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Attenuation (Genexpression)
Als transkriptionelle Attenuation wird eine Form der Regulation der Genexpression bei Prokaryoten bezeichnet, mit der eine begonnene Transkription vorzeitig …
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Grundprinzip der Attenuation
Transkriptionelle Attenuation ist eine Regulationsform der Genexpression bei Prokaryoten. Eine bereits begonnene Transkription kann dabei vorzeitig enden: Die RNA-Polymerase löst sich von der DNA-Vorlage, bevor nachfolgende Gene vollständig in mRNA umgeschrieben wurden.
Entscheidend sind alternative Faltungen des neu entstehenden mRNA-Anfangsbereichs in der Leader-Region. Durch interne Basenpaarung kann sich an der Terminatorstelle, dem Attenuator, eine Haarnadelstruktur bilden. Diese Struktur bewirkt die Termination. Befindet sich ein gleichzeitig translatiertes Ribosom an bestimmten Positionen, kann die terminierende Schleife jedoch nicht entstehen. Eine Verzögerung der Translation kann somit die Transkription über den Attenuator hinaus erlauben.
Eine solche Verzögerung tritt beispielsweise auf, wenn eine mit einer bestimmten Aminosäure beladene tRNA wegen geringer Aminosäurekonzentration nicht rasch verfügbar ist. Dann können Gene für die Synthese dieser Aminosäure vollständig transkribiert werden. Voraussetzung ist die räumliche und zeitliche Kopplung von Transkription und Translation. Sie besteht nur bei Prokaryoten; bei Eukaryoten sind Transkription im Zellkern und Translation im Zytoplasma getrennt. Außerdem muss die Transkription am Promotor konstitutiv beginnen.
Regulation des trp-Operons
Das trp-Operon von Escherichia coli ist ein klassisches Beispiel; Charles Yanofsky beschrieb diese zusätzliche Regulationsweise 1981. Vorrangig wird das Operon durch Repression geregelt: Das trpR-Gen codiert einen Repressor, der nach Aktivierung durch Tryptophan (Trp) als Corepressor reversibel an den Operator im Promotorbereich bindet. Dadurch wird der RNA-Polymerase der Zugang versperrt. Bei hoher intrazellulärer Tryptophankonzentration ist das Operon daher meist reprimiert.
Falls dennoch Transkription beginnt, wirkt Attenuation als zusätzliche Sicherung. Vor den Strukturgenen trpE, trpG-D, trpC-F, trpB und trpA liegt eine 5'-UTR beziehungsweise Leader-Sequenz. Die Gene codieren insgesamt für sieben Polypeptide, die für enzymatisch wirksame Proteine der Tryptophanbiosynthese gebraucht werden. Der etwa 160 Nukleotide lange Leaderbereich enthält vier kurze, ungefähr je ein Dutzend Nukleotide lange palindromische Sequenzen 1, 2, 3 und 4. Sie können die alternativen Haarnadelstrukturen 1:2, 2:3 oder 3:4 bilden.
Die Struktur 3:4 ist das intrinsische, Rho-Faktor-unabhängige Terminationssignal: Starke Wasserstoffbrücken nahe der Schleife in Sequenz 4 (GCGGGC...) halten die Polymerase an; anschließend begünstigen schwache Bindungen (...UUUUUU) ihre Ablösung von der DNA. Die Transkription endet dann noch vor trpE.
Abhängigkeit vom Tryptophanspiegel
Sequenz 1 gehört zugleich zur trpL-Sequenz mit 14 Codons. Die fünf letzten Codons vor dem Stopcodon, darunter zwei Tryptophan-Codons, liegen in Sequenz 1. Ein Ribosom übersetzt trpL in ein Leader-Peptid; seine Position entscheidet, welche mRNA-Struktur entsteht.
