Оперони и регулация на гените в бактериите

Ще поговорим малко за регулацията на ДНК. Основната идея е, че когато разглеждаме генома на един организъм, не всички от неговите гени се презаписват и реализират едновременно. Това може да зависи от типа клетка, в която се намира ДНК. Или да зависи от средата на този организъм. Например, ако разглеждаме многоклетъчен организъм – това и това са много опростени модели. Може би това е имунна клетка. И да речем, че това тук е мускулна клетка. Те сигурно няма да са такива идеални кръгове, но просто, за да получиш представа. Двете клетки имат абсолютно еднакво ДНК. ДНК в двете клетки е еднакво. Това са две еукариотни клетки. Ще нарисувам ядрената мембрана тук. Притежават еднакво ДНК. Но те имат различни функции в организма. Всъщност, за да имат различни структури, те следва да произвеждат различни белтъци. Ще имат различни ензимни протеини вътре в цитоплазмата. И така, ДНК регулацията, един начин да я разглеждаме, е, че ако имат напълно еднакъв геном, как ще регулират кои от тези гени ще бъдат презаписани и после преведени и кои няма да бъдат? Дори когато става дума за едноклетъчни организми, ето тук имаме бактерия... Това е само една клетка, но дори тя няма да иска да презаписва и превежда всичките си гени едновременно. Например, това тук, това е хромозомата на бактерията. Това тук, да речем, е ген, свързан с усвояването на някакъв вид храна, ако тази храна е налична. Всъщност могат да бъдат няколко гена, свързани с тази разграждането на тази храна. И ще разгледаме по-подробно случая, когато има няколко свързани гена. Обикновено те се транскрибират едновременно, или не се транскрибират по едно и също време. Може би това е свързано с усвояването на някакъв вид храна. Или да речем, че имаш някакви гени ето тук, които са свързани с някакъв стресов механизъм. Може би организмът трябва да заспи в даден момент. Ако клетката не е под стрес, тези гени няма да има нужда да се експресират. Но ако е под стрес, ще трябва да се експресират. По същия начин, ако някакво вещество трябва да се разгради и е налично, тогава тези гени трябва да се презапишат. Ако не е налично, не трябва да ги презаписва. Ето по този начин работи регулацията на ДНК, независимо дали говорим за еукариотни или прокариотни организми. В това видео ще се фокусираме малко повече на прокариотните. По-специално ще говорим за тази бактерия. Когато разглеждахме общия случай на транскрипция в някои предишни видеа, споменахме идеята за промотор. Че имаш ген, който е ДНК последователност, която е част от по-голямата хромозома. И тогава казахме: "Добре, РНК-полимеразата трябва да се закрепи някъде." Тази РНК-полимераза трябва да се закачи някъде. И нарекохме това място промотор. След това полимеразата ще презапише гена. И когато първо споменахме идеята за промотор, казахме, че особено що се отнася до еукариотите, всеки промотор съответства на определен ген – или всеки ген има промотор. Но когато става дума за прокариоти, (в този случай говорим за тази бактерия) всъщност е обичайно да има множество гени групирани заедно, отговарящи на един и същи промотор. Този промотор тук – а промоторът всъщност представлява регулаторна ДНК секвенция. Нека го запиша. Промоторът, това е ето тази част тук, това е секвенцията. Промоторът представлява регулаторна ДНК последователност. Към него ще се прикрепи РНК-полимеразата, която нарисувах като това голямо петно. Това е протеин тук. И след това ще започне да презаписва всички тези гени като един пакет. Когато имаш промотор, свързан с множество гени, тази комбинация от промотора и гените се нарича оперон. Пак казвам, промоторите на гените са последователности от ДНК. Тази комбинация е оперон. Нарича се оперон. Това е комбинация от регулаторна ДНК последователност (която казва: "Хей, РНК-полимеразата се връзва тук, значи можеш да започнеш да презаписваш.") и гените, чиято транскрипция промотира. След това този процес на транскрипция, разбира се, взима генетичната информация в ДНК, презаписва я в иРНК, и