Гистидиновый оперон¶

Гистидиновый оперон — это кластер структурных и регуляторных генов, обеспечивающий биосинтез аминокислоты гистидина у бактерий, архей и некоторых грибов. У кишечной палочки (Escherichia coli) и сальмонелл оперон состоит из девяти генов, кодирующих десять ферментативных доменов, которые катализируют десятистадийный путь превращения фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ) и АТФ в гистидин. Гистидиновый оперон является классической моделью для изучения регуляции транскрипции, механизмов аттенуации и генетической комплементации.

¶История изучения

Впервые гистидиновый оперон был описан в 1960-х годах в лаборатории Брюса Эймса при исследовании мутантов Salmonella typhimurium. Работы Эймса и его коллег показали, что все гены биосинтеза гистидина расположены тандемно и транскрибируются с единого промотора в одну полицистронную мРНК. В 1970-х годах был открыт механизм аттенуации — регуляции терминации транскрипции в зависимости от концентрации заряженной тРНКHis. Эти исследования заложили основы концепции оперонной организации генов, предложенной Франсуа Жакобом и Жаком Моно.

¶Структура и гены

У E. coli и Salmonella гистидиновый оперон содержит девять генов: hisG, hisD, hisC, hisB, hisH, hisA, hisF, hisI, hisE. Некоторые гены кодируют бифункциональные белки:

• hisG — АТФ-фосфорибозилтрансфераза (первый фермент пути, чувствителен к ингибированию гистидином);
• hisD — гистидинолдегидрогеназа;
• hisC — гистидинолфосфатаминотрансфераза;
• hisB — имидазолглицеролфосфатдегидратаза и гистидинолфосфатаза (два домена);
• hisH и hisF — субъединицы глутаминамидо-амидотрансферазы;
• hisA — фосфорибозилформинимино-5-аминоимидазолкарбоксамидриботид-изомераза;
• hisI — фосфорибозил-АМФ-циклогидролаза;
• hisE — фосфорибозил-АТФ-пирофосфатаза.

Порядок генов соответствует последовательности ферментативных реакций, что характерно для многих бактериальных оперонов.

¶Регуляция экспрессии

Экспрессия гистидинового оперона регулируется двумя основными механизмами:

¶Репрессия

Продукт гена hisG (первый фермент) действует как аппрессор: при избытке гистидина он связывается с оператором и блокирует инициацию транскрипции. Этот механизм менее значим, чем аттенуация, и обеспечивает грубую настройку.

¶Аттенуация

Основной механизм — преждевременная терминация транскрипции в 5'-нетранслируемой области (лидерный пептид). Лидерная мРНК содержит короткую открытую рамку считывания, кодирующую пептид, богатый остатками гистидина (семь подряд). При дефиците гистидина рибосома застревает на кодонах His, что приводит к образованию антитерминаторной шпильки и продолжению транскрипции. При избытке гистидина рибосома проходит быстро, формируется терминаторная шпилька, и РНК-полимераза диссоциирует.

¶Метаболическое значение

Гистидин — одна из десяти незаменимых аминокислот для человека, но бактерии синтезируют его de novo. Путь биосинтеза включает десять реакций, потребляет АТФ и фосфорибозилпирофосфат. Конечный продукт гистидин используется для синтеза белков, а также служит предшественником гистамина и дипептида карнозина. У бактерий гистидиновый оперон часто сочетается с генами катаболизма гистидина (оперон hut), что обеспечивает утилизацию аминокислоты при её избытке.

¶Эволюционная консервативность

У большинства грамотрицательных бактерий гистидиновый оперон сохраняет единую структуру. У Bacillus subtilis гены биосинтеза гистидина организованы в кластер, но транскрибируются с нескольких промоторов, а регуляция осуществляется РНК-переключателем (T-box). У архей и грибов (например, Neurospora crassa) гены рассеяны по геному, что указывает на вторичную утрату оперонной организации. Сравнительный анализ гистидинового оперона используется в филогенетике как маркер горизонтального переноса генов.

¶Применение в биотехнологии

Промотор гистидинового оперона применяется для экспрессии рекомбинантных белков в бактериальных системах. Ген hisG используется как селективный маркер при создании ауксотрофных штаммов. Ингибирование первого фермента гистидинового оперона рассматривается как мишень для разработки антибактериальных препаратов, поскольку млекопитающие не имеют этого пути.

¶Интересные факты

• Гистидиновый оперон Salmonella typhimurium содержит самую длинную известную лидерную область среди аминокислотных оперонов (около 200 нуклеотидов).
• Мутации в гене hisG могут приводить к устойчивости к ингибированию гистидином и накоплению промежуточных метаболитов.
• Изучение гистидинового оперона способствовало открытию явления полярности — снижения экспрессии генов, расположенных дистальнее нонсенс-мутации.

¶Источники

• Ames B. N., Garry B. Coordinated biosynthesis of histidine // Journal of Biological Chemistry. — 1959.
• Winkler M. E. Escherichia coli and Salmonella: Cellular and Molecular Biology. — ASM Press, 1996.
• Alifano P. Histidine biosynthetic pathway and genes: structure, regulation, and evolution // Microbiological Reviews. — 1996.