Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011

Контроль генной экспрессии
Транскрипция σ54-РНК-полимеразой

Большинство промоторов Е. coli взаимодействуют с σ⁷⁰-РНК-полимеразой, которая является основной формой бактериальной полимеразы. Транскрипция же некоторых генов Е. coli осуществляется РНК-полимеразами, содержащими один или несколько альтернативных σ-факторов, которые распознают другие промоторы, не те промоторы, которые распознаются с помощью субъединицы σ⁷⁰.

Но все эти σ-факторы (за одним исключением, σ⁵⁴) реализуют описанный выше механизм регуляции транскрипции. Инициация транскрипции РНК-полимеразами, содержащими сигма-факторы, подобными σ⁷⁰, регулируется репрессорами и активаторами, которые связываются с ДНК вблизи промотора.

Механизм действия сигма-фактора σ⁵⁴ резко отличается от σ⁷⁰-подобных факторов. Транскрипция генов РНК-полимеразами, содержащими σ⁵⁴, регулируется белками-активаторами, которые связываются с участками ДНК, называемыми энхансерами (enhancers), причем эти энхансеры расположены за 80-160 нуклеотидов до стартовой точки транскрипции. И даже если энхансер отнесен более чем на 1 kb (kilobase) от стартовой точки, связывающиеся с ними σ⁵⁴-активаторы могут активировать транскрипцию σ⁵⁴-РНК-полимеразы.

Один из наиболее хорошо изученных σ⁵⁴-активаторов - белок NtrC - стимулирует транскрипцию с промотора гена glnA. Этот ген кодирует фермент глутамин-синтетазу, который синтезирует аминокислоту глутамин из глутаминовой кислоты и аммиака (рисунок 24).

σ⁵⁴-РНК-полимераза связывается с glnA промотором, но не начинает расплетание ДНК, пока с энхансером не свяжется димерный белок NtrC. В свою очередь NtrC регулируется (активируется) протеин-киназой NtrB.

В ответ на снижение концентрации глутамина белок NtrB фосфорилирует NtrC, который затем связывается с энхансером, расположенным на значительном расстоянии от glnA промотора. Связанный с энхансером NtrC стимулирует связанную с промотором σ⁵⁴-РНК-полимеразу, которая начинает транскрипцию.

Рисунок 24 - Синтез глутамин-синтетазой глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака

Электронная микроскопия показала, что NtrC, связанный с энхансером, и σ⁵⁴-РНК-полимераза, связанная с промотором (рисунок 25(a)), непосредственно взаимодействуют, в результате образования петли ДНК между энхансером и промотором (рисунок 25(б)). Такой механизм активации транскрипции характерен для эукариот.

Рисунок 25 - Образование петли ДНК обеспечивает взаимодействие NtrC и σ⁵⁴-РНК-полимеразы

Белок NtrC обладает АТФазной активностью, поскольку для активации транскрипции σ⁵⁴-РНК-полимеразой необходимо его активировать фосфорилированием. Если дефектные NtrC не обеспечивают гидролиз АТФ, то а⁵⁴-РНК-полимераза не способна обеспечить расплетание ДНК в точке начала транскрипции. Таким образом, утверждается, что гидролиз АТФ является источником энергии, необходимым для "плавления" ДНК σ⁵⁴-РНК-полимеразой.

В отличие от неё 54-РНК-полимераза не нуждается в гидролизе АТФ, чтобы разъединить нити ДНК в стартовой точке.