Attenuation (Genexpression)

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Dieser Artikel beschäftigt sich mit Attenuation als einer Regulationsform der Genexpression. Zur Attenuation von Viren siehe Attenuierung.

Als transkriptionelle Attenuation wird eine Form der Regulation der Genexpression bei Prokaryoten bezeichnet, mit der eine begonnene Transkription vorzeitig abgebrochen werden kann.[1]

Die transkribierende RNA-Polymerase kann hierbei von der DNA-Vorlage getrennt werden infolge von Wechselwirkungen innerhalb des soeben aufgebauten mRNA-Anfangsbereichs, sofern durch interne Basenpaarung eine Schleife gebildet wird an der intrinsischen Terminatorstelle, dem Attenuator. Diese Schleifenbildung in der Sekundärstruktur der mRNA aber ist bei bestimmten Positionen eines gleichzeitig voranschreitenden und die entstehende mRNA translatierenden Ribosoms nicht möglich. Solche Positionen nimmt das Ribosom allerdings nur bei einer Verzögerung der Translation ein, die somit dann erst die Fortsetzung der Transkription über den Attenuatorbereich hinaus erlaubt. Verzögert wird der Translationsprozess etwa, wenn eine mit der spezifischen Aminosäure beladene tRNA nicht prompt verfügbar ist, da die betreffende Aminosäure nur in geringer Konzentration in der Zelle vorliegt. Unter solchen Bedingungen kann also die vollständige Transkription erfolgen, beispielsweise von Genen für die Synthese einer Aminosäure, wenn es an dieser Aminosäure mangelt.

Voraussetzung für diesen Regulationsmechanismus ist, dass Transkription und Translation nahezu gleichzeitig stattfinden, dass also die RNA-Polymerase noch transkribiert und das mRNA-Molekül aufbaut, während bereits ein Ribosom an anderer Stelle desselben mRNA-Moleküls sitzt und synchron translatiert. Diese zeitliche und räumliche Kopplung kann nur bei Prokaryoten gegeben sein. Denn bei eukaryoten Zellen findet die Transkription im Kompartiment des Zellkerns statt, die mRNA wird danach exportiert und die Translation läuft im Zytosol außerhalb des Zellkerns ab, zeitlich und räumlich getrennt.

Beispiel: das Tryptophan-Operon trp in E. coli[Bearbeiten]

Das trp-Operon in Bakterien ist ein klassisches Beispiel der transkriptionellen Attenuation als einer zusätzlichen Genregulationsweise, erstmals 1981 von Charles Yanofsky beschrieben.[2] Vorrangig aber wird auch bei Escherichia coli der Zugriff auf das Operon dadurch geregelt, dass ein Repressorprotein reversibel an einen im Promotorbereich gelegenen Operator bindet und damit der RNA-Polymerase den Zugang verlegt,[3] wenn es zuvor durch die Aminosäure Tryptophan (Trp) als Corepressor aktiviert wurde. Derart wird die Transkription abhängig vom intrazellulären Tryptophan-Spiegel negativ rückgekoppelt reguliert und mit ansteigendem Spiegel unterdrückt. Bei hoher Tryptophankonzentration ist das trp-Operon daher mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit reprimiert und eine Transkription findet kaum statt.

Kommt eine Transkription jedoch in Gang, so stellt die Attenuation zunächst einen zusätzlich sichernden Mechanismus dar, mit dem bei hohem Spiegel an mit Tryptophan beladener tRNA (tRNATrp) ein vorzeitiger Abbruch erzwungen werden kann – noch bevor die nachfolgenden Strukturgene des Operons transkribiert werden. Diese sieben aufeinanderfolgenden Gene (trpE, trpG-D, trpC-F, trpB und trpA)[4] kodieren für Polypeptide, die in enzymatisch wirksamen Proteinen für die Biosynthese von Tryptophan gebraucht werden – falls an dieser Aminosäure ein Mangel besteht. Vor dem offenen Leserahmen für diese Gene liegt denn ein sogenannter untranslatierter Bereich, die 5'-UTR oder Leader-Sequenz, hier auch trpL genannt, mit jenen Sequenzen, die in der mRNA eine Attenuation möglich machen.[3]

