El operón trp es un operón —un grupo de genes que se utilizan o transcriben juntos— que codifica los componentes para la producción de triptófano . El operón trp está presente en muchas bacterias , pero se caracterizó por primera vez en Escherichia coli . El operón está regulado de modo que, cuando el triptófano está presente en el medio ambiente, los genes para la síntesis de triptófano no se expresan. Fue un sistema experimental importante para aprender sobre la regulación de genes y se usa comúnmente para enseñar la regulación de genes.
El operón trp contiene cinco genes estructurales: trpE, trpD, trpC, trpB y trpA, que codifican partes enzimáticas de la vía. También contiene un gen regulador represivo llamado trpR. trpR tiene un promotor donde la ARN polimerasa se une y sintetiza ARNm para una proteína reguladora. La proteína que es sintetizada por trpR luego se une al operador, lo que provoca el bloqueo de la transcripción. En el operón trp , el triptófano se une a la proteína represora bloqueando eficazmente la transcripción génica. En esta situación, la represión es la de la ARN polimerasa que transcribe los genes en el operón. También a diferencia del operón lac , el operón trp contiene un péptido líder y un atenuadorsecuencia que permite una regulación graduada. [1]
Es un ejemplo de regulación negativa reprimible de la expresión génica. Dentro de la secuencia reguladora del operón, el operador se une a la proteína represora en presencia de triptófano (evitando así la transcripción ) y se libera en ausencia de triptófano (permitiendo así la transcripción).
Genes
El operón Trp contiene cinco genes estructurales. Sus roles son:
- TrpE ( P00895 ): la antranilato sintasa produce antranilato .
- TrpD ( P00904 ): Coopera con TrpE.
- TrpC ( P00909 ): el dominio de isomerasa de fosforribosilantranilato primero convierte N- (5-fosfo-β-D-ribosil) antranilato en 1- (2-carboxifenilamino) -1-desoxi-D-ribulosa 5-fosfato. La indol-3-glicerol-fosfato sintasa en la misma proteína luego convierte el producto en (1S, 2R) -1-C- (indol-3-il) glicerol 3-fosfato.
- TrpA ( P0A877 ), TrpB ( P0A879 ): dos subunidades de triptófano sintetasa . Combina el producto de TrpC con serina para producir triptófano.
Represión
El operón opera mediante un mecanismo de retroalimentación negativa reprimible. El represor para el operón trp es producido corriente arriba por el gen trpR, que se expresa constitutivamente en un nivel bajo. Los monómeros trpR sintetizados se asocian en dímeros. Cuando el triptófano está presente, estos dímeros represores de triptófano se unen al triptófano, provocando un cambio en la conformación del represor, lo que permite que el represor se una al operador . Esto evita que la ARN polimerasa se una al operón y lo transcriba, por lo que el triptófano no se produce a partir de su precursor. Cuando no hay triptófano, el represor está en su conformación inactiva y no puede unirse a la región del operador, por lo que el represor no inhibe la transcripción.
Atenuación
La atenuación es un segundo mecanismo de retroalimentación negativa en el operón trp . El sistema de represión se dirige a la concentración de trp intracelular, mientras que la atenuación responde a la concentración de trp de ARNt cargado . [2] Por lo tanto, el represor trpR disminuye la expresión génica al alterar el inicio de la transcripción, mientras que la atenuación lo hace alterando el proceso de transcripción que ya está en progreso. [2] Mientras que el represor TrpR disminuye la transcripción en un factor de 70, la atenuación puede disminuirla aún más en un factor de 10, lo que permite una represión acumulada de aproximadamente 700 veces. [3] La atenuación es posible por el hecho de que en los procariotas (que no tienen núcleo ), los ribosomas comienzan a traducir el ARNm mientras que la ARN polimerasa todavía transcribe la secuencia del ADN. Esto permite que el proceso de traducción afecte directamente a la transcripción del operón.
