Kataboliitne repressioon

Kataboliitne repressioon ehk glükoosiefekt (inglise keeles catabolite repression) on nähtus, mille korral erinevate süsivesikute esinemisel kasvukeskkonnas eelistatakse süsiniku- ja energiaallikana ühte kindlat süsivesikut. Kataboliitset repressiooni kutsutakse lihtsustatult glükoosiefektiks, sest just glükoosi esinemisel kasvukeskkonnas märgati esimest korda kataboliitse repressiooni esinemist. Lisaks sellele on just glükoos põhiline kataboliitset repressiooni põhjustav süsivesik. Kataboliitset repressiooni võivad põhjustada peale glükoosi ka mõned teised süsivesikud, näiteks malaat. Sel juhul ei ole termini glükoosiefekt kasutamine kataboliitse repressiooni kohta enam täpne.

Avastamine

Kataboliitne repressioon avastati Esherichia coli's laktoosi (lac) operoni uurides. E. coli't kasvatati söötmel, mis sisaldas süsinikuallikana nii glükoosi kui laktoosi. Joonistus välja kasvukõver, millel oli kaks eksponentsiaalset kasvufaasi ning nende vahel lag-faas. Esimese eksponentsiaalse kasvufaasi ajal oli bakteri paljunemine väga kiire ning see viitas ajale, kui bakter kasutas kasvamiseks ainult glükoosi. Sellel ajal allus lac operon kataboliitsele repressioonile. Eksponentsiaalne kasvufaas kestis kuni glükoosi ammendumiseni kasvukeskkonnast. Järgneva lag-faasi ajal bakterite arvukus oluliselt ei muutunud. Lag-faas oli täpselt nii pikk, kui kaua läks bakteril aega, et võtta kasutusele lac operon ning sünteesida vajalikud ensüümid laktoosi kasutamiseks. Teine eksponentsiaalne kasvufaas oli tingitud laktoosi kasutamisest süsinikuallikana ning kestis kuni laktoosi otsalõppemiseni kasvukeskkonnast. Ka siin oli bakterite arvukuse suurenemine kiire nagu eksponentsiaalsele kasvufaasile omane. Sellest katsest võis selgelt näha kataboliitse repressiooni olemust.

Tähtsus

Arvatakse, et kataboliitne repressioon kui kontrollsüsteem on välja kujunenud, sest rakk saab glükoosi lagundamisest kätte summaarselt rohkem energiat, kui ühegi teise süsivesiku lagundamisest. Rakk kasutab kõigepealt ära kasvukeskkonnas olevad glükoosivarud ning alles siis hakkab tootma ensüüme, mis on vajalikud teiste süsivesikute kasutusele võtmiseks. Näiteks laktoosi kasutusele võtmiseks on vaja toota ensüümi laktoosi permeaas, mis transpordiks laktoosi dimeeri rakku, ning ensüümi β-galaktosidaas, mis lagundaks laktoosi dimeeri glükoosiks ja galaktoosiks. Nende ensüümide tootmine on aga energiamahukas protsess. Rakule on energeetiliselt kasulikum tarbida kõigepealt glükoosi ning alles glükoosivarude otsa lõppemisel kasvukeskkonnas minna üle mõne teise süsivesiku, näiteks laktoosi kasutamisele.

lac operon

Escherichia coli on võimeline süsinikuallikana kasutama mitmesuguseid süsivesikuid. Laktoosi kasutamiseks süsinikuallikana on vaja toota erinevaid ensüüme lac operonilt, näiteks β-galaktosidaasi ja laktoosi permeaasi. Nende ensüümide tootmiseks on vaja kõigepealt lac operon aktiveerida. lac operoni aktiveerimiseks on vajalik laktoosi esinemine kasvukeskkonnas, tsükliline adenosiinmonofosfaat (cAMP) ja kataboliitne aktivaatorvalk (CAP) ehk cAMP retseptorvalk (CRP).

Glükoosi ja laktoosi esinemine kasvukeskkonnas

Kui glükoosi ja laktoosi on mõlemat kasvukeskkonnas palju, blokeerib glükoosi laguprodukt ensüümi adenülaadi tsüklaasi tööd. Adenülaadi tsüklaasi on aga vaja, et muuta adenosiintrifosfaat (ATP) cAMP-ks. Kui adenülaadi tsüklaas on inaktiivne ja cAMP-d ei toodeta, siis ei saa toimuda CAP-valgu aktiveerumist. cAMP on CAP-valgu efektormolekul. Et alustada transkriptsiooni lac operonilt, peab CAP-valk seonduma lac operoni promootoralale. CAP-valk ei ole võimeline seonduma lac operoni promootoralale üksinda, vaid peab enne moodustama kompleksi oma efektormolekuli cAMP-ga. Glükoosi esinemisel kasvukeskkonnas on inhibeeritud cAMP tootmine, mille tõttu ei saa CAP-valk moodustada cAMP-ga kompleksi ega seonduda lac operoni promootoralale. Ka RNA polümeraas ei ole siis võimeline seonduma lac operoni promootorile ega alustama transkriptsiooni. Glükoosi esinemise korral kasvukeskkonnas allub lac operon kataboliitsele repressioonile.

