана в клетке достаточно, то в общем это и в самом деле не проблема – его в клетке немного по сравнению с другими аминокислотами, ну так он и нужен нечасто для построения белка. А вот если в клетке имеется нехватка триптофана, то возникший дефицит будет сразу же сказываться на работе рибосомы. Проиллюстрируем это. Представим, что в некотором объеме цитоплазмы в норме должно находиться 10 аланинов, а находится только 9 или 8. Нехватка составляет лишь 10-20%. А вот если здесь должны находиться 2 триптофана, а оказался один, или даже его тут не оказалось вовсе, то дефицит составляет 50-100%, что имеет важные последствия, описанные ниже.

    Итак, в условиях дефицита триптофана сразу же во многих местах образуется его заметная нехватка, и рибосома, которая должна вставить даже не один, как обычно, а сразу два триптофановых остатка при построении участка 1 лидерного пептида, попросту немного зависает на этом участке и ждет, пока триптофаны не найдутся. В принципе, задержка эта совсем небольшая, но мы же знаем, что значение имеет не абсолютная скорость процесса (в клетке многие процессы происходят с умопомрачительной скоростью, включая процессы трансляции белков), а скорость относительная. И вот относительно кое-какого важного процесса длительность этой задержки рибосомы оказывается значительной. О каком процессе идет речь?

    Мы не должны забывать, что если мРНК предоставить саму себе, то она не будет оставаться в виде простой длинной колбасы: она тут же начнет как-то сворачиваться, приобретать вторичную структуру, а потом и третичную (мы это уже видели на примере тРНК). И если рибосома немного притормаживает в ожидании двух триптофанов на участке 1, то этой задержки оказывается достаточно, чтобы мРНК на последующих участках начала образовывать шпильки. В мРНК, полученной с триптофанового оперона, теоретически возможно образование трех шпилек: участками 1 и 2, участками 2 и 3, и участками 3 и 4 (вот для этого мы и разбивали лидерную последовательность на 4 участка). На рисунке мы видим два варианта, при котором шпилька образована участками 2 и 3, и участками 3 и 4:

    Все четыре участка мРНК различаются между собой, и это приводит к тому, что и две изображенные шпильки отличаются друг от друга. Шпилька, образованная участками 2 и 3, имеет ту особенность, что она некритична для рибосомы, потому что она не может препятствовать продвижению рибосомы далее по лидерной последовательности. А вот шпилька, образованная участками 3 и 4 – она совсем другая: рибосома не может ее пройти, поэтому такая шпилька называется терминаторной. Если рибосома наткнется на терминаторную шпильку, то она диссоциирует на две субъединицы и соскочит с мРНК, и производство белка прекратится, даже не начавшись.

    А теперь посмотрим еще раз на рисунок со шпильками. Если рибосома движется достаточно быстро и наезжает на участки 1-2, то значит шпилька 2-3 уже никак не могла бы образоваться, а вот образованию шпильки 3-4 в этот момент ничто не помешает, и она и образуется.

    Таким образом, если есть дефицит триптофана, то рибосома притормаживает на участке 1, на двух его триптофановых кодонах, и поэтому до участка 2 доезжает с задержкой. Этой задержки оказывается достаточно, чтобы сразу же образовалась шпилька 2-3, и поэтому терминаторная шпилька 3-4 образоваться теперь уже никак не сможет, а значит рибосома спокойно продолжит свою работу, и триптофановый оператор начнет экспрессироваться, и получающаяся триптофансинтаза начнет синтезировать триптофан. Понятно, да? Если триптофана мало, то рибосома чуть тормозит, терминаторная шпилька не образуется, триптофансинтаза начинает производиться, триптофан начинает синтезироваться.

    А что, если триптофана в клетке и так уже достаточно? Ну, тогда рибосома просто не будет притормаживать достаточно долго на триптофановых кодонах, а поедет дальше, заехав на участок 2, и пока она проходит первые два участка, за это время участки 3 и 4 успевают образовать терминаторную шпильку, после чего рибосома диссоциирует, соскакивает с мРНК, триптофансинтаза не образуется, производство триптофана не начинается. Тоже понятно.

    Вот мы и видим второй механизм, работающий по принципу обратной отрицательной связи: если триптофан есть, то это приводит к тому, что он не производится. Если триптофана мало, то это приводит к тому, что он начинает производиться.

    Кишечная палочка использует оба эти механизма.

    Так как этот механизм довольно эффективен, он используется не только при регуляции синтеза триптофана, но и при регуляции синтеза гистидина, фенилаланина и треонина (ГИ, Ф, ТР = «gift» — подарочек для кишечной палочки). Но эти аминокислоты — не редкие, как триптофан, и как тогда быть? Как обеспечить задержку рибосомы в том случае, если есть дефицит этих аминокислот? Да очень просто: просто надо иметь не два кодона этих аминокислот подряд, а больше. Поэтому в аттенюаторе гистидинового оперона кишечной палочки имеется уже не 2, а целых 7 гистидиновых кодонов подряд (это важно, что именно подряд), и то же самое – в аттенюаторе фенилаланинового оперона. Быстро найти 7 одинаковых комплексов [аминоацил-тРНК с соответствующими служебными транспортными белками, подтаскивающими именно эту аминоацил-тРНК к рибосоме] – не так-то просто в той ситуации, если имеется некоторый дефицит этой аминокислоты, поэтому аттенюаторный механизм успешно срабатывает и в этом случае.

    У нас остался еще неисследованным некий сайт паузы. Учитывая, с какой точностью рибосома должна зависнуть именно в нужном месте на мРНК, мы понимаем, насколько важна точная настройка аттенюаторного механизма, и насколько важно, чтобы трансляция следовала немедленно вслед за транскрипцией: стоит только рибосоме немного отстать от РНК-полимеразы, и мы немедленно получим на мРНК шпильку 1-2, а затем сразу и терминаторную 3-4, и трансляция происходить не будет вообще. Именно поэтому в лидерной области перед аттенюатором имеется еще сайт паузы: достигнув его, РНК-полимераза замирает, приостанавливается, чтобы дать достаточно времени рибосоме для присоединения к мРНК, после чего транскрипция и трансляция идут синхронно.