Główna zawartość

Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 16

Lekcja 1: Regulacja ekspresji genów u bakterii

Operon tryptofanowy

Artykuł o kontroli ekspresji genów przez represor trp . Sprzężenie zwrotne ujemne & atenuacja. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, przy wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Kluczowe punkty:

Operon tryptofanowy (trp), który znajduje się u bakterii E. coli, jest grupą genów, która koduje enzymy biosyntetyzujące tryptofan (aminokwas).
Operon trp jest wyrażany ("włączany"), gdy poziom tryptofanu jest niski a reprymowany ("wyłączany"), gdy poziom tryptofanu jest wysoki.
Operon trp jest regulowany przez represor trp. Kiedy wiąże się on z tryptofanem, represor trp blokuje ekspresję operonu.
Biosynteza trypfofanu jest także regulowana przez atenuację (mechanizm oparty na połączeniu transkrypcji i translacji).

Czym jest operon trp?

Bakterie takie jak Escherichia coli (przyjazny mieszkaniec naszych jelit), aby przetrwać potrzebują aminokwasów - ponieważ, tak jak my, potrzebują syntetyzować białka. Tryptofan jest jednym z aminokwasów, którego potrzebują.

Jeśli tryptofan jest dostępny w środowisku, E. coli wychwyci go i wykorzysta do budowy białek. Jednak E. coli może zsyntetyzować własny tryptofan wykorzystując enzymy, które są kodowane przez pięć genów. Te pięć genów jest ulokowanych obok siebie w tzw. operonie trp.

Krótka odpowiedź jest taka, że operon jest zestawem genów, które są przepisywane pod kontrolą jednego promotora i powstają jako długie mRNA, które zawiera sekwencje kodujące wiele genów. Operon nie tylko zawiera geny, ale także posiada regulatorowe sekwencje DNA, które kontrolują jego ekspresję (w tym promotor i miejsca wiązania dla białek represorowych lub aktywatorowych).

Zobacz artykuł "Przegląd: Regulacja ekspresji genów u bakterii", aby krok po kroku przejrzeć podstawowe cechy operonów.

Jeśli tryptofan jest obecny w środowisku, E. coli nie potrzebuje go syntetyzować, więc transkrypcja genów operonu trp jest "wyłączona". Kiedy natomiast dostępność tryptofanu jest niska, operon jest "włączony", geny ulegają transkrypcji, a enzymy biosyntetyzujące są syntetyzowane i więcej trypfofanu jest produkowanego.

Budowa operonu trp

Operon trp obejmuje pięć genów, które kodują enzymy potrzebne do biosyntezy tryptofanu, wraz z promotorem (miejscem wiązania polimerazy RNA) i operatorem (miejscem wiązania białka represorowego). Geny operonu trp są przepisywane jako jedno mRNA.

Włączanie i wyłączanie operonu tryptofanowego

Co robi operator? Ten odcinek DNA jest rozpoznawany przez białko regulatorowe znane jako represor trp. Kiedy represor wiąże się do DNA w miejscu operatora, hamuje transkrypcjię operonu przez fizyczne zablokowanie drogi dla polimerazy RNA, czyli enzymu transkrypcyjnego.

Represor trp nie zawsze wiąże się z DNA. Wiąże się i blokuje transkrypcję tylko wtedy, gdy obecny jest tryptofan. Kiedy tryptofan jest w środowisku, łączy się z cząsteczkami represora i zmienia ich kształt tak, że represor staje się aktywny. Mała cząsteczka taka jak tryptofan, która powoduje zmianę represora na jego formę aktywną, jest nazywana korepresorem.

Kiedy jest niewiele tryptofanu w komórce, represor trp jest nieaktywny (ponieważ nie jest dostępny tryptofan, który mógłby się do niego przyłączyć i tym samym go aktywować). Nie wiąże się on z DNA i nie blokuje transkrypcji i pozwala na transkrypcję operonu trp przez polimerazę RNA.

W tym systemie represor trp działa jak czujnik i przełącznik. Wyczuwa, czy tryptofan jest już obecny na wysokim poziomie i jeśli tak jest, "wyłącza" operon przeciwdziałając niepotrzebnej produkcji enzymów biosyntetyzujących.

