Cómo el represor trp  controla la expresión de genes. Inhibición y atenuación por retroalimentación.

Puntos más importantes:

  • El operón trp , que se encuentra en la bacteria E. coli, es un grupo de genes que codifican enzimas biosintéticas para el aminoácido triftófano.
  • El operón trp se expresa (enciende) cuando los niveles de triptófano son bajos y se reprime (apaga) cuando son altos.
  • El operón trp es regulado por el represor trp. Cuando se une a triptófano, el represor trp bloquea la expresión del operón.
  • La biosíntesis del triptófano también está regulada por la atenuación (un mecanismo basado en el acoplamiento de transcripción y traducción).

¿Qué es el operón trp?

Las bacterias como la Escherichia coli (un habitante amigable de nuestro intestino) necesitan aminoácidos para sobrevivir, ya que, como nosotros, necesita construir proteínas. Uno de los aminoácidos que necesita es el triptófano.
Si el triptófano está disponible en el ambiente, E. coli lo toma y lo utiliza para construir proteínas. Sin embargo, E. coli puede hacer también su propio triptófano mediante enzimas que están codificadas en cinco genes. Estos cinco genes se encuentran cerca unos de otros en lo que se llama el operón trp.
La respuesta corta es que un operón es un grupo de genes que se transcriben bajo el control de un solo promotor, lo que resulta en un ARNm largo que contiene las secuencias de codificación para genes múltiples. El operón incluye no solo los genes, sino también las secuencias de ADN reguladoras que controlan su expresión (incluyen el promotor y los sitios de unión para cualquier proteína represora o activadora).
Para repasar las características básicas de los operones paso por paso, consulta el artículo descripción de la regulación génica en las bacterias.
Si el triptófano está presente en el ambiente, entonces la bacteria E. coli no necesita sintetizarlo, de modo que la transcripción de los genes en el operón trp se "apaga". Por otro lado, cuando la disponibilidad de triptófano es baja, el operón se "enciende", los genes se transcriben, las enzimas biosintéticas se producen y se produce más triptófano.

Estructura del operón trp

El operón trp incluye cinco genes que codifican enzimas necesarias para la biosíntesis de triptófano, junto con un promotor (sitio de unión de la ARN polimerasa) y un operador (sitio de unión de una proteína represora). Los genes del operón trp se transcriben como un ARNm.
Diagrama del operón trp. Primero, vemos una bacteria de E. coli con un cromosoma circular. Nos enfocamos en una porción pequeña del cromosoma y vemos que el ADN es el del operón trp.
De izquierda a derecha, el operón contiene un promotor (donde se une la ARN polimerasa) y dentro del extremo derecho del promotor, un operador (donde se une un represor). Hay algunas secuencias reguladoras adicionales, no etiquetadas en este diagrama, y cinco secuencias de codificación: trpE, _trp_D, trpC, trpB y trpA.
El operón se transcribe para producir un solo ARNm que contiene las secuencias de codificación de los cinco genes.
Las secuencias de codificación en el ARNm se traducen por separado, y cada una produce una proteína. Estas proteínas son enzimas (o subunidades enzimáticas) necesarias para la biosíntesis del triptófano.

Encendido y apagado del operón

¿Qué es lo que hace el operador? Este tramo de ADN es reconocido por una proteína reguladora llamada represor trp. Cuando el represor se une al ADN del operador, estorba físicamente a la ARN polimerasa, la enzima de transcripción, y evita que el operon se transcriba.
La proteína represora trp es codificada por un gen llamado trpR. Este gen no es parte del operón trp y se localiza en otra parte en el cromosoma bacteriano, donde tiene su propio promotor y otras secuencias reguladoras.
El represor trp no siempre se une al ADN; solo se une y bloquea la transcripción cuando el triptófano está presente. Cuando el triptófano está por ahí, se une a las moléculas del represor y cambia su forma para que se activen. Una molécula pequeña como el triptófano, que cambia a un represor a su estado activo, se le llama correpresor.
Triptófano alto: el triptófano se fija al represor trp y hace que cambie de forma; como consecuencia, se convierte a su forma activa (que se une al ADN). El represor trp unido al triptófano se adhiere al operador y así bloquea la unión de la ARN polimerasa al promotor y previene la transcripción del operón.
Por el contrario, cuando hay poco triptófano en la célula, el represor trp está inactivo (porque no hay triptófano disponible para unirse y activarlo). No se adhiere al ADN ni bloquea la transcripción, y esto permite que la ARN polimerasa transcriba el operón trp.
Triptófano bajo: el represor trp no está unido al triptófano (puesto que no hay triptófano) y, por lo tanto, está en su estado inactivo (no se une al ADN del operador). Esto permite que la ARN polimerasa se una al promotor y transcriba el operón.
En este sistema, el represor trp actúa como un sensor y como un interruptor. Detecta si triptófano ya está presente en niveles altos, y si es así, "apaga" al operón, para prevenir que se produzcan enzimas biosintéticas innecesarias.

