trpオペロン

trpオペロンは、細菌内でアミノ酸トリプトファンを生成する酵素をコードする、一緒に転写される遺伝子のグループです。trpオペロンは、大腸菌で最初に特徴付けられ、その後、 他の多くの細菌でも発見されました。^{[1]オペロン}は、トリプトファンが環境中に存在する場合、トリプトファン合成遺伝子が抑制されるように制御されています。

trpオペロンには、トリプトファンの合成に必要な酵素をコードするtrpE、trpD、trpC、trpB、trpAの 5 つの構造遺伝子が含まれています。また、 trpRと呼ばれる抑制調節遺伝子も含まれています。トリプトファンが存在すると、 trpR タンパク質がオペレーターに結合し、RNA ポリメラーゼによるtrpオペロンの転写をブロックします。

このオペロンは、遺伝子発現の抑制可能な負の調節の一例です。リプレッサータンパク質は、トリプトファンが存在するとオペレーターに結合し（転写を抑制）、トリプトファンが存在しないとオペロンから解放されます（転写を続行できます）。trpオペロンは、さらに減衰を利用してオペロンの発現を制御します。これは、2 番目の負のフィードバック制御メカニズムです。

trpオペロンはよく研究されており、 lacオペロンと並んで細菌における遺伝子制御の例としてよく使用されます。

trpオペロンには 5 つの構造遺伝子が含まれています。それらの産物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 ):ホスホリボシルアントラニレートイソメラーゼドメインは、まずN -(5-ホスホ-β- D -リボシル)アントラニレートを 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。次に、同じタンパク質上のインドール-3-グリセロール-リン酸シンターゼが、生成物を ( 1S,2R )-1- C -(インドール-3-イル)グリセロール 3-リン酸に変換します。
• 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 の産物をセリンと結合させてトリプトファンを生成します。

オペロンは、負の抑制フィードバック機構によって機能します。trp オペロンのリプレッサーは、trpR 遺伝子によって上流で生成され、低レベルで構成的に発現されます。合成された trpR モノマーは二量体に会合します。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の変化を引き起こし、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ことが防止されるため、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立体構造にあり、オペレーター領域に結合できないため、転写はリプレッサーによって阻害されません。

減衰は、 trpオペロンにおける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濃度を標的とし、減衰は荷電tRNA ^trpの濃度に反応します。^[2]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で遺伝子発現を低下させ、減衰は進行中の転写プロセスを変更することで遺伝子発現を低下させます。^[2] TrpRリプレッサーは転写を70倍減少させますが、減衰はそれをさらに10倍減少させることができるため、約700倍の蓄積された抑制が可能になります。^[3]減衰が可能になるのは、原核生物（核を持たない）では、RNAポリメラーゼがまだ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るものです。これにより、翻訳プロセスがオペロンの転写に直接影響を与えることができます。

trpオペロンの転写された遺伝子の始めには、リーダー転写産物（trpL; P0AD92 ）と呼ばれる少なくとも130ヌクレオチドの配列がある。^[4] 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、^[5]ターミネーター構造の2つの構成ヘアピンは後にOxenderら（1979）によって解明された。^[6]この転写産物には、1～4で指定された4つの短い配列が含まれており、それぞれが次の配列と部分的に相補的である。したがって、1～2、2～3、または3～4の3つの異なる二次構造（ヘアピン）が形成される可能性がある。配列 1 と 2 がハイブリダイズして 1–2 構造を形成することはまれです。これは、RNA ポリメラーゼが配列 1 を超え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です。ただし、1–2 ヘアピンが形成されると、2–3 構造の形成が妨げられます (3–4 は妨げられません)。配列 2–3 の間にヘアピン ループが形成されると、1–2 と 3–4 の両方の間にヘアピン 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 (G/C が豊富で、直後にいくつかのウラシル残基が続く) であり、形成されると RNA ポリメラーゼは DNA から解離し、オペロンの構造遺伝子の転写は行われなくなります (詳細については以下を参照)。転写終結における 2 番目の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た転写終結頻度の低下によって示されます。^{[5] [7] [8] [9]}

