Репрессия путей биосинтеза по типу обратной связи

Хотя lас-оперон был первой подробно исследованной системой управления генами, он не является типичным примером регуляции генов в клетках прокариотов. В предыдущей главе мы показали, что достаточным условием существования устойчивой регуляции в цепи управления является наличие петли отрицательной обратной связи, включающей конечный продукт. В случае lас-оперона это обеспечивается катаболитной репрессией. Индуктивное или дерепрессивное действие лактозы является дополнительным свойством этой системы, дающим короткую быстро действующую петлю положительной обратной связи, которая приводит к быстрому ответу оперона на индуктивный стимул; ответ стабилизируется более медленно действующим репрессивным эффектом катаболитного управляющего сигнала. Этот контур напоминает гликолитическую систему управления, представленную на рис. 1.11, и обладает теми же динамическими свойствами: система может переходить в колебательный режим. Позже я рассмотрю экспериментальные факты, действительно свидетельствующие об этом. Здесь же я хочу только отметить, что схема работы lас-оперона немного сложней, чем для системы, функционирующей исключительно по принципу отрицательной обратной связи; поэтому интересно знать, есть ли такие более простые системы на уровне

генного управления. Подобная регуляция была обнаружена фактически одновременно с появлением работы, открывшей принципы ингибирования конечным продуктом и лактозной индукции, во второй половине 50-х годов. Типичный пример такого рода можно найти в системе управления ферментами, ответственными за биосинтез аргинина, которых в Е. coli семь. Если аргинин присутствует в среде культивирования в адекватных количествах, то в культуре не обнаруживается ни один из семи ферментов. В ответ на удаление аргинина эти ферменты через 5—10 мин начинают появляться в клетках и в течение часа накапливаются до значительного уровня. Время ответа системы такое же, что и для -галактозидазной индукции; при этом удовлетворяются те же основные требования: генная селекция отсутствует, а идет синтез новых белков, так что данный процесс регулируется на эпигенетическом уровне управления. Было показано также, что синтез всех ферментов пути, как и синтез ферментов lас-оперона, управляется из одного пункта. Таким образом, эти ферменты составляют единицу эпигенетического управления. Однако, как показали результаты картирования, структурные гены для ферментов синтеза аргинина у Е. coli не находятся на одном участке хромосомы, как в случае lас-генов. Они располагаются тремя отдельными кластерами, так что координированное управление их синтезом должно происходить с помощью плейотропного действия аргинина, т. е., какой бы природы ни был управляющий сигнал, он должен действовать одновременно на все подобные управляющие участки, примыкающие к каждой из трех групп структурных генов; предполагается, что каждая группа устроена подобно lас-оперону с операторным участком, примыкающим к структурным генам, как показано на рис. 2.2. Обнаружение конститутивных мутантов с такими же характеристиками, как у мутантов по lас-системе, наводит на мысль, что в обоих случаях действуют одни и те же основные молекулярные механизмы, но с одним важным различием. Поскольку присутствие сигнала управления (аргинина) приводит к репрессии, а его отсутствие вызывает индукцию, очевидно, что постулированный репрессор аргининовых структурных генов должен быть активным только в присутствии аргинина и неактивным в его отсутствие. В отличие от репрессора, который связывается с оператором, только будучи свободным от лиганда, и неактивен в связанном состоянии, как lас-репрессор и выступающая в качестве лиганда лактоза (или алло-лактоза), аргининовый репрессор не должен связываться с операторами, если он не соединен с аргинином. Доказательство такого свойства аргининовой системы приведено в работах Мааса (Maas, 1961), Фогеля (Vogel, 1961) и Горини и др. (Gorini et al., 1961). Кроме того, было показано,

что аргинин действует по принципу обратной связи как ингибитор первого фермента этого пути, орнитинтранскарбамилазы (ОТК).

Мы можем теперь нарисовать цепь управления аргининовой системы, действующую по аналогии с системой управления lас-опероном, с учетом описанных выше особенностей. Она изображена на рис. 2.4. Здесь — три группы структурных генов, a — ген-регулятор, продуктом которого является неактивный репрессор названный апорепрессором.

Рис. 2.4. Ингибирование и репрессия по типу обратной связи в аргининовой цепи управления Escherichia coli.

