Механизм

Участок из первых 145 нуклеотидов транскрипта trp-оперона содержит три необычных по нуклеотидной последовательности сегмента. Один из них кодирует короткий полипептид из 14 аминокислот, две из которых являются тандемными триптофановыми остатками. Два других содержат инвертированные повторы, из-за чего происходит внутримолекулярное спарива­ние оснований РНК-транскрипта и образование двух альтернативных шпилечных структур (рисунок 4, прилагается). Одна из этих структур, в которой спарены сегменты 1 и 2, 3 и 4 соответственно, терминацию транскрипции на участке из нескольких расположенных подряд за четвертым сегментом остатков урацила. Другая шпилечная структура, в которой сегменты 2 и 3 спа­рены, а 1 и 4 остаются одноцепочечными, разрешает транскрипции дойти до конца оперона.

Какая именно шпилечная структура образуется при транскрипции аттенуаторного участка зависит от того, транслируется ли рибосомами полная по­следовательность, кодирующая полипептид длиной 14 аминокислот. Если синтез лидерного полипептида инициируется в кодоне AUG, то рибосомы транслируют следующие 13 кодонов при условии, что имеются все необходимые амино-ацил-тРНК. При недостатке триптофанил-тРНК ри­босомы останавливаются, когда доходят до тандемных триптофановых кодонов. Если рибосомы останавливаются в одном из триптофановых кодонов, расположенных в аттенуаторном сегменте 1, то последовательности сегментов 2 и 3 свободно спа­риваются и образуют шпилечную структуру, а сег­мент 4 остается одноцепочечным. Эта структура не препятствует продолжению транскрип­ции с образованием полноразмерной trp-мРНК дли­ной 7000 нуклеотидов. Если триптофанил-тРНК имеется в количестве, достаточном для трансляции тандемных триптофановых кодонов, то рибосомы движутся до терминаторного кодона лидерного пептида и, поскольку сегмент 2 ассоциирован с рибосомой, сегменты 3 и 4 образуют шпильку – струк­туру, способствующую терминации транскрипции.

Таким образом, аттенуатор позволяет РНК-полимеразе опосредованно «почувствовать» концент­рацию триптофанил-тРНК через расположение ри­босомы. Возможность трансляции короткой коди­рующей последовательности в лидерном сегменте определяет вторичную структуру транскрипта и, следовательно, выбор между терминацией и прочте­нием последовательности. Наличие достаточного количества триптофанил-тРНК стимулирует терминацию транскрипции, при ее недостатке транскрип­ция проходит весь оперон.

Аттенуация и репрессия вместе содействуют оптималь­ной экспрессии trp-оперона. При избытке триптофана благодаря репрессии блокируется инициация синтеза мРНК. Снижение концентрации триптофана приводит к уменьшению содержания функциональ­ного комплекса репрессор – триптофан, и транскрип­ция возобновляется. Однако при концентрации триптофана, допускающей инициацию транскрипции, количества триптофанил-тРНК еще вполне до­статочно для того, чтобы в пределах лидерного участка в основном происходила терминация транс­крипции; следовательно, в таких условиях уровень экспрессии оперона еще очень низок. По мере сниже­ния концентрации триптофана репрессия полностью снимается: если концентрация триптофанил-тРНК становится ниже уровня, необходимого для продол­жения синтеза, то терминация аттенуируется, а trp-мРНК и ферменты начинают синтезироватьси с большей скоростью. Таким образом, экспрессии оперона достигает максимума в отсутствие репрес­сии и при максимальной аттенуации терминации; экспрессия минимальна при почти полной репрессии оперона и отсутствии аттенуации терминации.