Regulacja operonu tryptofanowego u E. coli

Marcin Tabaka
Regulacja operonu tryptofanowego u E. coli
Celem niniejszej pracy jest zaproponowanie nowego, szczegółowego modelu represji
operonu tryptofanowego. Dla wyprowadzonego modelu przeanalizowałem rozkłady czasów inicjacji transkrypcji podczas derepresji. Przedstawiłem również ogólny model inicjacji ekspresji genu. Opisuje on ewolucję czasową produktów ekspresji genu w populacji
komórek.
Regulacja operonu tryptofanowego u E. coli jest jednym z najlepiej poznanych systemów regulacji ekspresji genów. Często służy jako paradygmat tych procesów u bakterii. W pracy pokazano, że dotychczasowe modele represji tryptofanowej nie są w stanie opisać eksperymentów biologicznych. Są one również wyprowadzone w oparciu o
błędne założenia. Dlatego też, bazując na wynikach eksperymentalnych, wyprowadziłem
poprawiony, kinetyczny model represji operonu tryptofanowego oraz przeprowadziłem
jego szczegółową parametryzację. W modelu tym uwzględniam reakcję tryptofanu z wolnym represorem oraz z represorem związanym z operatorem, a takżę reakcję polimerazy
RNA z promotorem. Wykazałem, że przyłączenie dwóch cząsteczek tryptofanu do układu represor-operator zwiększa jego stabilność. Operator zawiera trzy miejsca wiązania
represora. Każde z tych miejsc, gdy jest związane z represorem blokuje przyłączanie
polimerazy RNA.
Dla typowych warunków panujących wewnątrz komórki E. coli przeanalizowałem
czasy inicjacji transkrypcji podczas derepresji. Obniżenie wewnątrzkomórkowego stężenia tryptofanu powoduje przyłączenie polimerazy RNA do promotora i inicjację transkrypcji. Promotor operonu tryptofanowego należy do grupy najsilniejszych promotorów u E. coli. Jednakże transkrypcja zachodzi dopiero dla znikomych ilości tryptofanu. Dzieje się tak dlatego, że w obrębie operatora są trzy miejsca wiązania represora.
Drugim, istotnym elementem w efektywnej regulacji operonu tryptofanowego jest przyłączanie/odłączanie cząsteczek tryptofanu do związku represor-operator. W przypadku
gwałtownego niedoboru tryptofanu w komórce, utrata tryptofanu przez związek represoroperator i niemożność jego ponownego związania powoduje natychmiastowe odłączenie
represora od operatora. Dlatego też w procesie derepresji, rozkłady czasów inicjacji transkrypcji charakteryzują się niską wariancją.
Drugim problemem poruszanym w niniejszej pracy jest zmienność ilości produktów
ekspresji genu w populacji komórek w trakcie aktywacji tego genu. W doświadczeniach
oraz w symulacjach komputerowych zaobserwowano kilka typów odpowiedzi populacji
komórek na bodziec wywołujący ekspresję genu. Jednym z typów jest odpowiedź stopniowa, gdy rozkłady ilości produktów ekspresji genu zawierają jedno maksimum, stopniowo
przechodzące ku wyższym zawartościom produktów. Drugi typ odpowiedzi, nazywany
binarnym, przejawia się istnieniem dwóch maksimów w odpowiednich rozkładach. Jedno
maksimum odpowiada początkowemu poziomowi ekspresji, drugie poziomowi stacjonarnemu. W celu wyjaśnienia powstawania tych rozkładów zaproponowałem kinetyczny model uwzględniający następujące procesy: aktywację genu, syntezę produktów tego genu
oraz ich rozpad. Wyprowadziłem dla tego modelu zależny od czasu rozkład prawdopodobieństwa ilości produktu ekspresji genów. Pozwolił on na określenie warunków, dla
których dany typ odpowiedzi występuje. Wykazałem, że odpowiedź jest określona przez
parametr r będący stosunkiem stałej szybkości aktywacji genu do stałej szybkości rozpadu produktu tego genu. Jeżeli r ≪ 1, to występuje odpowiedź binarna. Jeżeli r > 1,
to odpowiedź jest stopniowa.