In diesem rund 160 Nukleotide umfassenden Bereich am 5'-Ende der mRNA finden sich nämlich vier kürzere palindromische Sequenzen: als je etwa ein Dutzend Nukleotide lange einsträngige Sequenzabfolgen (1., 2., 3., 4.), die einander ergänzen können und so durch Basenpaarungen miteinander jeweils doppelsträngige Teilabschnitte einer Haarnadelstruktur in der mRNA auszubilden vermögen. Dabei sind verschiedene Stamm-Schleifen-Bildungen möglich (1:2, 2:3, 3:4) mit zueinander komplementären Palindromen. Eine Ausbildung der hinteren (3:4) mRNA-Schleife führt – wegen der schlaufennah starken Bindungen über Wasserstoffbrücken (GCGGGC... in 4.) – zum Anhalten des RNA-Polymerase-Moleküls, und – wegen der anschließend schwachen Bindungen (...UUUUUU) – zum Ablösen vom DNA-Strang, womit die Transkription vorzeitig beendet ist, noch bevor das erste Gen des Operons (trpE) erreicht wurde. Die für diese (Rho-Faktor-unabhängige) Termination nötige strukturtragende Sequenz wird als das intrinsische Terminationssignal der Attenuatorsequenz bezeichnet.

Die davorliegenden Sequenzen erlauben innerhalb des entstehenden mRNA-Transkripts eine alternative Schleifenbildung, womit der vorzeitige Transkriptionsabbruch unterlaufen werden kann (2:3), denn wenn die Sequenz 2 mit 3 gepaart ist, ist deren Paarung mit 4 nicht möglich. Dazu kommt es erst bei einem deutlich verzögerten Aufenthalt des zunächst synchronisiert[Anm. 1] der RNA-Polymerase nachfolgenden Ribosoms in Sequenz 1.[4] Denn diese Sequenz stellt auch das Ende eines – in einer 5'-UT-Region eher ungewöhnlichen – Abschnitts mit 14 Codons dar, und repräsentiert deren fünf letzte vor dem Stopcodon, darunter zweimal das Codon für Tryptophan. Das Ribosom translatiert den codierenden Nukleotidabschnitt in ein sogenanntes Leader-Peptid,[5] und bleibt hier dann hängen, wenn tRNATrp für das Trp-Tandem nicht prompt verfügbar ist, beispielsweise bei Tryptophan-Mangel im Zytosol. Es entzieht damit zugleich diese Sequenz 1 als möglichen Partner für Sequenz 2, die sich dann mit 3 verkuppelt (2:3), womit 3:4 nicht mehr geht.[3]

Bei hohem Trp-Spiegel bildet das Ribosom rasch das Leader-Peptid und zieht nach Region 2, womit die Struktur 3:4 entsteht, das Signal zur Termination.

Bei niedrigem Trp-Spiegel wird das Leader-Peptid in Region 1 verzögert gebildet, wodurch die Struktur 2:3 möglich wird und so die vollständige Transkription.

Liegt dagegen genug Tryptophan vor, so kann ein Ribosom diesen Bereich der Leader-Sequenz rasch translatieren und der Polymerase zügig folgend über Sequenz 2 nachziehen. Es bildet sich dann keine Stamm-Schleifen-Struktur 2:3 aus; und die Sequenz 3 kann mit 4, sobald vorliegend, die Struktur 3:4 bilden: das Terminationssignal für die RNA-Polymerase unterbricht die Transkription (und die Gene trpE bis trpA werden nicht transkribiert).

Ist zu wenig Tryptophan vorhanden, braucht das Ribosom zur Translation der Sequenz 1 in das Leader-Peptid deutlich mehr Zeit. Die verzögerte Translation führt zur Stamm-Schleifen-Struktur 2:3 im stromabwärts entstandenen Transkript, sie erlaubt damit die vollständige Transkription sämtlicher Gene trpE bis trpA durch die RNA-Polymerase in eine rund 6800 Nukleotide lange mRNA – und ermöglicht somit die anschließende Translation der mRNA durch Ribosome in die Genprodukte TrpE bis TrpA: das wirkt sich in einer gesteigerten Tryptophan-Synthese aus. Was bei Tryptophanmangel vorteilhaft sein kann.

Ob es denn zur Attenuation kommt oder der Polymerase nicht der Strang entzogen wird, entscheidet sich also auf der Wanderung des ersten Ribosoms durch den Raum der Faltungsmöglichkeiten am Anfang der naszierenden mRNA. Die ungewöhnliche Aufgabe, im sogenannten untranslatierten Bereich ein kurzes tryptophanhaltiges Peptid aufzubauen, wird dabei zum Kriterium für den Transkriptionsverlauf und macht die Expression der trp-Gene von der aktuellen Trp-Konzentration im Zellmilieu abhängig. Nur bei niedrigem Spiegel kommt es dann zu jener kurzen Pause, mit der eine erfolgreiche Transkription erst möglich wird.