Al comienzo de los genes transcritos del operón trp hay una secuencia de al menos 130 nucleótidos denominada transcripción líder (trpL; P0AD92 ). [4] Lee y Yanofsky (1977) encontraron que la eficiencia de atenuación está correlacionada con la estabilidad de una estructura secundaria incrustada en trpL, [5] y las 2 horquillas constituyentes de la estructura del terminador fueron aclaradas más tarde por Oxender et al. (1979). [6] Esta transcripción incluye cuatro secuencias cortas designadas 1-4, cada una de las cuales es parcialmente complementaria a la siguiente. Por tanto, se pueden formar tres estructuras secundarias distintas ( horquillas ): 1–2, 2–3 o 3–4. La hibridación de las secuencias 1 y 2 para formar la estructura 1-2 es rara porque la ARN polimerasa espera a que se adhiera un ribosoma antes de continuar con la transcripción más allá de la secuencia 1; sin embargo, si se formara la horquilla 1-2, se evitaría la formación de la Estructura 2–3 (pero no 3–4). La formación de un bucle en horquilla entre las secuencias 2–3 evita la formación de bucles en horquilla entre 1–2 y 3–4. La estructura 3-4 es una secuencia de terminación de la transcripción (abundante en G / C e inmediatamente seguida por varios residuos de uracilo), una vez que forma la ARN, la polimerasa se disociará del ADN y la transcripción de los genes estructurales del operón no puede ocurrir (ver más abajo para una explicación más detallada). La importancia funcional de la segunda horquilla para la terminación de la transcripción se ilustra por la frecuencia reducida de terminación de la transcripción observada en los experimentos que desestabilizan el emparejamiento central G + C de esta horquilla. [5] [7] [8] [9]
Parte de la transcripción líder codifica un polipéptido corto de 14 aminoácidos, denominado péptido líder. Este péptido contiene dos residuos de triptófano adyacentes, lo cual es inusual, ya que el triptófano es un aminoácido bastante poco común (aproximadamente uno de cada cien residuos en una proteína típica de E. coli es triptófano). La hebra 1 en trpL abarca la región que codifica los residuos finales del péptido líder: Trp, Trp, Arg, Thr, Ser; [2] se observa conservación en estos 5 codones, mientras que la mutación de los codones cadena arriba no altera la expresión del operón. [2] [10] [11] [12] Si el ribosoma intenta traducir este péptido mientras los niveles de triptófano en la célula son bajos, se detendrá en cualquiera de los dos codones trp. Mientras está estancado, el ribosoma protege físicamente la secuencia 1 de la transcripción, evitando la formación de la estructura secundaria 1-2. La secuencia 2 queda libre para hibridar con la secuencia 3 para formar la estructura 2–3, que luego evita la formación de la horquilla de terminación 3–4, razón por la cual la estructura 2–3 se denomina horquilla anti-terminación. En presencia de la estructura 2-3, la ARN polimerasa está libre para continuar transcribiendo el operón. El análisis mutacional y los estudios que involucran oligonucleótidos complementarios demuestran que la estabilidad de la estructura 2-3 corresponde al nivel de expresión del operón. [10] [13] [14] [15] Si los niveles de triptófano en la célula son altos, el ribosoma traducirá todo el péptido líder sin interrupción y solo se detendrá durante la terminación de la traducción en el codón de parada . En este punto, el ribosoma protege físicamente a ambas secuencias 1 y 2. Las secuencias 3 y 4 quedan libres para formar la estructura 3-4 que termina la transcripción. Esta estructura de terminación se forma cuando ningún ribosoma se detiene en las proximidades del tándem Trp (es decir, el codón Trp o Arg): o el péptido líder no se traduce o la traducción avanza suavemente a lo largo de la hebra 1 con tRNAtrp cargado abundante. [2] [10] Además, se propone que el ribosoma bloquee solo unos 10 nts corriente abajo, por lo que el estancamiento del ribosoma en Gly corriente arriba o Thr corriente abajo no parece afectar la formación de la horquilla de terminación. [2] [10] El resultado final es que el operón se transcribirá solo cuando el triptófano no esté disponible para el ribosoma, mientras que la transcripción trpL se expresará de manera constitutiva.
Este mecanismo de atenuación está respaldado experimentalmente. En primer lugar, se demuestra directamente que la traducción del péptido líder y el estancamiento ribosómico son necesarios para inhibir la terminación de la transcripción. [13] Además, el análisis mutacional que desestabiliza o interrumpe el emparejamiento de bases de la horquilla antiterminador da como resultado un aumento de la terminación de varios pliegues; de acuerdo con el modelo de atenuación, esta mutación no logra aliviar la atenuación incluso con Trp hambriento. [10] [13] En contraste, los oligonucleótidos complementarios que se dirigen a la hebra 1 aumentan la expresión del operón al promover la formación de antiterminador. [10] [14] Además, en el operón de histidina, la mutación compensadora muestra que la capacidad de emparejamiento de las cadenas 2 a 3 es más importante que su secuencia primaria para inhibir la atenuación. [10] [15]
En la atenuación, donde se detiene el ribosoma de traslación determina si se formará la horquilla de terminación. [10] Para que la polimerasa de transcripción capture concomitantemente la estructura alternativa, la escala de tiempo de la modulación estructural debe ser comparable a la de la transcripción. [2] Para asegurar que el ribosoma se una y comience la traducción de la transcripción líder inmediatamente después de su síntesis, existe un sitio de pausa en la secuencia trpL. Al llegar a este sitio, la ARN polimerasa detiene la transcripción y aparentemente espera a que comience la traducción. Este mecanismo permite la sincronización de la transcripción y la traducción, un elemento clave en la atenuación.
Un mecanismo de atenuación similar regula la síntesis de histidina , fenilalanina y treonina .
Regulación del operón trp en Bacillus subtilis
Los genes del operón Trp están dispuestos en el mismo orden en E. coli y Bacillus subtilis . [16] La regulación de los operones trp en ambos organismos depende de la cantidad de trp presente en la célula. Sin embargo, la regulación principal de la biosíntesis de triptófano en B. subtilis es mediante la atenuación, en lugar de la represión, de la transcripción. [17] En B. subtilis , el triptófano se une a la proteína de atenuación de unión al ARN activada por triptófano (TRAP) de once subunidades, que activa la capacidad de TRAP para unirse al ARN líder trp. [18] [19] La unión de la TRAP activada por trp al ARN líder da como resultado la formación de una estructura de terminación que causa la terminación de la transcripción. [17]
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Animación de la regulación del operón Trp