Attenuation (Genexpression)
Die (transkriptionelle) Attenuation ist eine Form der Genregulation, die bei der Genexpression der Prokaryoten, beispielsweise der Bakterien vorkommt.
Dabei wird die Ablesung und Übersetzung der DNA in mRNA während der Transkription bei der Proteinbiosynthese verzögert. Dies geschieht dadurch, dass Ribosomen Einfluss auf die Sekundärstruktur der mRNA ausüben und somit bestimmen, ob die RNA-Polymerase über einen Attenuatorbereich ("Dämpfungsbereich") hinweg transkribieren kann.
Voraussetzung für diesen Mechanismus ist, dass die Translation in der Nähe der Transkription stattfindet (zeitliche und räumliche Kopplung) und dass das mRNA-Molekül noch transkribiert wird, während bereits ein Ribosom an anderer Stelle desselben mRNA-Moleküls sitzt. Dies kann nur bei Prokaryoten der Fall sein, da bei Eukaryoten die DNA zu jedem Zeitpunkt im Zellkern verbleibt (nur die mRNA verlässt diesen) und die Translation anschließend außerhalb des Zellkerns stattfindet (zeitliche und räumliche Trennung).
Der Stoppvorgang kommt dadurch zustande, dass die mRNA durch Basenpaarung eine Schleife bildet. Dadurch wird am Bakterienchromosom selbst durch sterische (räumliche) Behinderung die weitere Synthese der mRNA abgebrochen.
Beispiel: das Tryptophan-Operon in E. coli
Das trp-Operon bedient sich der Attenuation als Genregulationsmethode. Bei hoher Konzentration der Aminosäure Tryptophan in der Zelle wird die Transkription gestoppt. Ist der Tryptophan-Spiegel abgesunken, so wird die Transkription wieder in Gang gesetzt.
Innerhalb des mRNA-Transkripts können sich über Wasserstoffbrückenbindungen vermittelte Basenpaarungen bilden. Dadurch wird die normalerweise einsträngige mRNA in einem Teilabschnitt doppelsträngig. Bestimmte Stamm-Schleifen-Strukturen können die Transkription vorzeitig beenden bevor das erste Strukturgen des Operons (trpE) erreicht wird, oder aktivieren.
Stromaufwärts des Stamm-Schleifen-Abschnitts liegt ein Abschnitt (Leader-Sequenz), den ein Ribosom translatieren muss – bestehend aus 14 Codons, 2 davon sind Tryptophan-Codons.
Liegt nun genug Tryptophan vor, so kann ein Ribosom die tryptophanhaltige Leader-Sequenz vollständig translatieren, der Polymerase folgend. Es bildet sich eine Stamm-Schleifen-Struktur I aus, die als Terminationssignal für die RNA-Polymerase wirkt und die Transkription der mRNA unterbricht (Gene trpE bis trpA werden nicht transkribiert – keine Tryptophan-Synthese).
Ist zu wenig Tryptophan vorhanden, so benötigt das Ribosom zur Translation der Leadersequenz wesentlich mehr Zeit, da der Einbau von Tryptophan in die Leadersequenz kinetisch betrachtet seltener stattfindet als bei Tryptophan-Überschuss. Erst wenn Tryptophan mit einer relativen zeitlichen Verzögerung eingebaut werden konnte, bewegt sich das Ribosom weiter. Diese zeitliche Verzögerung in der Translation führt zu einer Stamm-Schleifen-Struktur II in der stromabwärts gelegenden Attenuator-Sequenz des Transkripts, welche als Signal an die RNA-Polymerase zu vollständiger Transkription der mRNA (sämtliche Leserahmen trpE bis trpA) und anschließend zur Translation der mRNA mit Ziel der Erzeugung der Genprodukte TrpE bis TrpA und folglich zur Tryptophan-Synthese führt.
Es gibt noch weitere Operons, an denen Attenuation vorkommt, beispielsweise das Phenylalanin-Operon oder die Operons für Histidin, Leucin und Threonin.
Literatur
- Nancy Trun, Janine Trempy: Gene expression and regulation. In: Nancy Trun, Janine Trempy: Fundamental Bacterial Genetics. Blackwell, Malden MA u. a. 2004, ISBN 0-632-04448-9, online (PDF; 500 KB).