Trpオペロン

トリプトファンの生産のためのコンポーネントをコードするオペロン

trpオペロンは、トリプトファンの生成のための成分をコードするオペロン（一緒に使用または転写される遺伝子のグループ）です。 trpオペロンは多くの細菌に存在しますが、最初に大腸菌で特徴付けられました。オペロンは、トリプトファンが環境に存在する場合、トリプトファン合成の遺伝子が発現しないように調節されています。それは遺伝子調節について学ぶための重要な実験システムであり、遺伝子調節を教えるために一般的に使用されています。

Trpオペロンには5つの構造遺伝子が含まれています：trpE、trpD、trpC、trpB、およびtrpA。これらは、経路の酵素部分をエンコードします。また、trpRと呼ばれる抑圧的な調節遺伝子も含まれています。 trpRには、RNAポリメラーゼが調節タンパク質のmRNAに結合して合成するプロモーターがあります。次に、trpRによって合成されたタンパク質はオペレーターに結合し、オペレーターが転写をブロックします。 trpオペロンでは、トリプトファンはリプレッサータンパク質に結合し、遺伝子転写を効果的にブロックします。この状況では、抑制はオペロンの遺伝子を転写するRNAポリメラーゼの抑制です。また、 lacオペロンとは異なり、 trpオペロンには、段階的な調節を可能にするリーダーペプチドと減衰配列が含まれています。

これは、遺伝子発現の抑制可能な負の調節の例です。オペロンの調節配列内で、オペレーターはトリプトファンの存在下でリプレッサータンパク質によってブロックされ（それにより転写が妨げられ）、トリプトファンの不在下で解放されます（それにより転写が可能になります）。

遺伝子

Trpオペロンには5つの構造遺伝子が含まれています。その役割は次のとおりです。

TrpE（P00895）：アントラニル酸合成酵素はアントラニル酸を生成します。
TrpD（P00904）：TrpEと連携します。
TrpC（P00909）：ホスホリボシラントラニル酸イソメラーゼドメインは、最初にN-（5-ホスホ-β-D-リボシル）アントラニル酸を1-（2-カルボキシフェニルアミノ）-1-デオキシ-D-リブロース5-リン酸に変換します。同じタンパク質のインドール-3-グリセロール-リン酸シンターゼは、生成物を（1S、2R）-1-C-（インドール-3-イル）グリセロール3-リン酸に変えます。
TrpA（P0A877）、TrpB（P0A879）：トリプトファン合成酵素の2つのサブユニット。 TrpCの製品とセリンを組み合わせてトリプトファンを生成します。

抑制

オペロンは、負の抑制可能なフィードバックメカニズムによって動作します。 trpオペロンのリプレッサーは、低レベルで構成的に発現されるtrpR遺伝子によって上流で生成されます。合成されたtrpRモノマーは二量体に結合します。トリプトファンが存在する場合、これらのトリプトファンリプレッサー二量体はトリプトファンに結合し、リプレッサーの立体構造を変化させ、リプレッサーがオペレーターに結合できるようにします。これにより、RNAポリメラーゼがオペロンに結合して転写するのを防ぐため、トリプトファンはその前駆体から生成されません。トリプトファンが存在しない場合、リプレッサーは不活性なコンフォメーションにあり、オペレーター領域に結合できないため、リプレッサーによって転写が阻害されることはありません。

減衰

減衰は、 trpオペロンの負のフィードバックの2番目のメカニズムです。抑制システムは細胞内のtrp濃度を標的にしますが、減衰は荷電tRNAtrpの濃度に反応します。したがって、trpRリプレッサーは転写の開始を変更することにより遺伝子発現を減少させますが、減衰はすでに進行中の転写プロセスを変更することにより減少します。 TrpRリプレッサーは転写を70分の1に減少させますが、減衰によりさらに転写率が10分の1に減少するため、約700倍の抑制が蓄積されます。原核生物（核を持たない）では、RNAポリメラーゼがDNA配列を転写している間にリボソームがmRNAの翻訳を開始するという事実によって、減衰が可能になります。これにより、翻訳プロセスがオペロンの転写に直接影響します。

