Quelltext der Seite Trp-Operon

{{SEITENTITEL:trp-Operon}}
Das '''Tryptophan-Operon''', kurz '''''trp''-Operon''', ist ein [[Operon]], das für die intrazelluläre [[Biosynthese|Synthese]] von [[Tryptophan]] in [[Bakterien]] wie z.&nbsp;B. ''[[Escherichia coli]]'' eine zentrale Rolle spielt.

Aktiv ist dieses Operon, wenn die [[Zelle (Biologie)|Zelle]] Tryptophan selbst herstellen muss, weil diese [[Aminosäure]] nicht ausreichend im umgebenden Medium vorliegt. Bei hinreichend hoher intrazellulärer Konzentration an Tryptophan wird das Operon dagegen in der Regel durch einen spezifischen [[Repressor]] inaktiviert.

Die [[Strukturgen]]e des Operons [[Genetischer Code|codieren]] für [[Polypeptid]]e von [[Enzym]]en, mit deren Hilfe aus einer Vorstufe ([[Chorisminsäure]]) in mehreren Schritten die Aminosäure Tryptophan hergestellt werden kann. Der für die [[Proteinbiosynthese]] der enzymatisch wirksamen Proteine nötige Zugriff auf diese Gene wird über vorgeschaltete regulatorische Regionen im Operon geregelt, indem hier eine [[Transkription (Biologie)|Transkription]] unterbunden oder unterbrochen wird.

== ''trp''-Operon in ''E. coli'' ==

=== Aufbau des Operons ===
Das ''trp''-Operon in ''[[Escherichia coli]]''-Bakterien besteht, ähnlich wie deren [[lac-Operon|''lac''-Operon]] und andere Operons im [[Genom]] von [[prokaryoten]] Zellen, aus funktionell unterschiedlichen DNA-Abschnitten. Das Operon enthält zum einen ''Strukturgene'', das heißt DNA-Abschnitte, deren Basensequenzen die Struktur von enzymatisch wirksamen Proteinen bestimmt, wenn sie abgeschrieben (in RNA [[Transkription (Biologie)|transkribiert]]) und anschließend übersetzt (in Aminosäurensequenz [[Translation (Biologie)|translatiert]]) werden. Zum anderen enthält das Operon aber noch andere DNA-Abschnitte als ''regulatorische Regionen'', welche für die Regelung der Transkription von Bedeutung sind.<ref name="pmid7038627" />

Neben der [[Promotor (Genetik)|Promotor-Region]] (P), an die ein [[RNA-Polymerase]]-Molekül für die Transkription binden kann, liegt die [[Operator (Genetik)|Operatoren-Region]] (O), an die ein [[Repressor]]-Protein binden und so den Transkriptionsstart verhindern kann (''Repression''). Im darauf folgenden [[Untranslatierter Bereich|untranslatierten Bereich]] liegt hier in der [[Leader-Sequenz]] noch eine weitere regulatorische Region vor (''trpL''), mit der ein begonnener Transkriptionsvorgang verzögert oder aber abgebrochen werden kann (''Attenuation''). Erst im Anschluss daran folgen downstream die Abschnitte der [[Strukturgen]]e (''trpE, trpD, trpC, trpB, trpA'') mit [[Offener Leserahmen|offenen Leserahmen]], die verschiedene Polypeptide für mehrere [[Protein]]e codieren. Wenn diese gemeinsam [[Proteinbiosynthese|gebildet]] werden, können sie eine Abfolge von Reaktionsschritten der [[Tryptophan#Biosynthese|Tryptophan-Biosynthese]] katalysieren. Die dafür nötige [[polycistronische mRNA]] liefert das ''trp''-Operon – sofern die Transkription gestartet werden kann und nicht abgebrochen wird.<ref name="pmid17601995" />

[[Datei:Trpoperon.svg|mini|400px|Aufbau des ''trp''-[[Operon]]s<br />(P, O, ''trpL'' liegen als regulatorische DNA-Region vor den [[Strukturgen]]en ''trpE, trpD, trpC, trpB, trpA'' stromab)<br />
im Zusammenhang mit zusätzlichen regulativen Elementen<br />(''trpR''-Gen für ''trp'' [[Repressor]]-Protein, das mit [[Tryptophan]] (Trp) als Corepressor aktiviert am [[Operator (Genetik)|Operator]] O binden kann und damit den [[Transkriptionsstart]] am [[Promotor (Genetik)|Promoter]] P unterbindet).]]

