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2026-02-07T08:43:06Z

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Als transkriptionelle '''Attenuation''' wird eine Form der [[Genregulation|Regulation]] der [[Genexpression]] bei [[Prokaryoten]] bezeichnet, mit der eine begonnene [[Transkription (Biologie)|Transkription]] vorzeitig abgebrochen werden kann.<ref name="genetik" />

Der Transkriptionsvorgang wird hierbei beendet, indem die transkribierende [[RNA-Polymerase]] von der DNA-Vorlage getrennt wird, wenn infolge von Wechselwirkungen innerhalb des soeben aufgebauten [[mRNA]]-Anfangsbereichs durch interne Basenpaarung eine [[Haarnadelstruktur]] gebildet wird an der Terminatorstelle, dem ''Attenuator'' in der ''Leader''-Region. Allerdings ist diese terminierende Schleifenbildung in der Sekundärstruktur der mRNA nicht möglich bei bestimmten Positionen eines gleichzeitig voranschreitenden und die entstehende mRNA [[Translation (Biologie)|translatierenden]] [[Ribosom]]s. Diese Positionen nimmt das Ribosom aber nur ein bei einer verzögerten Translation, erst deren Verzögerung erlaubt somit die Fortsetzung der Transkription über den Attenuatorbereich hinaus. Verzögert wird der Translationsprozess etwa, wenn nicht prompt eine mit der spezifischen Aminosäure beladene [[tRNA]] verfügbar ist, da die betreffende Aminosäure nur in geringer Konzentration in der Zelle vorliegt. Unter solchen Bedingungen kann dann eine vollständige Transkription erfolgen – beispielsweise von Genen für die Synthese einer Aminosäure, wenn es an dieser mangelt.

Voraussetzung für diesen Regulationsmechanismus ist, dass die Vorgänge von Transkription und Translation gemeinsam und nahezu synchron stattfinden, dass also die RNA-Polymerase noch transkribiert und das mRNA-Molekül aufbaut, während bereits ein Ribosom an anderer Stelle desselben mRNA-Moleküls sitzt und gleichzeitig translatiert. Diese zeitliche und räumliche Kopplung ist nur bei Prokaryoten gegeben. Denn bei [[eukaryoten]] Zellen findet die Transkription im [[Zellkompartiment]] des [[Zellkern]]s statt, anschließend wird die [[mRNA]] aus dem [[Karyoplasma]] exportiert und die Translation läuft außerhalb des Kerns im [[Zytoplasma]] ab, zeitlich und räumlich getrennt. Eine weitere Voraussetzung ist, dass die Transkription konstitutiv am Promotor beginnt<ref>{{Literatur |Autor=Tina M. Henkin, Joseph E. Peters |Titel=Molecular Genetics of Bacteria |Auflage=5 |Verlag=ASM Press / Wiley |Ort=Washington DC / Hoboken |Datum=2020 |ISBN=9781555819767 |Seiten=449 |Sprache=en}}</ref>.

== Beispiel: Tryptophan-Operon in ''Escherichia coli'' ==
Das [[Trp-Operon|''trp''-Operon]] in [[Bakterien]] wie [[Escherichia coli]] ist ein klassisches Beispiel der transkriptionellen ''Attenuation'' als einer zusätzlichen Genregulationsweise, erstmals 1981 von [[Charles Yanofsky]] beschrieben.<ref name="pmid7007895" /> Doch vorrangig wird auch bei ''E. coli'' der Zugriff auf das [[Operon]] durch ''[[Repressor|Repression]]'' geregelt. Ein ''trpR''-Gen codiert für ein [[Repressor]]protein, das reversibel an einen im [[Promotor (Genetik)|Promotor]]bereich (''P'') gelegenen [[Operator (Genetik)|Operator]] (''O'') bindet und damit der [[RNA-Polymerase]] den Zugang verlegt,<ref name="pmid7038627" /> wenn es zuvor durch die [[Aminosäure]] [[Tryptophan]] (Trp) als [[Corepressor]] aktiviert wurde. Derart wird die Transkription abhängig vom intrazellulären Tryptophan-Spiegel [[Negative Rückkopplung|negativ rückgekoppelt]] reguliert und mit ansteigendem Spiegel unterdrückt. Bei hoher Tryptophankonzentration ist das ''trp''-Operon daher mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit reprimiert und eine Transkription findet kaum statt.