Weitere Beispiele transkriptioneller Attenuation[Bearbeiten]

Inzwischen sind eine Reihe weiterer Operons bekannt, die transkriptionelle Attenuation als Regulationsweise nutzen. Neben Operons für die Aminosäurenbiosynthese beispielsweise von Phenylalanin, Histidin, Leucin, Threonin, Methionin oder Cystein ebenfalls solche für eine Aminosäurendegradation, und auch einige mit Abwandlungen des oben beschriebenen Attenuationmechanismus.[6]

So enthält etwa das tna-Operon in E. coli jene Gene, die für Enzyme des Tryptophanabbaus (Tryptophanase) codieren, und vornehmlich bei Tryptophanüberschuss in der Zelle transkribiert werden. Unter diesen Bedingungen unterbindet hier ein translatiertes tryptophanhaltiges Leader-Peptid die vorzeitige – von einem Rho-Faktor abhängige – Termination, indem es dann dafür nötige Bindungsstellen in der Leader-Region blockiert.[7]

Die Expression des Operons pyrBI in E. coli, das für ein Enzym der Biosynthese von Pyrimidin codiert, wird primär durch Attenuation reguliert. Hier ist es die Polymerase, die bei geringer Verfügbarkeit eines Pyrimidin-triphosphats (UTP) in einer bestimmten Region der Leadersequenz pausiert, und darüber auf Stellung und Bewegung des Ribosoms derart Einfluss nimmt, dass dieses die Bildung des Terminatorsignals verhindert.[8] Beim pyr-Operon in Bacillus subtilis ist es ein besonderes RNA-bindendes Protein, PyrR, das durch ein Pyrimidin-monophosphat (UMP) aktiviert wird und dann so an die mRNA binden kann, dass der intrinsische Terminator entsteht; bei niedrigem UMP-Spiegel bleibt es dagegen inaktiv, sodass eine alternative mRNA-Struktur gefaltet werden kann, die eine vollständige Transkription möglich macht.[9]

Beim trp-Operon in B. subtilis wird die Expression seiner sechs Strukturgene trpEDCFBA durch ein typtophan-aktiviertes RNA-bindendes Protein (TRAP) geregelt, das in der Leaderregion an die alternative Struktursequenz bindet, darüber mittelbar die Bildung des Terminatorsignals veranlasst und so zur transkriptionellen Attenuation führt. Daneben kann über hundert Nukleotide weiter stromabwärts noch eine Umfaltung der mRNA bewirkt werden, mit der die Ribosomen-Bindungsstelle vor trpE in eine Haarnadelstruktur eingelagert wird, sodass die Initiation der Translation dieses Gens blockiert ist. TRAP ist ein torusförmiger Komplex aus 11 identischen Proteinuntereinheiten, die je zwischen sich eine Nische für die Tryptophan-Bindung bilden. Sind diese besetzt, kann sich peripher um die Außenfläche des Gebildes herum einem Reifen ähnlich die mRNA-Sequenz legen, welche 11 (U/G)AG-Tripletts in Serie mit 2/3 Nukleotiden Abstand enthält, und wird von 11 KKR-Motiven (Lys-Lys-Arg) gegenüber erkannt.[4]

Die transkriptionelle Attenuation ist also eine nicht ungewöhnliche Form der Regulation der Genexpression in prokaryoten Zellen, bei der alternative Faltungsmuster im soeben gebildeten Anfangsbereich einer mRNA die Möglichkeit bieten, je nach den aktuell herrschenden metabolischen Bedingungen in der Zelle eine begonnene Transkription vorzeitig abzubrechen – noch bevor Strukturgene in mRNA umgeschrieben wurden – oder nicht.[6]

Charakteristika der Regulation über Attenuation[Bearbeiten]

Die Möglichkeit der Attenuation stellt neben der Repression eine zusätzliche Regulationsweise der Genexpression dar. Inzwischen sind verschiedenene Abwandlungen bekannt, mit denen sie realisiert werden kann.

Beim trp-Operon in E. coli liegen die Grenzen des Regelbereichs für die in Abhängigkeit von der zellulären Tryptophan-Konzentration exprimierten Strukturgene mit vorliegendem Repressor um etwa Faktor 700 auseinander. Auch bei ausgeschaltetem Repressorgen trpR ist allein über Attenuation noch eine tryptophangeregelte Dämpfung der Genexpression um etwa den Faktor 10 möglich.