Więcej o regulacji operonu trp: atenuacja

W zależności od tego, w której klasie teraz jesteś lub od Twoich zainteresowań, mogłeś także usłyszeć o innym rodzaju regulacji operonu trp, czyli o atenuacji.

Tak jak regulacja z wykorzystaniem represora trp, atenuacja jest mechanizmem ograniczającym ekspresję operonu trp w warunkach wysokiego stężenia tryptofanu. Jednak zamiast blokować inicjację transkrypcji, atenuacja przeciwdziała zakończeniu transkrypcji.

Gdy poziom tryptofanu jest wysoki, atenuacja powoduje, że polimeraza RNA zatrzymuje się przedwcześnie, podczas przepisywania operonu trp. Tworzone są tylko krótkie, grube mRNA, czyli takie, które nie kodują żadnych enzymów biosyntezy tryptofanu. Atenuacja działa poprzez mechanizm oparty na sprzężeniu (proces translacji mRNA zachodzi w trakcie, gdy mRNA wciąż jest transkrybowane).

Aby zrozumieć atenuację powiększmy region operonu trp, po którym wcześniej przebiegliśmy wzrokiem w powyższych sekcjach. Ta sekcja leży pomiędzy operatorem i pierwszym genem operonu i jest nazywana sekwencją liderową. Sekwencja liderowa koduje krótki polipeptyd i zawiera także sekwencję atenuatora. Atenuator nie koduje polipeptydu, ale kiedy jest przepisywany na mRNA ma sekwencje komplementarne w swoim obrębie i może tworzyć różne struktury spinki do włosów.

Kiedy polimeraza RNA rozpoczyna transkrypcję operonu, rybosom może wiązać się do powstającego transkryptu i rozpocząć translację sekwencji liderowej. Polipeptyd kodowany przez sekwencję liderową jest krótki, o długości tylko

14

aminokwasów i zawiera dwie reszty tryptofanowe (Trp)

^{1}

. Te dwa aminokwasy są ważne, ponieważ:

Jeśli jest dużo tryptofanu, rybosom nie będzie musiał czekać na tRNA niosące tryptofan i szybko ukończy polipeptyd liderowy.
Jeśli jest mało tryptofanu, rybosom pozostanie na kodonie odpowiadającym Trp (czekając na tRNA transportujące Trp) i powoli zakończy translację lidera.

Dlaczego ma znaczenie to, że rybosom przepisuje sekwencję liderową szybko lub wolno? Jak wspomniano powyżej, lider poprzedza atenuator, który (w swojej formie mRNA) może wiązać się sam ze sobą tworząc różne struktury spinki do włosów. Jedna struktura zawiera sygnał terminacji transkrypcji, podczas gdy druga jej nie kończy (i w rzeczywistości zapobiega tworzeniu się terminatora o strukturze spinki do włosów)

^{2}

Jeśli rybosom przeprowadza translację powoli, zatrzyma się i jego pauza spowoduje tworzenie się antyterminatora (o strukturze spinki do włosów nie powodującej terminacji). Ta spinka przeciwdziała tworzeniu się terminatora i pozwala na kontynuację transkrypcji.
Niski poziom Trp: Gdy w komórce nie ma dużo tryptofanu, rybosom pozostanie na kodonach Trp, prowadząc translację krótkiego polipeptydu na początku lidera. To spowoduje, że regiony 2 i 3 połączą się ze sobą w strukturę spinki do włosów. Ta struktura, zwana antyterminatorową spinką do włosów, zapobiega tworzeniu się struktury spinki do włosów terminatora (sparowane obszary 3 i 4). Terminacja nie następuje, a polimeraza RNA kontynuuje transkrypcję, tworząc transkrypt, który zawiera geny trpE-trpA.
Jeśli rybosom przeprowadza translację szybko, odłącza się od mRNA po utworzeniu peptydu liderowego. Pozwala to na utworzenie się sekwencji terminatorowej o strukturze spinki do włosów i związanej z nią kolejnej struktury spinki do włosów, co powoduje odłączenie polimerazy RNA i zakończenie transkrypcji.
Wysoki poziom Trp: rybosom nie blokuje się w kodonach Trp podczas syntezy polipeptydu lidera, ponieważ Trp jest dużo (a zatem wokół jest mnóstwo tRNA niosących Trp). Rybosom szybko syntetyzuje polipeptyd lidera, dociera do kodonu stop i odłącza się od mRNA. To pozostawia regionom 1 i 2 swobodę parowania, co więcej regiony 3 i 4 również sparują się i utworzą strukturę spinki do włosów terminatora. Struktura spinki do włosów terminatora powoduje, że polimeraza RNA odrywa się od DNA i transkryptu, kończąc terminację. Powstaje krótkie mRNA składające się z fragmentu lidera; geny trpE-trpA nie są transkrybowane.

