Регуляторные белки

РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ (от лат. regulo-привожу в порядок, налаживаю), группа белков, участвующих в регуляции разл. биохим. процессов. Важная группа регуляторных белков, к-рым посвящена эта статья,-белки, взаимодействующие с ДНК и управляющие экспрессией генов (выражение гена в признаках и св-вах организма). Подавляющее большинство таких регуляторных белков функционирует на уровне транскрипции (синтез матричных РНК, или мРНК, на ДНК-матрице) и отвечает за активацию или репрессию (подавление) синтеза мРНК (соотв. белки-активаторы и белки-репрессоры).

Известно ок. 10 репрессоров. Наиб. изучены среди них репрессоры прокариот (бактерии, синезеленые водоросли), регулирующие синтез ферментов, участвующих в метаболизме лактозы (lac-репрессор) в Escherichia coli (E.coli), и репрессор бактериофага А,. Их действие реализуется путем связывания со специфич. участками ДНК (операторами) соответствующих генов и блокирования инициации транскрипции кодируемых этими генами мРНК.

Репрессор представляет собой обычно димер из двух идентичных полипептидных цепей, ориентированных во взаимно противоположных направлениях. Репрессоры физически препятствуют РНК-полимеразе присоединиться к ДНК в промоторном участке (место связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы-фермента, катализирующего синтез мРНК на ДНК-матрице) и начать синтез мРНК. Предполагают, что репрессор препятствует только инициации транскрипции и не оказывает влияния на элонгацию мРНК.

Репрессор может контролировать синтез к.-л. одного белка или целого ряда белков, экспрессия к-рых носит координированный характер. Как правило, это ферменты, обслуживающие один метаболич. путь; их гены входят в состав одного оперона (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков).

Мн. репрессоры могут существовать как в активной, так и в неактивной форме в зависимости от того, связаны они или нет с индукторами или корепрессорами (соотв. субстраты, в присут. к-рых специфически повышается или понижается скорость синтеза определенного фермента; см. Регуляторы ферментов); эти взаимод. имеют нековалент-ную природу.

Для эффективной экспрессии генов необходимо не только, чтобы репрессор был инактивирован индуктором, но также реализовался и специфич. положит. сигнал включения, к-рый опосредуется регуляторными белками, работающими "в паре" с циклич. аденозинмонофосфатом (цАМФ). Последний связывается со специфическими регуляторными белками (т.наз. САР-белок-активатор ката-болитных генов, или белковый активатор катаболизма-БАК). Это димер с мол. м. 45 тыс. После связывания с цАМФ он приобретает способность присоединяться к специфич. участкам на ДНК, резко увеличивая эффективность транскрипции генов соответствующего оперона. При этом САР не влияет на скорость роста цепи мРНК, а контролирует стадию инициации транскрипции-присоединение РНК-полимеразы к промотору. В противоположность реп-рессору САР (в комплексе с цАМФ) облегчает связывание РНК-полимеразы с ДНК и делает акты инициации транскрипции более частыми. Участок присоединения САР к ДНК примыкает непосредственно к промотору со стороны, противоположной той, где локализован оператор.

Позитивную регуляцию (напр., lac-оперона E.coli) можно описать упрощенной схемой: при понижении концентрации глюкозы (осн. источника углерода) увеличивается концентрация цАМФ, к-рый связывается с САР, а образовавшийся комплекс-с lac-промотором. В результате стимулируется связывание РНК-полимеразы с промотором и возрастает скорость транскрипции генов, к-рые кодируют ферменты, позволяющие клетке переключаться на использование др. источника углерода-лактозы. Существуют и др. специальные регуляторные белки (напр., белок С), функционирование к-рых описывается более сложной схемой; они контролируют узкий спектр генов и могут выступать в роли как репрессоров, так и активаторов.

Репрессоры и оперон-специфичные активаторы не влияют на специфичность самой РНК-полимеразы. Этот последний уровень регуляции реализуется в случаях, предполагающих массир. изменение спектра экспрессирующихся генов. Так, у E.coli гены, кодирующие белки теплового шока, к-рые экспрессируются при целом ряде стрессовых состояний клетки, считываются РНК-полимеразой только тогда, когда в ее состав включается особый регуляторный белок-т.наз. фактор s³². Целое семейство этих регуляторных белков (s-факторы), изменяющие про-моторную специфичность РНК-полимеразы, обнаружены у бацилл и др. бактерий.

Др. разновидность регуляторных белков изменяет каталитич. св-ва РНК-полимеразы (т.наз. белки-антитерминаторы). Так, у бактериофага X известны два таких белка, к-рые модифицируют РНК-полимеразу так, что она не подчиняется клеточным сигналам терминации (окончания) транскрипции (это необходимо для активной экспрессии фаговых генов).

Общая схема генетич. контроля, включающая функционирование регуляторных белков, приложима также к бактериям и к клеткам эукариот (все организмы, за исключением бактерий и сине-зеленых водорослей).

Эукариотич. клетки реагируют на внеш. сигналы (для них это, напр., гормоны) в принципе так же, как бактериальные клетки реагируют на изменения концентрации питат. в-в в окружающей среде, т.е. путем обратимой репрессии или активации (дерепрессии) отдельных генов. При этом регуляторные белки, одновременно контролирующие активность большого числа генов, могут использоваться в разл. комбинациях. Подобная комбинационная генетич. регуляция может обеспечивать дифференцир. развитие всего сложного многоклеточного организма благодаря взаимод. относительно небольшого числа ключевых регуляторных белков.

В системе регуляции активности генов у эукариот имеется дополнит. уровень, отсутствующий у бактерий, а именно-перевод всех нуклеосом (повторяющихся субъединиц хроматина), входящих в состав транскрипционной единицы, в активную (деконденсированную) форму в тех клетках, где данный ген должен быть функционально активен. Предполагается, что здесь задействован набор специфических регуляторных белков, не имеющих аналогов у прокариот. Эти белки не только узнают специфич. участки хроматина (или. ДНК), но и вызывают определенные структурные изменения в прилежащих областях. Регуляторные белки, подобные активаторам и репрессорам бактерий, по-видимому, участвуют в регуляции последующей транскрипции отдельных генов в районах активир. хроматина.

Обширный класс регуляторных белков эукариот-рецепторные белки стероидных гормонов.

Аминокислотная последовательность регуляторных белков кодируется т.наз. регуляторными генами. Мутационная инактивация репрессора приводит к неконтролируемому синтезу мРНК, и, следовательно, определенного белка (в результате транс-ляции-синтеза белка на мРНК-матрице). Такие организмы наз. конститутивными мутантами. Утрата в результате мутации активатора приводит к стойкому снижению синтеза регулируемого белка.

Лит.: Страйер Л., Биохимия, пер. с англ., т. 3, М., 1985, с. 112-25.

П.Л.Иванов.