Voraussetzungen für diese Attenuation sind

  • simultane Transkription und Translation mit
  • synchronisierter Prozession von RNA-Polymerase und Ribosom
  • bei unterschiedlichen Faltungsmöglichkeiten der naszierenden mRNA
  • innerhalb des stromaufwärts der Strukturgene gelegenen Bereichs der 5'-UTR
  • mit Wechselwirkung zwischen soeben entstehender Region und zuvor entstandenen,
  • womit intrinsisch eine Strukturbildung möglich wird, die als ein Terminationssignal wirkt,
  • zu der jedoch alternative Strukturbildungen möglich sind, die eben dieses ausschließen,
  • wobei daneben weitere regulatorische Regionen oder regulierende Elemente vorliegen,
  • mittels derer auf die Wahl zwischen den Alternativen entscheidend Einfluss genommen wird,
  • und dies nun in Abhängigkeit von den aktuell herrschenden metabolischen Bedingungen,
  • wobei dann vorrangig die Veränderlichkeit einer solchen Größe eine Rolle spielt,
  • die zum Genprodukt oder dessen Wirkung in rückgekoppeltem Bezug steht.

Literatur[Bearbeiten]

  • Nancy Trun, Janine Trempy: Gene expression and regulation. In: Nancy Trun, Janine Trempy: Fundamental Bacterial Genetics. Blackwell, Malden MA u. a. 2004, ISBN 0-632-04448-9, online (PDF; 500 KB).

Weblinks[Bearbeiten]

Anmerkungen[Bearbeiten]

  1. Die Prozession der transkribierenden RNA-Polymerase mit dem tanslatierenden Ribosom zu synchronisieren gelingt, indem die Polymerase nach Bildung der signalisierenden mRNA-Struktur 1:2 pausiert – und wartet, bis das erste Ribosom mit einer Translation beginnt, wobei diese Haarnadelstruktur dann aufgelöst wird.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Wilfried Janning, Elisabeth Knust: Genetik: Allgemeine Genetik – Molekulare Genetik – Entwicklungsgenetik. 2 Auflage. Georg Thieme, Stuttgart 2008, ISBN 978-3-13-151422-6, S. 211ff.
  2. Charles Yanofsky: Attenuation in the control of expression of bacterial operons. In: Nature. 289, Nr. 5800, Februar 1981, S. 751–758. doi:10.1038/289751a0. PMID 7007895.
  3. a b c C. Yanofsky, T. Platt, I. Crawford, B. Nichols, G. Christie, H. Horowitz, M. Vancleemput, A. Wu: The complete nucleotide sequence of the tryptophan operon of Escherichia coli. In: Nucleic Acids Res.. 9, Nr. 24, Dezember 1981, S. 6647–6668. doi:10.1093/nar/9.24.6647. PMID 7038627. PMC: 327632 (freier Volltext)..
  4. a b c C. Yanofsky: RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. In: RNA. 13, Nr. 8, August 2007, S. 1141–1154. doi:10.1261/rna.620507. PMID 17601995. PMC: 1924887 (freier Volltext).
  5. siehe Eintrag UniProtKB - P0AD92 (LPW_ECOLI) in der bioinformatischen Datenbank für Proteine UniProt.
  6. a b C. Yanofsky: Transcription Attenuation: Once Viewed as a Novel Regulatory Strategy. In: Journal of Bacteriology. 182, Nr. 1, Januar 2000, S. 1-8. doi:10.1128/JB.182.1.1-8.2000. PMID 10613855. PMC: 94232 (freier Volltext).
  7. K. Konan, C. Yanofsky: Role of ribosome release in regulation of tna operon expression in Escherichia coli. In: Journal of Bacteriology. 181, Nr. 5, August 1999, S. 1530–1536. PMID 10049385. PMC: 93543 (freier Volltext).
  8. J. Donahue, C. Turnbough: Nucleotide-specific transcriptional pausing in the pyrBI leader region of Escherichia coli K-12. In: Journal of Biological Chemistry. 269, Nr. 27, Juli 1994, S. 18185-18191. PMID 7517939.
  9. Y. Lu, R. Turner, R. Switzer: Function of RNA secondary structures in transcriptional attenuation of the Bacillus subtilis pyr operon. In: Proc Natl Acad Sci. 93, Nr. 25, Oktober 1996, S. 14462–14467. PMC: 26155 (freier Volltext).