Ten mechanizm może być złożony, ale jego skutek jest dość przewidywalny. Kiedy tryptofan jest obecny w dużej ilości, rybosom przemieszcza się szybko wzdłuż sekwencji liderowej, tworzy się sekwencja terminatorowa o strukturze spinki do włosów i następuje zakończenie transkrypcji operonu trp. Kiedy tryptofan jest deficytowy, rybosom przemieszcza się powoli wzdłuż sekwencji liderowej, tworzy się struktura spinki do włosów nie pełniąca funkcji terminatora i dalej zachodzi transkrypcja operonu trp.

Innymi słowy logika atenuacji jest taka sama, jak w przypadku regulacji represora trp. W obu przypadkach wysoki poziom tryptofanu w komórce blokuje ekspresję operonu. To ma sens, ponieważ wysoki poziom tryptofanu oznacza, że komórki nie potrzebują utworzenia większej ilości enzymów biosyntezy do produkcji dodatkowych cząsteczek tryptofanu.

Szukaj wiadomości poza Khan Academy

Do you want to learn more about the trp operon? Check out this scrollable interactive from LabXchange.

LabXchange to bezpłatna platforma edukacyjna online stworzona przez Wydziale Arts and Sciences uniwersytetu Harvarda i wspierana przez Fundację Amgen.

Żródła:

Ten artykuł jest zmienioną wersją "Prokaryotic gene regulation," OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Pobierz oryginalny artykuł za darmo z http://cnx.org/contents/76b4a074-d223-4ad9-8d9e-4114c74f492c@5.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1143. http://dx.doi.org/10.1261/rna.620507.
Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1144. http://dx.doi.org/10.1261/rna.620507.

Bibliografia:

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. Raff, M., Roberts, K. i Walter, P. (2002). How genetic switches work. W Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Źródło: www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26872/

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Prokaryotic DNA-binding proteins bind specifically to regulatory sites in operons. W Biochemistry (5th ed., section 31.1). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22512/.

Bergmann, D. C. (2011). Gene regulation: How to only make RNA (and protein) at the right time and place. W BIO41: 2011 Molecular biology lectures on DNA, RNA and biotechnology (str. 9-13).

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., i Gelbart, W. M. (2000). Additional examples of control: Attenuation. W An introduction to genetic analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22103/.

Gutierrez, R. (2009). Bio41 week 9 — Molecular biology Lectures 4-6. W Stanford Bio41.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D. i Darnell, J. (2000). Bacterial transcription initiation. Molecular Cell Biology (4th ed., section 10.2). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21612/.

McClean, P. (1997). The trp operon - A repressible system. W Prokaryotic gene expression. Źródło: https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc431/prokaryo/prokaryo3.htm.

OpenStax College, Biology. (29 września 2015). Prokaryotic gene regulation. W OpenStax CNX. Źródło: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:drSgdNIj@5/Prokaryotic-Gene-Regulation.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. i Singer, S. R. (2014). The trp operon is controlled by the trp repressor. W Biology (10th ed., AP ed., pp. 311-312). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription. W Campbell biology (10th ed., str. 361-365). San Francisco, CA: Pearson.

Szouter, P. (2013). Lecture 17 - Prokaryotic regulation. W BIOL 202 Genetics. Źródło: http://www.discoveryandinnovation.com/BIOL202/notes/lecture17.html.

Tryptophan synthase. (31 stycznia 2016). Dostęp 17 kwietnia 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Tryptophan_synthase.

Trp operon. (11 lutego 2016). Dostęp 17 kwietnia 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Trp_operon.

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1141-1154. http://dx.doi.org/10.1261/rna.620507.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.