[[Datei:Trpoperon.svg|mini|300px|Via regulatorischer DNA-Regionen kann die [[Transkription (Biologie)|Transkription]] der Strukturgene des [[Trp-Operon|''trp''-Operons]] bei hohen [[Tryptophan]]-Spiegeln mit einem [[Repressor]] unterdrückt oder durch Attenuation gedämpft werden]]

Kommt dennoch eine Transkription in Gang, so stellt die Attenuation zunächst einen zusätzlich sichernden Mechanismus dar, mit dem bei hohem Spiegel an mit Tryptophan beladener tRNA (tRNATrp) ein vorzeitiger Abbruch erzwungen werden kann – noch bevor die nachfolgenden Strukturgene des Operons transkribiert werden. Diese aufeinanderfolgenden Gene (''trpE, trpG-D, trpC-F, trpB'' und ''trpA'')<ref name="pmid17601995" /> codieren für sieben Polypeptide, die in [[Enzymatische Katalyse|enzymatisch]] wirksamen Proteinen für die [[Tryptophan#Biosynthese|Biosynthese von Tryptophan]] gebraucht werden – falls an dieser Aminosäure ein Mangel besteht. Noch vor den [[offener Leserahmen|offenen Leserahmen]] dieser Gene liegt nun ein sogenannter [[untranslatierter Bereich]], die [[5'-UTR]] oder [[Leader-Sequenz]], mit jenen Sequenzen, die während der Bildung der mRNA eine Attenuation möglich machen.<ref name="pmid7038627" />

In diesem rund 160 [[Nukleotide]] umfassenden Bereich am 5'-Anfang der mRNA finden sich nämlich vier kürzere [[palindromische Sequenz]]en: als je etwa ein Dutzend Nukleotide lange einsträngige Sequenzabfolgen (1., 2., 3., 4.), die einander ergänzen können und so durch [[Basenpaarung]]en miteinander jeweils doppelsträngige Teilabschnitte einer [[Haarnadelstruktur]] in der mRNA auszubilden vermögen. Dabei sind verschiedene Stamm-Schleifen-Bildungen möglich (1:2, 2:3, 3:4) mit zueinander komplementären [[Palindrom#Palindrome in der Molekulargenetik|Palindrom]]en. Eine Ausbildung der hinteren (3:4) mRNA-Schleife führt – wegen der schlaufennah starken Bindungen über [[Wasserstoffbrücken]] (GCGGGC... in 4.) – zum Anhalten des RNA-Polymerase-Moleküls, und – wegen der anschließend schwachen Bindungen (...UUUUUU) – zum Ablösen vom DNA-Strang, womit die Transkription vorzeitig beendet ist, noch bevor das erste Gen des Operons (''trpE'') erreicht wurde. Die für diese [[Terminator (Genetik)#Rho-unabhängige Termination (Intrinsische Termination)|Rho-Faktor-unabhängige Termination]] nötige strukturtragende Sequenz wird als das (intrinsische) ''Terminationssignal'' der ''Attenuatorsequenz'' bezeichnet.

Die davorliegenden Sequenzen erlauben innerhalb des entstehenden [[mRNA]]-Transkripts eine alternative Schleifenbildung, womit der vorzeitige Transkriptionsabbruch unterlaufen werden kann. Denn wird die Sequenz 2 mit 3 gepaart (2:3), ist die Paarung von 3 mit 4 nicht möglich.
Zur Bildung dieser Schleifenstruktur 2:3 kommt es jedoch erst bei einem deutlich verzögerten Aufenthalt des Ribosoms in Sequenz 1, das zunächst synchronisiert<ref group="Anm." name="synchronisiert" /> der RNA-Polymerase nachfolgt.<ref name="pmid17601995" />

Diese entscheidende Verzögerung kann auftreten, da die Sequenz 1 zugleich auch das Ende eines anderen regulatorischen Abschnitts darstellt, der ''trpL''-Sequenz, eines – in einer 5'-UT-Region eher ungewöhnlichen – Abschnitts mit 14 [[Codon]]s. Deren fünf letzte vor dem [[Stopcodon]], darunter zweimal das [[Genetischer Code#Codon|Codon für Tryptophan]], liegen in Sequenz 1. Das Ribosom nun translatiert diese codierende Nukleotidsequenz ''trpL'' der mRNA in ein sogenanntes ''Leader-Peptid'',<ref group="Anm." name="leaderpeptid" /> und bleibt hier dann etwas länger hängen, wenn beladene tRNATrp für das Trp-Tandem nicht prompt verfügbar ist, so etwa bei Tryptophan-Mangel im Zytosol. Damit aber wird zugleich Sequenz 1 als möglicher Partner für Sequenz 2 entzogen, die sich sodann mit 3 verkuppelt (2:3), womit 3:4 nicht mehr geht. Die vorzeitige Termination der Transkription wird so unterlaufen.<ref name="pmid7038627" />