trpオペロンの転写された遺伝子の先頭には、リーダー転写物（trpL; P0AD92）と呼ばれる少なくとも130ヌクレオチドの配列があります。 LeeとYanofsky（1977）は、減衰効率がtrpLに埋め込まれた二次構造の安定性と相関していることを発見しました。ターミネーター構造の2つの構成ヘアピンは、後にOxender らによって解明されました。（1979）。このトランスクリプトには、1〜4と指定された4つの短い配列が含まれ、それぞれが次の配列と部分的に相補的です。したがって、3つの異なる二次構造（ヘアピン）が形成されます：1–2、2–3または3–4。 RNAポリメラーゼは配列1を過ぎて転写を続ける前にリボソームが付着するのを待つため、配列1と2のハイブリダイゼーションはまれですが、1〜2のヘアピンが形成されると、RNAポリメラーゼの形成が妨げられます。 2–3構造（ただし3–4ではない）。シーケンス2〜3の間にヘアピンループが形成されると、1〜2と3〜4の間にヘアピンループが形成されなくなります。 3–4構造は転写終結配列です（G / Cに豊富で、すぐにいくつかのウラシル残基が続きます）。RNAポリメラーゼが形成されるとDNAから解離し、オペロンの構造遺伝子の転写は起こりません（以下を参照）より詳細な説明については）。転写終結に対する第2ヘアピンの機能的重要性は、このヘアピンの中央のG + Cペアリングを不安定化する実験で観察される転写終結頻度の減少によって示されます。

リーダー転写産物の一部は、リーダーペプチドと呼ばれる14アミノ酸の短いポリペプチドをコードしています。このペプチドには2つの隣接するトリプトファン残基が含まれていますが、トリプトファンは非常にまれなアミノ酸であるため、これは異常です（典型的な大腸菌タンパク質の約100分の1残基はトリプトファンです）。 trpLのストランド1は、リーダーペプチドの後続残基をコードする領域を包含します：Trp、Trp、Arg、Thr、Ser。これらの5つのコドンでは保存が観察されますが、上流のコドンを変異させてもオペロンの発現は変化しません。リボソームが細胞内のトリプトファンレベルが低い間にこのペプチドを翻訳しようとすると、2つのtrpコドンのいずれかで失速します。停止している間、リボソームは物理的に転写物の配列1を保護し、1–2二次構造の形成を防ぎます。その後、シーケンス2はシーケンス3と自由にハイブリダイズして2–3構造を形成し、3–4終端ヘアピンの形成を防ぎます。これが、2–3構造がアンチターミネーションヘアピンと呼ばれる理由です。 2–3構造の存在下では、RNAポリメラーゼは自由にオペロンを転写し続けます。相補的オリゴヌクレオチドを含む突然変異解析と研究は、2–3構造の安定性がオペロン発現レベルに対応することを示しています。細胞内のトリプトファンのレベルが高い場合、リボソームは中断することなくリーダーペプチド全体を翻訳し、停止コドンでの翻訳終了中にのみ停止します。この時点で、リボソームは配列1と2の両方を物理的に遮蔽します。したがって、配列3と4は自由に転写を終結させる3–4構造を形成します。このターミネーター構造は、Trpタンデムの近くにリボソームが停止しない場合に形成されます（つまり、TrpまたはArgコドン）。リーダーペプチドが翻訳されないか、または豊富な荷電tRNAtrpで鎖1に沿ってスムーズに翻訳が進行します。さらに、リボソームは下流の約10 ntのみをブロックすることが提案されているため、上流のGlyまたはさらに下流のThrのいずれかで失速するリボソームは、終結ヘアピンの形成に影響を与えないようです。最終結果は、トリプトファンがリボソームに利用できない場合にのみオペロンが転写され、trpL転写物は構成的に発現されることです。

この減衰メカニズムは実験的にサポートされています。第一に、リーダーペプチドの翻訳とリボソームの停止は、転写終結の阻害に必要であることが直接証明されています。さらに、抗ターミネーターヘアピンの塩基対形成を不安定化または破壊する突然変異解析により、数倍の終了が増加します。減衰モデルと一致して、この突然変異は飢star状態のTrpでも減衰を緩和できません。対照的に、鎖1を標的とする相補的オリゴヌクレオチドは、抗ターミネーター形成を促進することによりオペロン発現を増加させます。さらに、ヒスチジンオペロンでは、代償性変異により、鎖2〜3のペアリング能力が、弱毒化を抑制する上で主要な配列よりも重要であることを示しています。

減衰では、翻訳リボソームが停止する場所が、終結ヘアピンが形成されるかどうかを決定します。転写ポリメラーゼが代替構造を付随的に捕捉するためには、構造変調の時間スケールは転写の時間スケールと同等でなければなりません。リボソームがその合成直後にリーダー転写産物に結合し、翻訳を開始することを保証するために、trpL配列に一時停止部位が存在します。このサイトに到達すると、RNAポリメラーゼは転写を一時停止し、明らかに翻訳の開始を待ちます。このメカニズムにより、減衰の重要な要素である転写と翻訳の同期が可能になります。

同様の減衰メカニズムが、ヒスチジン、フェニルアラニン、およびトレオニンの合成を調節します。