Tryptofanoperonet är ett operon som innehåller gener för enzymer involverade i biosyntesen av aminosyran tryptofan . Tryptofanoperonet finns i många bakterier och beskrevs först i Escherichia coli . Tryptofanoperonet är en viktig experimentell modell för att studera regleringen av genuttryck .
Tryptofanoperonen beskrevs 1953 av Jacques Monod et al. Det var den första operon som visade sig vara reglerad av förtryck. Medan laktosoperonet aktiveras av det ämne som det är avsett att använda ( laktos ), undertrycks tryptofanoperonet av tryptofan, föreningen vars biosyntes detta operon är ansvarigt för. Den innehåller 5 strukturella gener ( cistroner ): trp E, trp D, trp C, såväl som trp B och trp A, som kodar för tryptofansyntassubenheter . På avsevärt avstånd från operonet finns trpR -genen, som kodar för ett protein som undertrycker uttrycket av tryptofanoperonet. Produkten av denna gen i närvaro av tryptofan binder till operatören och blockerar transkriptionen av operonet. Till skillnad från lac - operonet innehåller trp- operonet en speciell sekvens, attenuatorn , som är nödvändig för finreglering av operontranskription.
Regleringen av tryptofanoperonen utförs på två sätt: med hjälp av ett repressorprotein (repression), och även med hjälp av en speciell sekvens - en dämpare. Dessutom, i vart och ett av dessa fall, utförs regleringen enligt principen om negativ återkoppling .
Repressorproteinet ( tryptofanrepressorn ) har en molekylvikt på 58 kDa och kodas av trpR -genen belägen på ett avsevärt avstånd från själva operonet. trpR -genen uttrycks kontinuerligt på en låg nivå och bildar monomerer , som sedan kombineras för att bilda dimerer. I frånvaro av tryptofan är dessa dimerer inaktiva och bryts ned i cytoplasman. Men om koncentrationen av tryptofan i cellen är hög, binder dimererna till tryptofan. I detta fall ändras repressorns konformation , vilket gör att den kan binda till operatören. I detta fall är det väsentligt att nukleotidsekvenserna för operatorn och promotorn överlappar varandra i tryptofanoperonet, så att bindningen av L-tryptofan•repressorproteinkomplexet automatiskt blockerar bindningen av RNA-polymeras till promotorn. Således blockeras transkriptionen av tryptofanoperonet [1] .
Dämpning är den andra mekanismen för reglering av trp- operonet. Denna regleringsmetod är möjlig eftersom i prokaryoter , som saknar en kärna , processerna för transkription och translation inte separeras i tid och rum, som i eukaryoter , och fortgår samtidigt: medan RNA-polymeras syntetiserar mRNA , översätts den syntetiserade delen av detta mRNA. av ribosomen . I detta avseende kan översättningsprocessen direkt påverka transkriptionen av operonet.
Omedelbart efter operatören i tryptofanoperonet finns en 162 bp sekvens. [2] , kallad ledarsekvensen . Den kodar för den så kallade ledarpeptiden , som fick sitt namn eftersom denna peptid syntetiseras först från det polycistroniska mRNA:t från tryptofanoperonet. Ledarsekvensen inkluderar en speciell attenuatorsekvens ( attenuator ), som, genom att påverka den sekundära strukturen av det syntetiserade mRNA:t, kan orsaka för tidig avslutning av transkriptionen. En liknande sekvens finns också i bakterier av släktet Salmonella [3] .
I Escherichia coli trp operon har dämparen 4 regioner med omvända upprepningar . Transkription av attenuatorn resulterar i bildandet av hårnålar i mRNA. Det finns 3 varianter av hårnålar, nämligen mellan sekvenserna: 1-2, 2-3, 3-4. Samtidigt blockerar bildandet av hårnål 1-2 bildandet av hårnål 2-3, och bildandet av hårnål 2-3 förhindrar i sin tur bildandet av hårnål 3-4. Endast hårnål 3-4 är en terminator, det vill säga när det bildas, dissocierar RNA-polymeras från DNA med hög sannolikhet och transkriptionen avbryts.