[[Datei:Trp operon attenuation.svg|mini|300px|Bei ''hohem'' Trp-Spiegel bildet das Ribosom rasch das Leader-Peptid und zieht nach Region 2, womit die Struktur 3:4 entsteht, das Signal zur ''Termination''. 
 Bei ''niedrigem'' Trp-Spiegel wird das Leader-Peptid in Region 1 verzögert gebildet, wodurch die Struktur 2:3 möglich wird und so die vollständige ''Transkription''.]]
Liegt dagegen genug Tryptophan vor, so kann ein Ribosom diesen Bereich der Leader-Sequenz rasch translatieren und der Polymerase zügig folgend über Sequenz 2 nachziehen. Es bildet sich dann keine Stamm-Schleifen-Struktur 2:3 aus; die Sequenz 3 kann daher mit 4, sobald vorliegend, die Struktur 3:4 bilden: das Terminationssignal für die RNA-Polymerase unterbricht die Transkription (und die Gene ''trpE'' bis ''trpA'' werden nicht transkribiert).

Ist zu wenig Tryptophan vorhanden, braucht das Ribosom zur Translation der Sequenz 1 in das Leader-Peptid deutlich mehr Zeit. Die verzögerte Translation führt zur Stamm-Schleifen-Struktur 2:3 im stromabwärts entstandenen Transkript, sie erlaubt damit die vollständige Transkription sämtlicher Gene ''trpE'' bis ''trpA'' durch die RNA-Polymerase in eine rund 6800 Nukleotide lange [[Polycistronische mRNA|polycistronische]] mRNA – und ermöglicht somit die anschließende Translation dieser mRNA durch Ribosome in die Genprodukte TrpE bis TrpA: als [[enzym]]atisch wirksame Proteine machen sie eine gesteigerte Tryptophan-Synthese möglich, bei Tryptophanmangel vorteilhaft.

Ob es denn zur Attenuation kommt oder der Polymerase nicht der Strang entzogen wird, entscheidet sich also auf der Wanderung des ersten Ribosoms durch den Raum der Faltungsmöglichkeiten am Anfang der [[Naszierender Stoff|naszierenden]] mRNA. Die ungewöhnliche Aufgabe, im sogenannten ''untranslatierten Bereich'' ein kurzes tryptophanhaltiges Peptid aufzubauen, wird dabei zum Kriterium für den Transkriptionsverlauf und macht die Expression der ''trp''-Gene von der aktuellen Trp-Konzentration im Zellmilieu abhängig. Nur bei niedrigem Spiegel kommt es dann zu jener kurzen Pause, mit der eine erfolgreiche Transkription erst möglich wird.

== Weitere Beispiele transkriptioneller Attenuation ==
Inzwischen sind eine Reihe weiterer Operons bekannt, die transkriptionelle Attenuation als Regulationsweise nutzen. Neben Operons für die Aminosäurenbiosynthese beispielsweise von [[Phenylalanin]], [[Histidin]], [[Leucin]], [[Threonin]], [[Methionin]] oder [[Cystein]] ebenfalls solche für eine Aminosäurendegradation, und auch einige mit Abwandlungen des oben beschriebenen Attenuationmechanismus.<ref name="pmid10613855" />

So enthält etwa das ''tna''-Operon in ''E. coli'' jene Gene, die für Enzyme des [[Tryptophan#Abbau von Tryptophan|Tryptophanabbaus]] (Tryptophanase) codieren, und vornehmlich bei Tryptophanüberschuss in der Zelle transkribiert werden. Unter diesen Bedingungen unterbindet hier ein translatiertes tryptophanhaltiges Leader-Peptid die vorzeitige – von einem Rho-Faktor abhängige – Termination, indem es dann dafür nötige Bindungsstellen in der Leader-Region blockiert.<ref name="pmid10049385" />

