28.8. Транскрипция триптофанового оперона регулируется и аттенюатором, и оператором

Еще один регуляторный элемент был открыт Чарльзом Янофски (Charles Yanofsky) и его коллегами при изучении триптофанового оперона E. coli. Транскрибируемая с этого оперона мРНК длиной кодирует пять ферментов, превращающих хоризмат в триптофан (разд. 21.9). Эти пять белков синтезируются при трансляции полицистронной trp-мРНК последовательно, координированно и в эквимолярных количествах. Трансляция начинается раньше, чем заканчивается транскрипция. trp-мРНК синтезируется примерно за 4 мин и затем быстро разрушается. Короткое время жизни составляющее всего около 3 мин, позволяет бактериям быстро реагировать на изменяющуюся потребность в триптофане. Е. coli может менять скорость образования ферментов биосинтеза триптофана более чем в 700 раз.

Как осуществляется эта регуляция? Первый уровень регуляции достигается путем взаимодействия специфического репрессора с -операторным участком -репрессор - белок с массой кодируемый геном удаленным от -оперо-на на довольно большое расстояние. Комплекс этого репрессора и триптофана прочно связывается с оператором, тогда как сам по себе репрессор с ним не связывается. Другими словами, триптофан является корепрессором. Мишень, на которую действует комплекс триптофана с репрессором, - участок ДНК, обладающий симметрией второго порядка (рис. 28.11); и в этом случае симметрия играет важную роль во взаимодействии белка с ДНК. Этот операторный участок перекрывается с промоторным участком инициирования транскрипции.

Рис. 28.12. Последовательность оснований аттенюаторного участка Связанные симметрией второго порядка пары оснований GC-богатой области показаны синим цветом; такие же пары -богатой области показаны желтым цветом.

Таким образом, связывание trp-penpeccopa с оператором препятствует связыванию РНК-полимеразы с -промотором, и гены не транскрибируются.

В течение некоторого времени считалось, что ингибирование конечным продуктом каталитической активности первого ферментативного комплекса в пути биосинтеза триптофана (разд. 21.11) и система ингибирования транскрипции с участием репрессора и оператора - основные регуляторные системы биосинтеза триптофана. Эта точка зрения была неожиданно опровергнута, когда было обнаружено, что у некоторых мутантов с делециями между оператором и геном первого фермента в опероне происходит повышенное образование К тому же анализ -концевой последовательности trp-мРНК показал, что там имеется лидерная последовательность длиной 162 нуклеотида, расположенная перед инициирующим кодоном Затем оказалось, что делеции, повышающие содержание trp-мРНК, картируются в этой лидерной области, примерно в 30-60 нуклеотидах от начала гена Следующее поразительное наблюдение состояло в том, что при высокой концентрации триптофана образовывался транскрипт, содержащий всего 130 нуклеотидов лидерной последовательности при нехватке же триптофана синтезировалась trp-мРНК длиной 7000 нуклеотидов, включающая полную лидерную последовательность. Отсюда Янофски сделал вывод, что транскрипция -оперона должна регулироваться участком контролируемой терминации, называемым аттенюатором. Он локализован между оператором и геном первого фермента пути биосинтеза триптофана. Этот участок терминации, регулируемый физиологическими условиями, подобен участкам терминации в конце других оперонов (разд. 25.15); он содержит GC-богатую последовательность и следом за ней АТ-богатый участок. Каждый из этих участков аттенюатора обладает симметрией второго порядка (рис. 28.12). Кроме того, терминированный лидерный транскрипт заканчивается несколькими подряд.

Аттенюаторный участок дополняет оператор в регуляции транскрипции -генов. При изобилии триптофана инициация транскрипции блокируется в результате связывания комплекса триптофан-репрессор с оператором. По мере снижения концентрации триптофана в клетке репрессия снижается и начинается транскрипция. Однако некоторые молекулы РНК-полимеразы покидают матрицу, дойдя до аттенюатора, тогда как другие продолжают синтезировать полную -матрицу. По мере исчерпания триптофана увеличивается доля молекул РНК-полимеразы, проходящих через аттенюа-торный участок.