Bei hohem Trp-Spiegel ist beladene tRNA^Trp verfügbar. Das Ribosom bildet das Leader-Peptid schnell und gelangt über Region 2. Deshalb kann sich die Antiterminator-Struktur 2:3 nicht bilden; Sequenz 3 paart mit 4. Die 3:4-Struktur terminiert die Transkription, und trpE bis trpA werden nicht transkribiert.
Bei Tryptophanmangel verzögert sich die Translation am Trp-Tandem in Sequenz 1, weil tRNA^Trp nicht prompt verfügbar ist. Sequenz 1 steht dann nicht als Partner für Sequenz 2 bereit. Sequenz 2 kann mit 3 die Struktur 2:3 bilden, wodurch die Terminatorstruktur 3:4 verhindert wird. Die RNA-Polymerase transkribiert sämtliche Gene trpE bis trpA in eine etwa 6800 Nukleotide lange polycistronische mRNA. Deren Translation liefert die Genprodukte TrpE bis TrpA und ermöglicht eine gesteigerte Tryptophansynthese.
Weitere Formen und Beispiele
Weitere Operons mit Attenuation betreffen die Biosynthese von Phenylalanin, Histidin, Leucin, Threonin, Methionin oder Cystein sowie den Abbau von Aminosäuren. Beim tna-Operon von E. coli, dessen Gene für die Tryptophanase codieren, wird bei Tryptophanüberschuss ein tryptophanhaltiges Leader-Peptid translatiert. Es blockiert Bindungsstellen, die für eine Rho-Faktor-abhängige vorzeitige Termination nötig wären; das Operon kann dann transkribiert werden.
Beim pyrBI-Operon von E. coli, das für ein Enzym der Pyrimidinbiosynthese codiert, ist Attenuation die primäre Regulation. Bei geringer UTP-Verfügbarkeit pausiert die RNA-Polymerase in der Leadersequenz. Dies beeinflusst Stellung und Bewegung des Ribosoms so, dass es die Terminatorbildung verhindert. Beim pyr-Operon von Bacillus subtilis wird dagegen das RNA-bindende Protein PyrR durch UMP aktiviert. Aktives PyrR bindet so an die mRNA, dass ein intrinsischer Terminator entsteht; bei niedrigem UMP-Spiegel bleibt PyrR inaktiv und eine alternative Faltung ermöglicht vollständige Transkription.
Beim trp-Operon von B. subtilis reguliert das durch Tryptophan aktivierte RNA-bindende Protein TRAP die sechs Strukturgene trpEDCFBA. TRAP fördert in der Leaderregion mittelbar die Terminatorsignalbildung. Außerdem kann eine Umfaltung mehr als hundert Nukleotide stromabwärts die Ribosomen-Bindungsstelle vor trpE in einer Haarnadelstruktur verbergen und so die Initiation der Translation blockieren.
Kennzeichen und Regelwirkung
Attenuation ergänzt Repression und Aktivierung als Regulationsweise der Genexpression. Erforderlich sind die gleichzeitige Transkription und Translation einer mRNA, deren 5'-UTR stromaufwärts der Strukturgene mehrere Faltungsmöglichkeiten besitzt. Die aktuelle Stoffwechsellage bestimmt über regulatorische mRNA-Elemente oder -Regionen und ihre Wechselwirkung mit Metaboliten, welche Faltung gewählt wird. Mindestens eine Faltung wirkt als Terminationssignal, während mindestens eine alternative Faltung genau diese Terminierung ausschließt.
Beim trp-Operon von E. coli liegen die Grenzen des Regelbereichs der in Abhängigkeit von Tryptophan exprimierten Strukturgene bei vorhandenem Repressor um etwa den Faktor 700 auseinander. Auch wenn das Repressorgen trpR ausgeschaltet ist, kann Attenuation allein die tryptophangeregelte Genexpression noch um etwa den Faktor 10 dämpfen. So kann eine begonnene Transkription abhängig von metabolischen Bedingungen vorzeitig abgebrochen, verzögert oder vollständig durchgeführt werden.