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 個のアミノ酸からなる短いポリペプチドをコードしている。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るが、これは珍しいことである。なぜなら、トリプトファンはかなり珍しいアミノ酸であるからである (典型的な大腸菌タンパク質の残基 100 個のうち約 1 個がトリプトファンである)。trpL のストランド 1 は、リーダーペプチドの末尾の残基をコードする領域を囲んでいる: Trp、Trp、Arg、Thr、Ser; ^[2] これら 5 つのコドンでは保存が見られるが、上流のコドンを変異させてもオペロンの発現は変化しない。^{[2] [10] [11] [12]} 細胞内のトリプトファン濃度が低いときにリボソームが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停止する。停止している間、リボソームは転写産物のシーケンス 1 を物理的に遮蔽し、1-2 二次構造の形成を防ぐ。次に、配列 2 は配列 3 と自由にハイブリダイズして 2–3 構造を形成し、3–4 終結ヘアピンの形成を防ぎます。このため、2–3 構造は抗終結ヘアピンと呼ばれます。2–3 構造があると、RNA ポリメラーゼはオペロンの転写を自由に続行できます。変異解析と相補的オリゴヌクレオチドに関する研究では、2–3 構造の安定性がオペロンの発現レベルに対応することが実証されています。^{[10] [13] [14] [15]}細胞内のトリプトファン レベルが高い場合、リボソームはリーダー ペプチド全体を中断することなく翻訳し、翻訳終結中は終止コドンでのみ停止します。この時点で、リボソームは配列 1 と 2 の両方を物理的に保護します。そのため、配列 3 と 4 は自由に 3–4 構造を形成し、転写を終了させます。このターミネーター構造は、リボソームがTrpタンデム（つまりTrpまたはArgコドン）の近くで停止しない場合に形成されます。つまり、リーダーペプチドが翻訳されないか、または翻訳が豊富な荷電tRNAtrpとともに鎖1に沿ってスムーズに進行します。^{[2] [10]}さらに、リボソームは約10ヌクレオチド下流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のいずれかでリボソームが停止しても、終結ヘアピンの形成には影響しないようです。^{[2] [10]}最終結果は、オペロンはリボソームにトリプトファンが利用できない場合にのみ転写され、trpL転写物は構成的に発現されることです。

この減衰機構は実験的に裏付けられている。まず、リーダーペプチドの翻訳とリボソームの停止は、転写終結を阻害するために必要であることが直接的に証明されている。^[13]さらに、抗終結ヘアピンの塩基対合を不安定化または破壊する変異解析では、数倍の終結増加がみられる。減衰モデルと一致して、この変異はトリプトファン欠乏状態でも減衰を緩和できない。^{[10] [13]}対照的に、鎖 1 を標的とする相補オリゴヌクレオチドは、抗終結形成を促進することでオペロン発現を増加させる。^{[10] [14]}さらに、ヒスチジンオペロンでは、補償変異により、減衰阻害には鎖 2-3 の対合能力が一次配列よりも重要であることが示された。^{[10] [15]}

減衰においては、翻訳中のリボソームがどこで停止するかによって、終結ヘアピンが形成されるかどうかが決まる。^[10]転写ポリメラーゼが同時に代替構造を捕捉するためには、構造変調の時間スケールが転写の時間スケールと同程度でなければならない。^[2]リボソームがリーダー転写産物の合成直後に結合して翻訳を開始することを保証するために、trpL配列には一時停止部位が存在している。この部位に到達すると、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つ。このメカニズムにより、減衰における重要な要素である転写と翻訳の同期が可能になる。

同様の減衰メカニズムがヒスチジン、フェニルアラニン、トレオニンの合成を制御します。

大腸菌と枯草菌では、trpオペロンの配置が異なります。大腸菌には、単一の転写単位の下にある5つの構造遺伝子があります。枯草菌では、 6つの構造遺伝子がスーパーオペロン内にあります。これらの遺伝子のうち3つはtrpオペロンの上流にあり、他の3つは下流にあります。^[16]枯草菌のオペロンには、トリプトファンと葉酸のタンパク質合成を担うtrpGまたはpabAと呼ばれる7番目の遺伝子があります。^[17]両方の生物におけるtrpオペロンの調節は、細胞内に存在するtrpの量に依存します。しかし、枯草菌におけるトリプトファン生合成の主な調節は、転写の抑制ではなく減衰によるものです。^[18] B. subtilisでは、トリプトファンは11サブユニットのトリプトファン活性化RNA結合減衰タンパク質（TRAP）に結合し、TRAPのtrpリーダーRNAへの結合能力を活性化します。^{[19] [20]} trp活性化TRAPがリーダーRNAに結合すると、転写終結を引き起こすターミネーター構造が形成されます。^[18]さらに、活性化TRAPはtrpP、trpE、trpG、ycbK遺伝子の翻訳開始を阻害します。遺伝子trpPはtrpの輸送に役割を果たし、遺伝子trpGは葉酸オペロンで利用され、遺伝子ycbKは排出タンパク質の合成に関与しています。活性化TRAPタンパク質は、抗TRAPタンパク質とAT合成によって制御されます。ATはTRAPを不活性化してトリプトファンの転写を低下させることができます。^[21]

• Trpオペロンの制御のアニメーション