Регуляция экспрессии генов у бактерий

Бактерии не экспрессируют все свои гены постоянно; вместо этого они включают и выключают гены в ответ на изменения окружающей среды, так что белки синтезируются только тогда, когда они необходимы. Большая часть этого контроля происходит на уровне транскрипции, классически через опероны, в которых связанные гены регулируются совместно, что позволяет клетке быстро реагировать на изменения в питательных веществах, стресс и другие сигналы.

Definition

Регуляция экспрессии генов у бактерий — это совокупность механизмов, посредством которых бактерия контролирует, какие гены транскрибируются и транслируются, и в какой степени, в ответ на внутренние и внешние условия.

Scope

Эта тема охватывает логику и механизмы регуляции генов у бактерий: опероны, репрессоры и активаторы, роль РНК-полимеразы и сигма-факторов, а также регуляторные ответы на сигналы окружающей среды и стресса. Это механистический обзор и не содержит клинических рекомендаций.

Core questions

• Как функционально связанные бактериальные гены совместно регулируются как единое целое?
• Как репрессоры и активаторы включают и выключают транскрипцию?
• Как РНК-полимераза вместе с сигма-факторами выбирает, какие гены транскрибировать?
• Как бактерии перепрограммируют экспрессию генов в ответ на стресс и изменяющиеся условия?

Key concepts

• Оперон и полицистронная мРНК
• Промотор и оператор
• Репрессоры и активаторы
• Индукция и репрессия
• Коровая РНК-полимераза
• Сигма-факторы и выбор промотора
• Общий стрессовый ответ (RpoS)
• Интеграция сигналов окружающей среды

Key theories

Модель оперона

Жакоб и Моно предположили, что кластер совместно транскрибируемых генов контролируется как единое целое посредством регуляторного белка, который связывается с оператором рядом с промотором, устанавливая основной механизм индуцируемой и репрессируемой экспрессии генов у бактерий.

Mechanisms

У бактерий функционально связанные гены часто организованы в опероны, которые транскрибируются вместе с одного промотора, и их экспрессия регулируется регуляторными белками. Модель оперона Жакоба и Моно показала, что репрессор, связывающийся с оператором, может блокировать транскрипцию до тех пор, пока индуцирующий сигнал не снимет его, в то время как активаторы могут усиливать транскрипцию, обеспечивая клеткам индуцируемый и репрессируемый контроль. Какие промоторы транскрибируются, зависит от РНК-полимеразы, специфичность которой определяется взаимозаменяемыми сигма-факторами; Ишихама рассматривает, как модуляция полимеразы и ее сигма-субъединиц перепрограммирует транскриптом. Специализированные сигма-факторы и глобальные регуляторы управляют скоординированными ответами на изменяющиеся условия, примером чего является общий стрессовый ответ, контролируемый RpoS, который описывают Баттести и коллеги, позволяя клетке согласовывать свой белковый выход с окружающей средой.

Clinical relevance

Регуляторные сети контролируют экспрессию факторов вирулентности, программ выживания в стрессовых условиях и некоторых детерминант, имеющих отношение к толерантности к антибиотикам, поэтому понимание регуляции генов у бактерий проясняет, как патогены адаптируются во время инфекции. Эта статья объясняет регуляторные механизмы и не является основой для диагностических или лечебных решений.

History

Концепция оперона, введенная Жакобом и Моно в 1961 году, основанная на исследованиях метаболизма лактозы у Escherichia coli, установила молекулярную логику регуляции генов и принесла им часть Нобелевской премии. Более поздние работы по РНК-полимеразе и семейству сигма-факторов, рассмотренные Ишихамой, а также по глобальным регуляторам стресса, таким как RpoS, рассмотренные Баттести и коллегами, расширили эту картину до многоуровневых регуляторных сетей.

Key figures

• Francois Jacob
• Jacques Monod
• Akira Ishihama
• Susan Gottesman

Seminal works

• jacob-monod-1961
• ishihama-2000
• battesti-2011

Frequently asked questions

Что такое оперон?

Оперон — это кластер бактериальных генов, транскрибируемых вместе с одного промотора в одну матричную РНК, так что функционально связанные гены регулируются как единое целое.

Что делают сигма-факторы?

Сигма-факторы — это взаимозаменяемые субъединицы бактериальной РНК-полимеразы, которые определяют, какие промоторы распознает фермент, позволяя клетке включать или выключать целые программы экспрессии генов в ответ на такие условия, как стресс.