En del av ledartranskriptet kodar för en kort peptid med 14 aminosyrarester, ledarpeptiden. Denna peptid innehåller 2 tryptofanrester som ligger bakom varandra. Tryptofan är en sällsynt aminosyra ( 1 tryptofanrest per 100 aminosyrarester av Escherichia coli -protein ), under förhållanden med tryptofanbrist blir den intracellulära koncentrationen av W-tRNA Trp • EF-Tu • GTP-komplexet mycket låg och ribosomen börjar att "hänga" på tryptofankodoner, eftersom motsvarande komplex inte kan "hittas" snabbt. Med stopp vid två tryptofankodoner stänger ribosomen den första av de fyra inverterade upprepningsregionerna. På grund av detta bildas hårnål 2-3, och terminatorhårnål 3-4 bildas inte, och transkriptionen fortsätter längre in i regionen av strukturella gener. Så under förhållanden med tryptofanbrist bildas de enzymer som är nödvändiga för dess syntes [3] .
Om tryptofankoncentrationen är hög, hänger inte ribosomen på tryptofankodoner: det nödvändiga tryptofanyl-tRNA Trp -komplexet hittas snabbt. I det här fallet stänger ribosomen inte den första, utan de två första regionerna av inverterade upprepningar. Regionerna 3 och 4 förblir fria, på grund av vilket terminatorhårnålen 3-4 bildas, vilket innebär att transkriptionen stoppas. Som ett resultat bildas endast en kort icke-funktionell peptid. Sålunda, under förhållanden med ett överskott av tryptofan, bildas inte de enzymer som är nödvändiga för dess syntes [3] .
För korrekt funktion av attenuatorn är samtidigheten av processerna för transkription och translation av ledarpeptiden extremt viktig. För att tillhandahålla det finns det en speciell "paussajt" i ledarområdet. Efter att ha nått det, suspenderar RNA-polymeras transkriptionen tills translation börjar. Således är processerna för transkription och översättning synkroniserade.
En liknande dämpningsmekanism förekommer i syntesen av andra aminosyror: histidin , fenylalanin och treonin [4] . Dämparen av histidinoperonet av Escherichia coli har 7 histidinkodon, och dämparen av fenylalaninoperonet har 7 fenylalaninkodon [5] .
Bacillus subtilis har också ett tryptofanoperon vars transkription kontrolleras av försvagning, men dess regleringsmekanism skiljer sig något från den för Escherichia coli . Hårnålar kan bildas i regionerna A-B och C-D av dämparen, men endast den senare orsakar transkriptionsterminering. I frånvaro av tryptofan bildas hårnålen A-B. Eftersom regionerna B och C delvis överlappar varandra förhindrar bildandet av en sådan hårnål bildandet av C-D hårnålen, därför är transkriptionen av operonet fullständig. De viktigaste skillnaderna mellan tryptofanoperonet från Bacillus subtilis och det från Escherichia coli är för det första närvaron av 11 upprepade kodon i ledar-mRNA:t ( GAGeller UAG), samt närvaron av ett speciellt RNA-bindande protein som kallas TRAP (från engelska trp RNA-bindande Attenuation Protein ). Vid höga koncentrationer av tryptofan binder TRAP till ovanstående upprepade sekvenser. Eftersom GAG/ UAG-upprepningar täcker hela region A, såväl som delvis region B, kan hårnålen A-B inte bildas. Detta möjliggör bildandet av en C–D hårnål, som, som nämnts ovan, är en terminator. Sålunda, i närvaro av tryptofan, blockeras transkriptionen av trp -operonet [6] .
| Transkription (biologi) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Transkriptionsreglering _ |
| ||||||||||||
| Aktivering | |||||||||||||
| Initiering | Startsida för transkription | ||||||||||||
| Förlängning |
| ||||||||||||
| Uppsägning | |||||||||||||