Más de la regulación del operón trp: atenuación

Según la clase que estés tomando, o tus propios intereses, también puedes haber oído hablar sobre otra forma de regulación del operón trp llamada atenuación.
Al igual que la regulación por el represor trp, la atenuación es un mecanismo para reducir la expresión del operón trp cuando los niveles de triptófano son altos. Sin embargo, en lugar de bloquear la iniciación de la transcripción, la atenuación impide la terminación de la transcripción.
Cuando los niveles de triptófano son altos, la atenuación provoca que la ARN polimerasa se detenga prematuramente cuando está transcribiendo el operón trp. Solo se hace un ARNm corto que no codifica ninguna enzima de la biosíntesis del triptófano. La atenuación funciona a través de un mecanismo que depende del acoplamiento (la traducción de un ARNm que está todavía en el proceso de ser transcrito).
Para entender la atenuación, enfoquémonos en una región del operón trp que analizamos superficialmente en las secciones anteriores. Esta sección se encuentra entre el operador y el primer gen del operón y se llama líder. El líder codifica un polipéptido corto y también contiene una secuencia atenuadora. El atenuador no codifica un polipéptido, pero cuando se transcibe en ARNm, tiene secciones autocomplementarias y puede formar varias estructuras de horquilla.
Imagen que muestra la ubicación del líder. El líder viene después del promotor y el operón, pero antes el gen trpE. De izquierda a derecha, el líder de ADN contiene cuatro segmentos marcados con la etiqueta 1-4. El segmento 1 codifica el polipéptido líder. Los segmentos 2-4 son parte del atenuador.
Una vez que la ARN polimerasa ha comenzado a transcribir el operón, un ribosoma puede adherirse al transcrito aún en formación y comenzar a traducir la región líder. El polipéptido codificado por el líder es corto, con solo 1414 aminoácidos de largo, e incluye dos residuos de triptófano (Trp)1^1. Los triptófanos son importantes porque:
  • Si hay mucho triptófano, el ribosoma no tendrá que esperar mucho por un ARNt que porte triptófano y acabará rápidamente el polipéptido líder.
  • Si hay poco triptófano, el ribosoma se detendrá en los codones de Trp (que esperan un ARNt que porte Trp) y será lento para acabar la traducción del líder.
¿Por qué importa si el ribosoma traduce al líder rápida o lentamente? Según lo mencionado antes, el líder es seguido por una región de atenuador, que (en su forma de ARNm) puede adherirse a sí misma para formar diferentes estructuras de horquilla. Una estructura incluye una señal de terminación de la transcripción, mientras que la otra no finaliza la terminación (y de hecho, previene la formación de la horquilla terminadora)2^2.
  • Si el ribosoma traduce lentamente, se detendrá brevemente y su detención causa la formación del antiterminador (horquilla no terminadora). Esta horquilla previene la formación del terminador y permite que continúe la transcripción.
    Niveles bajos de Trp: cuando no hay mucho triptófano disponible en la célula, el ribosoma se estancará en los codones Trp al traducir el polipéptido corto al principio del líder. Este estancamiento hace que las regiones 2 y 3 se asocien una con otra en una horquilla. Esta horquilla, conocida como antiterminadora, impide que se forme la horquilla terminatora (regiones 3 y 4 en pareja). La terminación no se produce y la ARN polimerasa continúa transcribiendo, y produce una transcripción que incluye los genes trpE-trpA.
  • Si el ribosoma traduce rápidamente, se caerá del ARNm después de traducir el péptido líder. Esto permite la formación de la horquilla terminadora y una horquilla asociada, lo que provoca que la ARN polimerasa se separe y finalice la transcripción.
    Niveles altos de Trp: el ribosoma no se estanca en los codones Trp al sintetizar el polipéptido líder, porque el Trp es abundante (y por lo tanto hay muchos Trp que llevan tRNAs). En su lugar, el ribosoma rápidamente sintetiza el polipéptido líder, llega al codón de parada y se separa del ARNm. Esto deja a las regiones 1 y 2 libres para emparejarse. En ese punto, las regiones 3 y 4 también se emparejan y formar una horquilla terminadora. La horquilla terminatora hace que el ARN polimerasa se separe del ADN y de la transcripción, lo que hace que la terminación concluya. Un ARNm corto que consiste en la región líder es todo lo que se produce; nunca se transcriben los genes trpE-trpA.
Este mecanismo puede ser complejo, pero el resultado es bastante directo. Cuando el triptófano es abundante, el ribosoma se mueve rápidamente a lo largo del líder, se forma la horquilla terminadora y finaliza la transcripción del operón trp. Cuando el triptófano es escaso, el ribosoma se mueve lentamente a lo largo del líder, se forma la horquilla no terminadora y continúa la transcripción del operón trp.
En otras palabras, la lógica de la atenuación es igual a la de la regulación por el represor trp. En ambos casos, altos niveles de triptófano en la célula detienen la expresión del operón. Esto tiene sentido, pues altos niveles de triptófano significan que la célula no necesita hacer más enzimas biosintéticas para producir triptófano adicional.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de "Regulación génica de procariontes," por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/76b4a074-d223-4ad9-8d9e-4114c74f492c@5.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

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