=== Regulationsweisen ===
Die Transkription der Gene durch [[RNA-Polymerase]] wird in Abhängigkeit von der Tryptophan-Konzentration [[Genregulation|reguliert]], vorrangig über den Operator durch [[Repressor|Repression]]. Denn an den Operatorbereich kann ein blockierendes Protein als Repressor binden – doch nur dann, wenn es zuvor ein Molekül der Aminosäure Tryptophan als [[Ligand (Biochemie)|Liganden]] gebunden hat. Ist kein Tryptophan vorhanden, das diese reversible Bindung eingehen könnte, so bleibt der Repressor inaktiv und das Operon wird nicht reprimiert. Liegt dagegen hinreichend Tryptophan vor, sodass es als Cofaktor an das Protein bzw. als [[Corepressor]] an den [[Aporepressor]] gebunden wird, ist das Repressorprotein damit aktiviert und kann somit an den Operator binden, womit dann die Transkription blockiert ist.

Für die Biosynthese dieses Repressors ist eine [[mRNA]] nötig, die vom zugehörigen [[Regulatorgen]] ''trpR'' an anderer Stelle des DNA-Stranges codiert wird.

Mit vorliegendem Repressor kann die zelleigene Tryptophanbildung nun in Abhängigkeit von der Tryptophankonzentration im Zytosol selbsttätig geregelt werden, nach dem Prinzip der [[Negative Rückkopplung|negativen Rückkopplung]]. Da hier Tryptophan auch das Produkt des regulierten Herstellungsprozesses ist, spricht man von einer Endproduktrepression: das Produkt einer Synthese wirkt selbst indirekt auf diese ein, indem es die weitere Genexpression für die beteiligten Enzyme behindert, reprimiert.

Neben dieser vorrangigen Regulationweise der Repression über den Operatorbereich, mit der ein Transkriptionsstart unterdrückt werden kann, ist für das ''trp-Operon'' eine zweite zusätzliche Regulationsweise der [[Attenuation (Genexpression)|Attenuation]] bekannt, mit der eine begonnene Transkription vorzeitig abgebrochen werden kann. Hierbei spielen weitere regulatorische Sequenzen im untranslatierten Bereich ([[5′-UTR]]) eine Rolle; neben der – ein sogenanntes ''Leader-Peptid'' codierenden<ref name="uniProtP0AD92" /> – ''trpL''-Sequenz sind es solche, die unterschiedliche alternative Faltungen in der entstehenden [[mRNA]] erlauben. Eine bestimmte dieser [[Haarnadelstruktur]]en stellt das sogenannte Terminationssignal der ''Attenuator''-Sequenz dar: wird sie ausgebildet, so wird der bis dahin entstandene RNA-Strang von der RNA-Polymerase getrennt und diese von der DNA, womit die Transkription beendet ist. Dazu kommt es nicht, wenn die Konzentration an mit Tryptophan beladener [[tRNA]] (tRNA<sup>Trp</sup>) sehr gering ist – also nur bei hohem Tryptophanspiegel. Auf diese Weise ist dämpfend eine feinere Abstimmung der [[Genexpression]] an die zytosolische Tryptophankonzentration möglich, und einer überhohen Tryptophansynthese wird zusätzlich entgegengewirkt.<ref name="pmid17601995" />

=== Codierte Enzyme ===
[[Datei:Biosynthesis of tryptophan.svg|mini|400px|Schritte des Biosyntheseweges von Chorismat zu Tryptophan]]

Die Strukturgene für die [[Tryptophan#Biosynthese|Tryptophan-Biosynthese]] im ''trp-Operon'' des Bakteriums ''Escherichia coli'' liegen stromab der [[Leader-Sequenz]] ''trpL'' und umfassen sieben Segmente ''trpEGDCFBA'' in fünf Abschnitten,
* ''trpE''
* ''trpD(mit G)''
* ''trpC(mit F)''
* ''trpB''
* ''trpA''
wobei jedes der sieben genetischen Segmente je für eine Aminosäuresequenz im Polypetid codiert, die als [[Proteindomäne]] jeweils einen der Reaktionsschritte des Syntheseweges von Tryptophan aus [[Chorisminsäure|Chorismat]] katalysiert. Chorismat wird über den [[Shikimisäureweg#Verzweigungen des Syntheseweges|Shikimisäureweg]] bereitgestellt.

Unter Kontrolle des ''trp''-Operons werden seine Strukturgene durch RNA-Polymerase gemeinsam als [[polycistronische mRNA]] [[Transkription (Biologie)|transkribiert]] und anschließend durch Ribosomen in Polypeptide [[Translation (Biologie)|translatiert]].
Da die Sequenzen von ''trpG'' mit ''trpD'' wie auch die von ''trpF'' mit ''trpC'' jeweils im gleichen offenen Leserahmen liegen, codieren diese beiden Abschnitte nur je für ein bifunktionelles Polypeptid, das zwei verschiedene enzymatisch wirksame Domänen enthält.