Die Expression des Operons ''pyrBI'' in ''E. coli'', das für ein Enzym der Biosynthese von [[Pyrimidin]] codiert, wird primär durch Attenuation reguliert. Hier ist es die Polymerase, die bei geringer Verfügbarkeit eines Pyrimidin-triphosphats ([[Uridintriphosphat|UTP]]) in einer bestimmten Region der Leadersequenz pausiert, und darüber auf Stellung und Bewegung des Ribosoms derart Einfluss nimmt, dass dieses die Bildung des Terminatorsignals verhindert.<ref name="pmid7517939" /> Beim ''pyr''-Operon in [[Bacillus subtilis]] ist es ein besonderes RNA-bindendes Protein, PyrR, das durch ein Pyrimidin-monophosphat ([[Uridinmonophosphat|UMP]]) aktiviert wird und dann so an die mRNA binden kann, dass der intrinsische Terminator entsteht; bei niedrigem UMP-Spiegel bleibt es dagegen inaktiv, sodass eine alternative mRNA-Struktur gefaltet werden kann, die eine vollständige Transkription möglich macht.<ref name="pmc=26155" />

Beim ''trp''-Operon in ''B. subtilis'' wird die Expression seiner sechs Strukturgene ''trpEDCFBA'' durch ein typtophan-aktiviertes RNA-bindendes Protein ([[TRAP (Protein)|TRAP]]) geregelt, das in der Leaderregion an die alternative Struktursequenz bindet, darüber mittelbar die Bildung des Terminatorsignals veranlasst und so zur transkriptionellen Attenuation führt. Daneben kann über hundert Nukleotide weiter stromabwärts noch eine Umfaltung der mRNA bewirkt werden, mit der die [[Shine-Dalgarno-Sequenz|Ribosomen-Bindungsstelle]] vor ''trpE'' in eine Haarnadelstruktur eingelagert wird, sodass die Initiation der Translation dieses Gens blockiert ist. TRAP ist ein [[torus]]förmiger Komplex aus 11 identischen Proteinuntereinheiten, die je zwischen sich eine Nische für die Tryptophan-Bindung bilden. Sind diese besetzt, kann sich peripher um die Außenfläche des Gebildes herum einem Reifen ähnlich die mRNA-Sequenz legen, welche 11 (U/G)AG-Tripletts in Serie mit 2/3 Nukleotiden Abstand enthält, und wird von 11 KKR-Motiven ([[Lysin|Lys]]-Lys-[[Arginin|Arg]]) gegenüber erkannt.<ref name="pmid17601995" />

Die transkriptionelle Attenuation ist also eine nicht ungewöhnliche Form der Regulation der Genexpression in prokaryoten Zellen, bei der alternative Faltungsmuster im soeben gebildeten Anfangsbereich einer mRNA die Möglichkeit bieten, je nach den aktuell herrschenden metabolischen Bedingungen in der Zelle eine begonnene Transkription vorzeitig abzubrechen – noch bevor Strukturgene in mRNA umgeschrieben wurden –, zu verzögern oder prompt durchzuführen.<ref name="pmid10613855" />

== Charakteristika der Regulation über Attenuation ==
Die Möglichkeit der Attenuation stellt neben Repression und Aktivierung eine zusätzliche Regulationsweise der Genexpression dar. Inzwischen sind verschiedene Abwandlungen bekannt, mit denen die Attenuation realisiert werden kann.

Beim ''trp''-Operon in'' E. coli'' liegen die Grenzen des Regelbereichs für die in Abhängigkeit von der zellulären Tryptophan-Konzentration exprimierten Strukturgene mit vorliegendem Repressor um etwa den Faktor 700 auseinander. Auch bei ausgeschaltetem Repressorgen ''trpR'' ist allein über Attenuation noch eine tryptophangeregelte Dämpfung der Genexpression um etwa den Faktor 10 möglich.

Voraussetzungen für die Attenuation sind die simultane Transkription und Translation einer mRNA mit verschiedenen Faltungsmöglichkeiten stromaufwärts der Strukturgene im 5'-UTR-Bereich, wobei die Faltung von den aktuellen metabolischen Bedingungen in der Zelle abhängt, die zum Genprodukt oder dessen Wirkung rückkoppeln. Eine Faltungsmöglichkeit beinhaltet eine Strukturbildung, die als ein Terminationssignal wirkt. Mindestens eine alternative Faltung schließt genau das aus. Die Wahl der Faltungsmöglichkeit wird über regulatorische Elemente oder Regionen in der mRNA bestimmt, die mit den Metaboliten interagieren können.

