Приложение 4. Работы Жакоба и Моно

Серия статей Жакоба и Моно об управлении активностью генов, публикуемых постепенно начиная с 1951 года и до настоящего времени, принадлежит к числу важнейших работ по генетике последнего времени [1]. Хотя она посвящена изучению индукции и репрессии энзимов в бактерии, называемой Escherichia coli, многие биологи считают, что механизмы, действием которых Жакоб и Моно объясняют свои результаты, могут иметь широкое применение [2, 3].

Индукция происходит следующим образом: когда Е. coli выращивается в лактозе, два соседних гена индуцируются к синтезу двух ферментов, один из которых (пермеаза) отвечает за транспортировку лактозы внутрь клетки, а другой (β-галактозидаза) оказывает влияние на катаболизирование лактозы в глюкозу и галактозу. Обычно это происходит лишь при наличии лактозы, но определенные мутанты ("конститутивные мутанты") Е. coli синтезируют эти Два фермента независимо от того, есть лактоза или нет. Обнаружено, что мутация при этом имеет место . в третьем гене, отличном от этих двух и не соседнем с ними, откуда следует заключить, что этот ген управляет теми двумя и делает это с помощью вещества, покидающего хромосому, которое Жакоб и Моно называют "цитоплазмическим веществом". Ясно, что это вещество должно обычно подавлять активность тех двух генов, а в случае мутации теряет эту способность. Вывод, следовательно, таков, что индукция совершается не прямо, а через подавляющее действие этого вещества. Управляющий ген Жакоб и Моно назвали "геном-регулятором", цитоплазмическое вещество назвали "репрессором", а другие два гена назвали "структурными генами".

Существует, однако, еще одна мутантная форма Е. coli, у которой эти два фермента тоже синтезируются всегда, независимо от присутствия лактозы, но в этом случае мутирует ген, соседний по хромосоме с теми двумя структурными генами. Оказалось, что действие этого гена противоположно действию регуляторного гена, и в норме он активирует структурные гены (и делает это непосредственно, не пользуясь химическим веществом). Этот ген Жакоб и Моно называют "оператором", а последовательность генов, состоящих из оператора и N структурных генов, контролируемых им, называют "опероном". Жакоб и Моно постулировали, что обычно репрессор воздействует на оператор и подавляет его активность.

(Все это касается индукции ферментов, но репрессия ферментов тоже имеет место в Е. coli, причем это происходит сходным образом. В этом случае репрессор действует на оператор лишь при условии, что другое вещество, репрессирующее вещество, введенное в клетку извне (корепрессор), соединяется с ним и наделяет его этой способностью. Таким образом, вещество, присутствующее в растворе, которое бактерия в ином случае вынуждена была бы синтезировать, само может вызвать репрессию такого синтеза.)

Итак, ситуацию в целом можно изобразить следующей схемой:

Из блоков такого типа ("регулятор-оперон"), в которых выход одного блока может оказывать индукционное или репрессирующее воздействие на другой такой блок, может быть построена сеть со сложным поведением. По словам Жакоба и Моно, открытие таких блоков, "по-видимому, позволяет точно говорить о контролирующих элементах, которые необходимы для построения сложных и точных химических сетей передачи информации, обеспечивающих развитие и нормальное физиологическое функционирование организма" [4].