Glükoosi kõrge kontsentratsiooni korral kasvukeskkonnas jääb lac operoni transkriptsiooni tase madalamaks kui 2%, võrreldes olukorraga, kus glükoosi on kasvukeskkonnas vähe.

Glükoosi puudumine ja laktoosi esinemine kasvukeskkonnas

Kui laktoosi on kasvukeskkonnas palju, aga glükoos puudub, siis ensüüm adenülaadi tsüklaas töötab ning katalüüsib ATP konverteerimist cAMP-ks. Kui cAMP on saavutanud piisavalt suure kontsentratsiooni, moodustab ta kompleksi CAP-valguga. Nüüd on CAP-valk võimeline seonduma lac operoni promootoralale. Kui CAP/cAMP-kompleks on promootoralale seondunud, painutatakse DNA rohkem kui 90° nurga alla ning CAP/cAMP-kompleks interakteerub otseselt RNA polümeraasi α-subühikuga. See kõik soodustab RNA polümeraasi seondumist promootoralale ja transkriptsiooni täpset alustamist.

Teised operonid

Ka arabinoosi (ara) ja galaktoosi (gal) operonide kataboliitne repressioon toimub samadel põhimõtetel nagu lac operonil.

Bacillus subtilis

Bacillus subtilis'es toimub kataboliitne repressioon natuke teistmoodi kui E. coli's. Erinevalt E. coli'st on B. subtilis'e puhul tegemist grampositiivse bakteriga. Tema eelistatuim süsiniku- ja energiaallikas, nagu ka enamikul teistel heterotroofsetel bakteritel, on glükoos. B. subtilis'es on kataboliitse repressiooni vahendajaks CcpA valk, mis toimib kui repressorvalk, seondudes kataboliitsete operonide promootoralale. Sarnaselt CAP-valguga ei ole ta võimeline seonduma DNA-ga enne, kui on moodustanud kompleksi oma kofaktoritega. CcpA kofaktoriteks on HPr(Ser-P) ja Crh(Ser-P). Pärast CcpA valgu seondumist kompleksi oma kofaktori HPr(Ser-P)-ga on ta võimeline seonduma DNA peal spetsiifiliste järjestustega, mille tulemusena lülitatakse välja umbes 300 geeni transkriptsioon.
B. subtilis'e teine eelistatuim süsinikuallikas on malaat. Sarnaselt glükoosiga põhjustab ka malaat alternatiivsete süsinikuallikate operonide kataboliitset repressiooni. Ka siin on kataboliitse repressiooni toimumiseks vajalik CcpA valgu ja tema kofaktorite olemasolu.

Taimepatogeenid

Erwinia liikidel on täheldatud kataboliitset repressiooni kasvades nii glükoosiga söötmel kui ka pektiini laguproduktide juuresolekul. Näiteks küllastumata digalakturoonhappe kõrge kontsentratsioon kasvukeskkonnas viib pektaatlüaaside sünteesi enese-kataboliitsele repressioonile. Sellist kataboliitset repressiooni on võimalik ümber pöörata cAMP lisamisel kasvukeskkonda. Pektaatlüaaside allumine kataboliitsele repressioonile vähendab taimepatogeensete bakterite virulentsust. Ühes sellega väheneb ka bakterite võimekus põhjustada taimekoe pehmenemist ehk matseratsiooni.

Erwinia crysanthemi

Erwinia chrysanthemi's allub pektaatlüaaside süntees cAMP kontrollitud kataboliitsele repressioonile. Glükoosi lisamisel kasvukeskkonda väheneb E. chrysanthemi pektaatlüaaside spetsiifiline aktiivsus kaks korda. Lisades aga samasse kasvukeskkonda cAMP-d, kasvab pektaatlüaasne aktiivsus suuremaks, kui see on kasvukeskkonnas, kuhu pole glükoosi lisatud.

Erwinia carotovora

Pektaatlüaaside süntees Erwinia carotovora's on sarnaselt E. crysanthemi'ga allutatud cAMP kontrollitud kataboliitsele repressioonile. Pektaatlüaaside produktsioon on alla surutud induktormolekuli kõrge kontsentratsiooni korral. cAMP lisamine aga kasvukeskkonda taastab pektaatlüaaside sünteesimise.