== Anmerkungen ==
<references group="Anm.">
<ref group="Anm." name="synchronisiert">
Die Prozession der transkribierenden RNA-Polymerase mit dem translatierenden Ribosom zu synchronisieren gelingt, indem die Polymerase nach Bildung der signalisierenden mRNA-Struktur 1:2 pausiert – und wartet, bis das erste Ribosom mit einer Translation beginnt, wobei diese Haarnadelstruktur dann aufgelöst wird.
</ref>
<ref group="Anm." name="leaderpeptid">
Von den Aminosäuren dieses Peptids mit der [[Aminosäuresequenz]] MKAIFVLKGWWRTS stop (siehe [https://www.uniprot.org/uniprotkb/P0AD92 LPW ECOLI] in [[UniProt]]-Datenbank) ist ein Siebtel somit Tryptophan (W). Doch üblicherweise ist diese Aminosäure auch bei E. coli ein recht selten gebrauchter Baustein in Proteinen, nur rund jeder hundertste.
</ref>
</references>

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="genetik">
{{Literatur |Autor=Wilfried Janning, Elisabeth Knust |Titel=Genetik: Allgemeine Genetik – Molekulare Genetik – Entwicklungsgenetik |Auflage=2 |Verlag=Georg Thieme |Ort=Stuttgart |Datum=2008 |ISBN=978-3-13-151422-6 |Seiten=211 ff. |Sprache=de}}
</ref>
<ref name="pmid7007895">
{{cite journal |author=Charles Yanofsky |title=Attenuation in the control of expression of bacterial operons |journal=[[Nature]] |volume=289 |issue=5800 |pages=751–758 |doi=10.1038/289751a0 |pmid=7007895 |date=1981-02 |language=en}}
</ref>
<ref name="pmid7038627">
{{cite journal |author=C. Yanofsky, T. Platt, I. Crawford, B. Nichols, G. Christie, H. Horowitz, M. Vancleemput, A. Wu |title=The complete nucleotide sequence of the tryptophan operon of Escherichia coli |journal=Nucleic Acids Res. |volume=9 |issue=24 |pages=6647–6668 |doi=10.1093/nar/9.24.6647 |pmid=7038627 |pmc=327632 |date=1981-12 |language=en}}
</ref>
<ref name="pmid17601995">
{{cite journal |author=C. Yanofsky |title=RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria |journal=RNA |volume=13 |issue=8 |pages=1141–1154 |doi=10.1261/rna.620507 |pmid=17601995 |pmc=1924887 |date=2007-08 |language=en}}
</ref>
<ref name="pmid10613855">
{{cite journal |author=C. Yanofsky |title=Transcription Attenuation: Once Viewed as a Novel Regulatory Strategy |journal=Journal of Bacteriology |volume=182 |issue=1 |pages=1–8 |doi=10.1128/JB.182.1.1-8.2000 |pmid=10613855 |pmc=94232 |date=2000-01 |language=en}}
</ref>
<ref name="pmid10049385">
{{cite journal |author=K. Konan, C. Yanofsky |title=Role of ribosome release in regulation of tna operon expression in Escherichia coli |journal=Journal of Bacteriology |volume=181 |issue=5 |pages=1530–1536 |pmid=10049385 |pmc=93543 |date=1999-08 |language=en}}
</ref>
<ref name="pmid7517939">
{{cite journal |author=J. Donahue, C. Turnbough |title=Nucleotide-specific transcriptional pausing in the pyrBI leader region of Escherichia coli K-12 |journal=Journal of Biological Chemistry |volume=269 |issue=27 |pages=18185–18191 |pmid=7517939 |date=1994-07 |language=en}}
</ref>
<ref name="pmc=26155">
{{cite journal |author=Y. Lu, R. Turner, R. Switzer |title=Function of RNA secondary structures in transcriptional attenuation of the Bacillus subtilis pyr operon |journal=Proc Natl Acad Sci |volume=93 |issue=25 |pages=14462–14467 |pmc=26155 |date=1996-10 |language=en}}
</ref>
</references>

== 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, [http://www.blackwellpublishing.com/trun/pdfs/Chapter12.pdf online (PDF; 500 kB)].

== Siehe auch ==
* [[Riboswitch]]

== Weblinks ==
* [http://www.ndsu.nodak.edu/instruct/mcclean/plsc431/prokaryo/prokaryo3.htm The trp Operon – a repressible system]
* [https://www.youtube.com/watch?v=BdCDRCminiM Attenuation in the trp operon]

[[Kategorie:Genexpression]]

Attenuation (Genexpression) - Versionsgeschichte

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