Лактозный репрессор

Лактозный репрессор
Лактозный репрессор
Идентификаторы
Символ	LacI
Pfam	PF00356
Доступные структуры белков
Pfam	структуры
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	3D-модель

Лакто́зный репре́ссор (англ. Lac repressor) — ДНК-связывающий белок^[англ.], который ингибирует экспрессию генов, кодирующих белки лактозного оперона. Кодируется геном lacI. Белки лактозного оперона участвуют в метаболизме лактозы в клетках бактерий. Эти гены подавляются, когда лактоза недоступна клеткам, гарантируя, что бактериальная клетка не будет тратить энергию на синтез белков, метаболизирующих лактозу, в условиях её отсутствия. Когда лактоза становится доступной, она преобразуется в аллолактозу^[англ.], которая ингибирует способность лактозного репрессора связываться с ДНК. Когда репрессор не связан с оператором лактозного оперона, начинаются его транскрипция и последующий синтез ферментов метаболизма лактозы^[1].

Структура

Структура лактозного репрессора

Строение димера лактозного репрессора, связанного с оператором

Строение тетрамера лактозного репрессора. Каждый из двух димеров, образующих тетрамер, связан с оператором

Лактозный репрессор (lac-репрессор) кишечной палочки Escherichia coli представляет собой гомотетрамер массой 154 520 дальтон. Каждый из четырёх мономеров содержит 360 аминокислотных остатков и состоит из N-концевого домена, шарнирного, или линкерного, участка, домена, связывающего сахар, и С-концевого домена. N-концевой домен содержит структурный мотив^[англ.] «спираль-поворот-спираль», который отвечает за взаимодействие с оператором. Этот мотив образуют две α-спирали (аминокислотные остатки 6—25). N-концевой домен представляет собой небольшой, компактный глобулярный домен с хорошо выраженным гидрофобным кором^[англ.], который создают три α-спирали. Линкерный, или шарнирный, участок (остатки 46—62) соединяют ДНК-связывающий N-концевой домен с сахар-связывающей частью (кором) репрессора. Считается, что этот участок не имеет выраженной вторичной структуры и состоит из разрозненных спиралей, однако в присутствии ДНК он упорядочивается и образует α-спираль, которая взаимодействует с оператором и определённым образом ориентирует ДНК-связывающий домен lac-репрессора. Кор репрессора, или сахар-связывающий домен, состоит из двух субдоменов. Пространственная структура субдоменов очень похожа, хотя между ними прослеживается мало сходства в составе аминокислотных остатков. Каждый субдомен содержит 6 параллельных β-листов, зажатых между четырьмя α-спиралями. С-концевой домен отвечает за сборку тетрамера^[1].

Лактозный репрессор — необычный тетрамер. Его мономеры формируют стабильные димеры. Это взаимодействие обеспечивается пятью кластерами аминокислот. Димеры, в свою очередь, могут объединяться с образованием тетрамеров за счёт взаимодействия С-концевых альфа-спиралей (остатки 340—357). Каждая спираль содержит два участка, состоящих из семи остатков лейцина, которые и обеспечивают взаимодействие четырёх альфа-спиралей. Тетрамеры лактозного репрессора корректнее рассматривать как димеры димеров, поскольку они не имеют симметрии, характерной для других олигомерных белков. Связывание с ДНК осуществляют именно димеры, то есть каждый тетрамер лактозного репрессора может быть связанным с двумя операторами^[1].

Функционирование

Как упоминалось выше, связывание лактозного репрессора с ДНК происходит через N-концевой структурный мотив спираль-поворот-спираль, который связывается с большой бороздкой ДНК. Кроме того, с ДНК связываются шарнирные области. Связывание происходит за счёт взаимодействия упорядоченных спиралей шарнирных областей и малой бороздки ДНК^[2]. Так как каждый тетрамер может связывать одновременно два оператора, связывание нескольких последовательностей операторов одним тетрамером вызывает выпетливание ДНК^[3]. Связывание репрессора с ДНК увеличивает сродство РНК-полимеразы к промотору настолько, что она не может покинуть его, поэтому не может начаться элонгация транскрипции генов лактозного оперона. В присутствии лактозы аллолактоза связывается с lac-репрессором, аллостерически изменяя его пространственную структуру так, что репрессор оказывается неспособным к прочному связыванию с оператором. В исследованиях, проводимых in vitro, в качестве вещества, имитирующего действие аллолактозы, часто используют изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозид (ИПТГ)^[1].

Открытие

Лактозный репрессор был впервые выделен^[англ.] Уолтером Гилбертом и Бенно Мюллер-Хиллом^[англ.] (англ. Walter Gilbert and Benno Müller-Hill) в 1966 году. Это случилось через год после того, как Жак Моно и Франсуа Жакоб, описавшие лактозный оперон, получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свои исследования в области регуляции экспрессии генов. Гилберт и Мюллер-Хилл смогли показать в условиях in vitro, что белок связывается с ДНК, содержащей лактозный оперон, и отделяется от ДНК при добавлении ИПТГ. Они также выделили часть ДНК, связанную с белком, с помощью фермента дезоксирибонуклеазы, который расщепляет ДНК. После обработки комплекса репрессор-ДНК этим ферментом некоторые молекулы ДНК оставались нерасщеплёнными; было выдвинуто предположение, что они были защищены репрессором от действия фермента, что было позже подтверждено. Эти эксперименты подтвердили механизм работы лактозного оперона, ранее предложенный Моно и Жакобом^[4]^[1].

Примечания

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Lewis M. The lac repressor. (англ.) // Comptes rendus biologies. — 2005. — Vol. 328, no. 6. — P. 521—548. — doi:10.1016/j.crvi.2005.04.004. — PMID 15950160. [исправить]
↑ Schumacher M. A., Choi K. Y., Zalkin H., Brennan R. G. Crystal structure of LacI member, PurR, bound to DNA: minor groove binding by alpha helices. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 1994. — Vol. 266, no. 5186. — P. 763—770. — PMID 7973627. [исправить]
↑ Oehler S., Eismann E. R., Krämer H., Müller-Hill B. The three operators of the lac operon cooperate in repression. (англ.) // The EMBO journal. — 1990. — Vol. 9, no. 4. — P. 973—979. — PMID 2182324. [исправить]
↑ Gilbert W., Müller-Hill B. Isolation of the lac repressor. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 1966. — Vol. 56, no. 6. — P. 1891—1898. — PMID 16591435. [исправить]

[r2005-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Lewis M. The lac repressor. (англ.) // Comptes rendus biologies. — 2005. — Vol. 328, no. 6. — P. 521—548. — doi:10.1016/j.crvi.2005.04.004. — PMID 15950160. [исправить]

[2] Schumacher M. A., Choi K. Y., Zalkin H., Brennan R. G. Crystal structure of LacI member, PurR, bound to DNA: minor groove binding by alpha helices. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 1994. — Vol. 266, no. 5186. — P. 763—770. — PMID 7973627. [исправить]

[pmid2182324-3] Oehler S., Eismann E. R., Krämer H., Müller-Hill B. The three operators of the lac operon cooperate in repression. (англ.) // The EMBO journal. — 1990. — Vol. 9, no. 4. — P. 973—979. — PMID 2182324. [исправить]

[4] Gilbert W., Müller-Hill B. Isolation of the lac repressor. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 1966. — Vol. 56, no. 6. — P. 1891—1898. — PMID 16591435. [исправить]

[1]

[2]

[3]

[4]