28.11. Репрессоры и активаторы детерминируют развитие умеренных фагов

Обратимся теперь к роли репрессоров и активаторов транскрипции в регуляции жизненного цикла бактериофага лямбда Зрелая вирусная частица состоит из линейной двухспиральной молекулы ДНК (48 kb), упакованной в белковую оболочку. Существует два пути развития вируса: он может разрушить клетку-хозяина или он может стать ее компонентом (отсюда и название - умеренный). При литическом пути развития происходит полное выражение (экспрессия) фаговых генов, что приводит к лизису бактерии и образованию примерно 100 вирусных частиц потомства. В другом случае развитие фага X может пойти по пути лизогенизации клетки, когда его ДНК становится ковалентно связанной с ДНК клетки-хозяина в строго определенном месте (сайт-специфическая интеграция). Этот процесс рекомбинации, в котором участвует кольцевая молекула ДНК фага X, мы обсудим ниже (разд. 30.16). Когда ДНК фага интегрирует с ДНК клетки-хозяина, большинство фаговых функций выключается. Фаговая ДНК в таком состоянии называется профагом, а клетка-хозяин, содержащая профаг - лизогенной бактерией. Профаг реплицируется

Рис. 28.14. Схематическое изображение аттенюации trp-оперона E. coli. Когда триптофан имеется в избытке (А), лидерный участок (обозначен цифрой полностью транслируется. Участок 2 взаимодействует с рибосомой, что позволяет основаниям участков 5 и 4 спариваться. Эта спаренная область каким-то образом сигнализирует РНК-полимеразе о том, что следует закончить транскрипцию. Если же триптофана не хватает (Б), участки 3 и 4 не взаимодействуют, так как рибосома застревает на -кодонах участка 1. Участок 2 взаимодействует с участком 3 вместо того, чтобы входить в рибосому, и в результате участки 3 и 4 не могут спариваться. Вследствие этого транскрипция продолжается. [Oxender D. L., Zurawski G., Yanofsky C., Proc. Nat. Acad. Sci., 76, 5524 (1979).]

в лизогенной бактерии как часть клеточной хромосомы обычно на протяжении многих поколений. В лизогенном состоянии литические функции молчат, но не теряются (рис. 28.17). Многие агенты, нарушающие нормальную репликацию ДНК в клетке-хозяине, индуцируют профаг, и он переходит на путь литического развития.

Вначале рассмотрим выражение генов фага X при литическом пути. Цель развития - образование многочисленного потомства - достигается путем последовательной транскрипции вирусных генов. Вначале образуются белки, необходимые для репликации и рекомбинации ДНК, затем белки головки и отростка вирусной частицы и белки, необходимые для лизиса клетки-хозяина. Чрезвычайно важное значение имеет строгая очередность этих событий; преждевременное разрушение клетки-хозяина для вируса, конечно, невыгодно. Выражение генов при литическом развитии происходит в три стадии: предраннюю, раннюю и позднюю (рис. 28.18). На предранней стадии начинается синтез РНК с двух промоторов - и Один из образующихся при этом транскриптов служит матрицей для синтеза белка которому принадлежит важнейшая регуляторная роль. В отсутствие белка N предранние транскрипты заканчиваются на одном из двух участков терминации. Белок N препятствует терминированию транскрипции в этих участках и обеспечивает

Рис. 28.15. Последовательность аминокислот в лидерном пептиде и последовательность оснований соответствующего участка мРНК фенилаланинового (А) и гистидинового (Б) оперонов.

таким образом дальнейшее выражение генов фага Белок N включает раннюю стадию. В это время синтезируются белки, необходимые для репликации ДНК фага и рекомбинации. Кроме того, на ранней стадии транскрибируется ген Белок еще один важный регуляторный элемент выражения генов фага Он необходим для перехода в позднюю стадию. На поздней стадии транскрибируются гены, необходимые для образования головки и отростка фага и для лизиса клетки-хозяина. Белок подобно белку подавляет терминацию транскрипции. Короче говоря, последовательная регуляция литического развития осуществляется двумя белками - положительными регуляторами, кодируемыми генами Их действие заключается в том, что они позволяют РНК-полимеразе продолжать транскрипцию, проскочив несколько участков терминации.

В лизогенном цикле различают три стадии: установление лизогенного состояния, его поддержание и выход из лизогенного состояния. Для установления состояния профага необходимо, чтобы вирусная ДНК интегрировалась с ДНК клетки-хозяина и литические функции вируса были инактивированы. Эти процессы протекают очень сложно, и до конца они не изучены. Поддержание состояния профага, наоборот, сравнительно несложный процесс. А. Дейл Кейзер (A. Dale Kaiser) показал, что из всех генов профага экспрессируется только ген Этот ген кодирует -репрессор, который связывается с двумя операторными участками и (рис. 28.19). Связывание -репрессора с непосредственно препятствует транскрипции ранних генов в левую сторону. В частности, не синтезируется белок и поэтому литический путь оказывается закрытым. Связываясь с -репрессор препятствует выражению генов в правую сторону. Таким образом, когда -репрессор связан с и весь геном фага молчит, кроме гена кодирующего -репрессор. Как будет указано чуть ниже, -репрессор сам контролирует работу гена регулируя таким путем собственную концентрацию. Инактивация -репрессора обеспечивает возможность транскрипции генов, участвующих в литическом процессе. Профаг исключается из хромосомы клетки-хозяина, и литические функции экспрессируются.