Регуляция экспрессии триптофанового оперона

Триптофан синтезируется из аромати­ческого предшественника – хоризмовой кислоты – в ходе пяти последовательных реакций, катализи­руемых ферментным комплексом из пяти белков. Эти кодируемые trp-опероном белки образуются согласованно, примерно в равных коли­чествах, при трансляции полицистронной мРНК, транскрибируемой с про­мотора. При наличии в среде достаточного для роста бактерий количества триптофана клетки бактерий образуют ферменты биосинтеза триптофана в очень малых количествах. Однако если клетки лишены экзогенного триптофана, то в них начи­нается довольно интенсивный синтез всех пяти фер­ментов. Содержание ферментов этой группы в клет­ках бактерий может различаться до 700 раз в зависи­мости от внутриклеточного уровня триптофана.

Подобный разброс в уровне экспрессии обуслов­лен наличием двух практически независимых меха­низмов регуляции, каждый из которых «подгоняет» уровень синтеза trp-мРНК к концентрации внутри­клеточного триптофана. Один механизм основан на репрессии, изменяющей эффективность инициации транскрипции в промоторе. Второй называется аттенуацией («ослаблением») и регулирует транскрипцию с помощью сигнала терминации транскрипции, расположенного между промотором и началом первого структурного гена. Эффекты этих двух регуляторных механизмов комплементарны, мультипли­кативны и позволяют увеличивать степень экспрессии оперона.

Репрессия триптофанового оперона

Транскрип­ция trp-оперонаблокируется, когда репрессор связывается с последовательностью trp-оператора. Ген, кодирующий репрессорный (R) белок, находится далеко от trp-оперона. Для того чтобы R-белок мог связаться с оператором и действовать как репрессор, он должен образовав комплекс с триптофаном. Поскольку уровень его экспрессии очень низок и не зависит от трип­тофана, концентрация активного репрессора отражает концентрацию внутриклеточного триптофана.

Нуклеотидные последовательности trp-оператора и промотора перекрываются и связывание комплекса репрессор-триптофан с оператором препятствует правильному взаимодействию РНК-пoлимеразы с промотором. При этих условиях транскрипция оперона не осуществляется и ферменты биосинтеза не образуются. В отсутствие триптофана не происходит и связывания репрессора с оператором, что позволяет РНК-полимеразе без помех инициировать транскрипцию на промоторе и синтезировать мРНК.

Аттенуация экспрессии триптофанового оперона

Регуляция работы триптофанового оперона с по­мощью аттенуации осуществляется при участии по­следовательности, находящейся на расстоянии при­мерно 100- 140 пар оснований от начала транскрип­ции. Этот так называемый лидерный сегмент, содержит аттенуаторную последова­тельность, которая вынуждает РНК-полимеразу прервать транскрипцию как раз перед началом первого гена с отделением фрагмента РНК длиной 141 нуклеотид лидерной мРНК. Подобная терминация происходит при уровнях триптофана в клет­ках от среднего до высокого. При низком уровне триптофана терминация транскрипции в пределах аттенуаторной последовательности в значительной мере блокируется, и транскрипция проходит через терминатор с образованием полноразмерной мРНК.