Этот апорепрессор в комплексе с аргинином в качестве корепрессора образует активный репрессор, который может взаимодействовать с операторами, примыкающими к структурным генам, предотвращая действие РНК-полимеразы и таким образом останавливая транскрипцию. Как и раньше, здесь R — полисомы, Е — ферменты, S — метаболиты. На этом рисунке использована несколько более компактная система обозначений: — это набор ферментов, гены которых сгруппированы в . Ингибирующее действие аргинина по типу обратной связи сказывается только на первом ферменте в цепи, ОТК, а не на всем наборе.

Теперь ясно видно одно интересное различие между ингибированием по типу обратной связи и репрессией по типу обратной связи: первое действует только на один фермент, первый в метаболическом пути, в то время как последняя — на все гены, входящие в цепь биосинтеза. И опять логика безупречна. Потоком в ферментативной последовательности наиболее эффективно можно управлять, воздействуя на первый фермент. Управление еще и другими ферментами ничего нового не дает,

а только бесполезно вовлекает метаболиты в пулы, из которых они не могут выходить. Но когда бактерию снабжают аргинином, она стремится не просто выключить его производство на ферментативном уровне, но и прекратить синтез всех мРНК и ферментов, участвующих в этом процессе, так как их непрерывный синтез теперь большое расточительство. Таким образом, мы видим, как метаболическая и эпигенетическая системы для регулирования физиологической потребности и снабжения жизненно необходимыми конечными продуктами (в данном случае это аргинин) используют принцип соответствия руки и перчатки. Ингибирование по типу обратной связи действует очень быстро (время релаксации около с) и регулирует уровень аргинина в ответ на быстрые флуктуации; репрессия по типу обратной связи действует значительно медленнее (время релаксации около и приспосабливает популяции макромолекул к различным условиям питания. Инерционность второй системы обусловлена довольно большим временем синтеза макромолекул (около одной молекулы за 5 с) и малой скоростью деградации (несколько минут для мРНК) или разбавления (порядка часа для белка). Из рис. 2.4 мы видим, что выражение «рука в перчатке» применительно к связи между метаболической и эпигенетической системами — это не просто некое образное выражение. Очевидно, что метаболическая система содержится в эпигенетической системе в том смысле, что всякий раз, когда мы говорим, например, о ферментативной адаптации, мы должны включать эффекты ингибирования по типу обратной связи, так как временные интервалы работы первой системы неизбежно содержат в себе времена последней. Таким образом, при конструировании функциональной иерархии физиологии организма должны быть включены связи между уровнями: системы высокого порядка содержат системы более низких порядков, но, конечно, не наоборот. Эти связи могут быть математически формализованы, как это сделано в моей книге «Временная организация клетки» (Goodwin, 1963), в данной же книге я буду мало пользоваться такими методами.

Очевидно, что репрессия по типу обратной связи в аргининовой цепи проще, чем система lас-оперона, так же как система управления с обратной связью, изображенная на рис. 1.10, описывающая цепь биосинтеза, проще, чем гликолитическая система, представленная на рис. 1.11. Несомненно, для этих различий имеются веские физиологические причины, так как генерирующие энергию системы, к которым принадлежат и lас-оперон, и гликолиз, возможно, требуют более быстрой адаптивной реакции, обеспечиваемой короткими цепями положительной обратной связи, чем процессы биосинтеза. Известные в настоящее время цепи управления очень разнообразны; среди них

имеются модификации рассмотренных выше систем. Интересное обсуждение различных стратегий управления в связи с эпигенетической и генетической стабильностью можно найти в статье Саважо (Savageau, 1974). Между функционально связанными цепями управления существуют сложные взаимодействия, например в случае аргинина и ЦТФ начальные участки обеих цепей синтеза связаны через карбамоилфосфат. Карбамоилфос-фатсинтетаза, по-видимому, находится под общим контролем пиримидинов и аргинина (Gorini, Kalman, 1963; Pierard et al.,

1965). Таким образом, хотя высказанная в конце предыдущей главы точка зрения на клетку как на систему, разделенную на частично автономные подсистемы управления, все еще в значительной степени справедлива и для следующего уровня эпигенетической системы, в этом случае, когда характер взаимодействий так сложен, она перестает быть столь бесспорной. Тем не менее важно понимать, что основные принципы функционального разделения сохраняются на всех уровнях физиологической иерархии, придавая системе гибкость, адаптивность и быстроту реакции путем использования, так сказать, подпрограмм, которые можно включать или выключать, мало затрагивая все остальные части системы.