тя може да отиде в рибозомите. И имаме целия процес на транслация, (това всичкото би трябвало да е преговор) за да произведе някакви протеини, които функционират в самата клетка или, евентуално, извън нея. Ще се задълбочим малко върху това какво може да ускори този процес, да го накара да се случва по-често, или пък какво би могло да потисне този процес по някакъв начин. Ето тук съм нарисувал тази схема. Това голямо петно е РНК-полимераза (и това е доста опростена рисунка), което се прикрепя за регулаторната ДНК последователност, която наричаме промотор. След това тя ще извърши транскрипцията, която ще произведе иРНК, която кодира информацията на тези гени. А какво става, ако сме в среда, в която не искаме да презапишем този конкретен оперон? Или може би е добре да го нарека този определен пакет от гени. Тогава нещо в нашата среда може да разреши на репресорите да се задействат. Какво имаме предвид под репресор? Репресорът, това тук, се прикрепя към последователността от ДНК след промотора и по този начин блокира функцията на РНК-полимеразата да осъществи транскрипция. Това ето тук, това е протеин, и се нарича репресор. Буквално репресира (потиска) транскрипцията. А мястото, където се прикрепя регулаторната ДНК последователност, се нарича оператор. Още веднъж: промотор е регулаторна последователност, където РНК-полимеразата може да се закрепи, а оператор е регулаторната последователност, където може да се прикрепи репресор и да попречи на РНК-полимеразата да извърши транскрипцията. Това възпрепятства гена да продължи да се презаписва и след това да се преведе кода на тези конкретни гени. Съществуват и допълнителни механизми. Можеш да си ги представиш като механизми за обратна връзка или начини за реагиране на средата, когато репресорът, този протеин, може да си върши работата само когато (да речем, че това е репресорът) само ако има други молекули, за които да се закрепи. Може би този тук може да работи само с друга молекула, прикрепена за него. В такъв случай тези по-малки молекули, наричат се корепресори – ще ги разгледаме по-подробно, когато говорим за неща, като trp-оперона – как триптофанът, вид аминокиселина, може да действа като корепресор. Ето тук имаме обратния случай, в който искаме още повече транскрипция. Тогава имаме нещо, наречено активатор. И това тук, ще го щриховам. Това ДНК ето тук е регулаторната последователност, където се прикрепва активаторът. Това е позитивна обратна връзка. Когато има повече активатори, ще има повече транскрипции. Всъщност не трябва да го наричам обратна връзка, защото това предполага, че по някакъв начин тези продукти произвеждат активатора или тези продукти произвеждат репресора, но не е непременно така. Може да бъде, можеш да си представиш такъв случай, но не е непременно такъв. Само ще кажа, че това потиска, а това активира. Ще накара да се случва повече транскрипция. Така както можем да имаме корепресори, малки молекули, които активират репресора, така можем да имаме и малки молекули, които да задвижват активатора. Тези малки молекули, които включват активатора, се наричат индуктори. Това ето тук са индуктори. Този протеин тук не може да активира този оперон, но когато имаш тези индуктори... Ще научим повече за тях, когато говорим за lac-оперона. Те могат да са някакъв малък захарид. И те могат да отключват активацията. Това ето тук се нарича индуктор. Направихме най-общ преглед на регулацията на ДНК. Както можеш да си представиш, всичко може да стане много интересно и сложно, когато са налице репресори и корепресори, и активатори и индуктори, които могат да са зависими от средата, в която е клетката, от случващото се в по-широката ѝ екосистема. Може да има всякакви вериги за обратна връзка и подаване на информация. Затова когато изучаваме последователността – можем дори да секвенираме цели геноми – но дори и да знаем последователността, е неимоверно сложно да се разберат всички тези кръгове на обратна връзка, да се разбере как тези неща реално взаимодействат едно с друго.