До сих пор мы говорили о существовании в клетке системы генов, детерминирующих первичную структуру белковых молекул, однако существует и иной класс генов, а именно регулирующих скорость синтеза и самую возможность синтеза специфических белков-ферментов.
В контроле биосинтеза белковой молекулы принимают участие несколько разных генов: структурные гены, ген-регулятор, оператор.
Структурными генами называются гены, кодирующие последовательность аминокислот в полипептидах. У бактерий кишечной группы структурные гены, контролирующие белки-ферменты для последовательных реакций одного пути биосинтеза, как правило, располагаются в хромосоме рядом, причем последовательность генов соответствует последовательности контролируемых реакций, то для ряда таких «родственных» генов существует общая схема регуляции, состоящая из гена-регулятора, который может не сцеплен со структурными генами, и гена-оператора, тесно пленного со структурными генами.
Ген-регулятор определяет синтез белка-репрессора, который объединяясь с оператором, «разрешает» или «запрещает» считывание информации соответствующих структурных генов.
Оператор и следующие за ним структурные гены Ф. Жакоб и Ж. Моно назвали опероном. Считается, что оперон является единицей считывания генетической информации, единицей трансами, т. е. с каждого оперона отпечатывается одна, своя, молекула и-РНК. Эта и-PHК поступает затем в рибосомы и служит матрицей синтеза белков соответственно числу генов оперона. Оперон может включать до десятка структурных генов, например оперон, контролирующий биосинтез гистидина у Salmonella, имеет 9 генов. Интересно, что у разных бактерий кишечной группы такие опероны оказываются сходными. Так, у Escherichia coli и Salmonella typhimurium пиримидиновые опероны состоят из шести генов, расположенных в одинаковой последовательности в одинаковых местах на хромосомной карте.
Жакоб и Моно предложили следующую схему оперона у Escherichia coli на примере лактозного участка (Lac-оперон).
Схема работы оперона на примере лактозного участка у Escherichia coli (Lac-оперон)
Этот оперон включает три гена, работа которых необходима для ферментации β-галактозидов: ген z контролирует синтез β-галактозидазы, ген γ — синтез галактозид-пермеазы, а ген ас синтез галактозид-трансацетилазы. Если в среде, а следовательно, и в клетке нет β-галактозидов, то белок-репрессор, вырабатываемый геном-регулятором, связывается с оператором Lac-оперона и тем самым запрещает транскрипцию (синтез и-РНК) со всего оперона. Если появляются β-галактозиды, то они служат индуктором синтеза всех трех ферментов Lac-оперона: индуктор, например, Галактоза соединяется с белком-репрессором. Вследствие этого репрессор уже не может взаимодействовать с оператором, а поскольку оператор является той точкой, с которой начинается транскрипция, то с оперона считывается и-PHK и синтезируются далее три соответствующих фермента. Подобные системы, в которых Присутствие определенного соединения вызывает синтез соответствующих ферментов, носят название индуцибельных.
Связь между генетической структурой, контролирующей образование гистидина у Salmonella typhimurium
Представленная схема является не фантазией, а экспериментально проверяемым явлением. Так, если с помощью хромосомной перестройки структурные гены отделить от своего оператора и присоединить к другому оперону, который до этого был подчинен своему оператору, то перемещенные гены окажутся в подчинении корневой системы регуляции, определяемой новым оператором. В результате комплексный оперон под контролем одного оператора осуществляет синтез обеих групп ферментов.
Подобные сложные опероны характерны только для бактерий кишечной группы. У других организмов гены, контролирующие последовательные этапы метаболизма, как правило, расположены в хромосоме случайно, т. е. не представляют собой тесно сцепленных групп. Тем не менее, данные, полученные на кишечных бактериях, показывают, что действие генов, детерминирующих структуру белков, находится под более или менее сложным контролем других генов.