Zwischen den fünf getrennt aufgeführten Abschnitten dagegen befinden sich vier kurze [[intercistronisch]]e Bereiche. Hier ist jeweils neben einem [[Stopcodon]] und einem [[Startcodon]] als Ende des vorigen bzw. Anfang des nächsten Leserahmens auch die ribosomale Bindungsstelle (RBS) mit der [[Shine-Dalgarno-Sequenz]] zu finden, die ein Ribosom braucht, um am mRNA-Strang anzusetzen. Erst damit kann die codierende [[Nukleotidsequenz]] eines Leserahmens in die [[Aminosäuresequenz]] eines Polypeptids übersetzt werden.

Nach der [[Translation (Biologie)|Translation]] [[Proteinfaltung|faltet]] ein [[Naszierender Stoff|naszierndes]] Polypeptid im salz-wässrigen Zellmilieu zu einem nativen [[Protein]] bestimmter [[Konformation|Form]] auf und kann mit anderen Molekülen assoziieren. Derart lagern sich hier nun oft die Proteine der Polypeptidarten trp-E und trp-D(mit G) aneinander und bilden aus vier Untereinheiten bestehende Proteinkomplexe, ebenso wie auch die von trp-B und trp-A zwei plus zwei ein [[Heterotetramer]] bilden. Diese [[Multienzymkomplex]]e entfalten ihren Untereinheiten entsprechend für unterschiedliche chemische Reaktionen des Biosyntheseweges katalytische Aktivität als
* ''Anthranilat-synthase'' (trp-G und trp-E): [[Chorisminsäure|Chorismat]] → → Anthranilat
* ''Anthranilat-phosphoribosyl-transferase'' (trp-D): Anthranilat → N-(5-Phosphoribosyl)-anthranilat
* ''Phosphoribosyl-anthranilat-isomerase'' (trp-F): N-(5-Phosphoribosyl)-anthranilat → 1-(o-Carboxyphenylamino)-1-desoxyribulose-5-phosphat
* ''Indol-glycerolphosphat-synthase'' (trp-C): 1-(o-Carboxyphenylamino)-1-desoxyribulose-5-phosphat → Indol-3-glycerolphosphat
* ''Tryptophan-synthase'' (trp-A und trp-B): Indol-3-glycerolphosphat '''↔''' Indol → [[Tryptophan|<small>L</small>-Tryptophan]]

Mit ihrer Hilfe kann aus Chorisminsäure dann <small>L</small>-Tryptophan aufgebaut werden. Nur einer dieser Schritte ist reversibel (↔).<ref name="pmid17601995" />

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="pmid7038627">
C. Yanofsky, T. Platt, I. P. Crawford, B. P. Nichols, G. E. Christie, H. Horowitz, M. VanCleemput, A. M. Wu: ''The complete nucleotide sequence of the tryptophan operon of Escherichia coli.'' In: ''Nucleic acids research.'' Band 9, Nummer 24, Dezember 1981, S.&nbsp;6647–6668, PMID 7038627, {{PMC|327632}} (Review).
</ref>
<ref name="pmid17601995">
C. Yanofsky: ''RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria.'' In: ''RNA.'' Band 13, Nummer 8, August 2007, S.&nbsp;1141–1154, Abbildung 2. [[doi:10.1261/rna.620507]], PMID 17601995, {{PMC|1924887}} (Review).
</ref>
<ref name="uniProtP0AD92">
siehe Eintrag {{UniProt|P0AD92}} (LPW_ECOLI) in der bioinformatischen Datenbank für Proteine.
</ref>
</references>

== Literatur ==
* Nancy Trun, Janine Trempy: ''Gene expression and regulation.'' In: Nancy Trun, Janine Trempy: ''Fundamental Bacterial Genetics.'' Blackwell, Malden MA u.&nbsp;a. 2004, ISBN 0-632-04448-9, S. 191–212, [https://www.blackwellpublishing.com/trun/pdfs/Chapter12.pdf online (PDF; 500&nbsp;kB)].

== Siehe auch ==
* [[Attenuation (Genexpression)#Beispiel: Tryptophan-Operon in Escherichia coli|Attenuation beim trp-Operon]]
* [[Cyclisches Adenosinmonophosphat#cAMP in Bakterien|cAMP in Bakterien]]

[[Kategorie:Genexpression]]