Катаболитная репрессия и циклический 3', 5-аденозинмонофосфат

В природных условиях в среде одновременно может находиться несколько субстратов, которые микробная клетка способна усваивать в качестве источников углерода и энергии. Это однако не приводит к синтезу всех ферментов, необходимых для их катаболизма. Сначала образуются ферменты, обеспечивающие утилизацию наилучшего субстрата, который поддерживает наиболее высокую скорость роста. Для многих микроорганизмов таким субстратом является глюкоза, и в клетке имеются специальные механизмы, направленные на первоочередное ее усвоение. Глюкоза может влиять на утилизацию других субстратов вызывая у микроорганизмов катаболитную репрессию, транзиентную репрессию, исключение индуктора и катаболитное ингибирование.

Катаболитная репрессия заключается в том, что глюкоза или другие быстро ассимилируемые субстраты вызывают сильную постоянную репрессию катаболических ферментов. Катаболиты, образующиеся из глюкозы, накапливаются в клетках и подавляют синтез ферментов, активность которых могла бы увеличить и без того уже большой внутриклеточный пул этих соединений.

Транзиентная репрессия проявляется в том, что при добавлении глюкозы к культуре бактерий, растущей на источнике углерода и энергии, который ассимилируется медленнее глюкозы, происходит резкое подавление синтеза соответствующего катаболического фермента. Это подавление длится короткое время (до одной клеточной генерации), затем синтез фермента возобновляется с низкой скоростью, характерной для роста в присутствии глюкозы. Важной особенностью транзиентной репрессии является то, что она может быть вызвана неметаболизируемыми аналогами глюкозы.

Исключением индуктора называют явление, которое состоит в том, что глюкоза препятствует поступлению субстрата-индуктора в клетку.

Наконец, катаболитное ингибирование — это подавление активности некоторых ферментов быстро образующимися продуктами катаболизма.

Катаболитной репрессией и исключением индуктора обусловлена диауксия — двухфазный рост бактерий в среде, содержащей в качестве источника углерода и энергии какую-либо пару соединений, например глюкозу и лактозу. В этих условиях сначала усваивается глюкоза, обеспечивающая более высокую скорость роста, и после ее исчерпания начинает использоваться лактоза.

При исследовании природы катаболитной репрессии было показано, что у Е. coli глюкоза подавляет синтез β-галактозидазы и галактозидпермеазы на уровне транскрипции 1ас-оперона. В связи с этим предполагалось, что действие катаболитов опосредовано белковым фактором, который напоминает репрессор и угнетает транскрипцию всех так называемых катаболит-чувст-вительных генов (оперонов).

В 1965 г. было обнаружено, что добавление глюкозы к клеткам Е. coli приводит к быстрому снижению внутриклеточной концентрации циклического 3',5'-аденозинмонофосфата (цАМФ) и накоплению его в среде роста. После удаления глюкозы содержание цАМФ в клетках восстанавливается. Эти эксперименты проводились на нерастущих клетках. Позднее было показано, что в растущих клетках глюкоза вызывает не экскрецию цАМФ в среду, а подавление его синтеза. Можно было предположить, что снижение уровня цАМФ и вызывает катаболитную репрессию. Такое предположение стало еще более обоснованным, когда выяснилось, что репрессирующее действие глюкозы на синтез ферментов можно частично снять добавлением экзогенного цАМФ.

Синтез цАМФ катализирует фермент аденилатциклаза согласно реакции

АТФ ®цАМФ + ФФн

Если образование целого ряда индуцибельных ферментов зависит от этого нуклеотида, то мутанты по аденилатциклазе не смогут усваивать источники углевода и энергии, катаболизм которых обеспечивается соответствующими ферментами. Действительно, были выделены мутанты, не способные одновременно ферментировать лактозу, мальтозу, арабинозу, маннит, сорбит и другие соединения. Оказалось, что существует два класса такого рода мутантов. У одних под влиянием экзогенного цАМФ усвоение всех перечисленных сахаров восстанавливалось, у других этот нуклеотид не вызывал никакого действия. У мутантов первого класса (Суа) резко снижена активность аденилатциклазы. Мутанты второго класса (Сгр) синтезировали цАМФ в избыточном количестве, однако у них отсутствовал или был поврежден белковый фактор, который взаимодействует с цАМФ и необходим для активации этим нуклеотидом синтеза катаболических ферментов. Этот белок был назван БАК — белок-активатор катаболических генов (английское сокращение САР — catabolite gene activator protein); другое название — белок-рецептор цАМФ (английское сокращение CRP — cyclic AMP receptor protein).

Можно получить мутации в промоторе lac-оперона, которые снижают чувствительность оперона к катаболитной репрессии, а также к стимулирующему действию цАМФ. В связи с этим возникло предположение, что цАМФ и БАК действуют на уровне промоторов соответствующих генов. Сам по себе БАК с низкой эффективностью и неспецифически связывается с ДНК. Добавление цАМФ приводит к повышению сродства БАК к ДНК и преимущественному связыванию его с промоторами. Таким образом, цАМФ выступает в роли аллостерического эффектора этого регуляторного белка.

БАК, активированный цАМФ, связывается на участке промотора lac-оперона перед РНК-полимеразой, по-видимому, контактирует с ней и обеспечивает образование открытого комплекса, необходимого для инициации транскрипции. При этом экспрессия оперона многократно стимулируется.

Характерной особенностью экспрессии генов у бактерий является феномен полярности, т. е. пониженной транскрипции генов, дистальных к промотору. В некоторых оперонах количество продуктов дистальных генов может составить всего 1—2% от количества продуктов проксимальных генов. Это снижение транскрипции вызывает rho-фактор. Оказалось, что комплекс цАМФ— БАК проявляет антитерминирующее действие: Показано, что степень естественной полярности в присутствии этого комплекса значительно снижается. Следовательно, роль комплекса цАМФ — БАК в активации экспрессии оперонов заключается не только в стимуляции инициации транскрипции, но и в противодействии терминации транскрипции. Например, основной эффект глюкозы на экспрессию gal-оперона связан с исключением индуктора, а действие цАМФ —БАК заключается в стимуляции экспрессии генов, дистальных к промотору.

Внутриклеточная концентрация цАМФ может регулироваться тремя способами: нуклеотид может экскретироваться из клетки в среду; может разрушаться с помощью фермента цАМФ-фосфодиэстеразы; наконец, скорость его синтеза может контролироваться подавлением (или стимуляцией) активности аденилатциклазы или изменением содержания этого фермента в клетке.

Явление катаболитной репрессии играет важную роль в промышленной микробиологии. Синтез многих ферментов и антибиотиков подвержен репрессии легко усваиваемыми субстратами. Поэтому получение мутаций, сообщающих клеткам устойчивость к катаболитной репрессии, имеет большое практическое значение. Новые возможности открывает генетическая инженерия, которая в принципе позволяет заменять регуляторные области катаболических оперонов на эффективные промоторы, нечувствительные к катаболитной репрессии.

Дата добавления: 2015-07-07