Sprzężenie transkrypcja-translacja

Sprzężenie transkrypcyjno-translacyjne jest mechanizmem regulacji ekspresji genów , w którym na syntezę mRNA ( transkrypcję ) wpływa jego równoczesne dekodowanie ( translacja ). U prokariotów mRNA ulegają translacji podczas ich transkrypcji. Umożliwia to komunikację między polimerazą RNA , wielopodjednostkowym enzymem, który katalizuje transkrypcję, a rybosomem , który katalizuje translację. Sprzęganie obejmuje zarówno bezpośrednie fizyczne interakcje między polimerazą RNA i rybosomem (kompleksy „ekspresomowe”), jak i indukowane przez rybosom zmiany w strukturze i dostępności interweniującego mRNA, które wpływają na transkrypcję („osłabienie” i „polarność”).

Znaczenie

Bakterie zależą od sprzężenia transkrypcji i translacji w celu zapewnienia integralności genomu , terminacji transkrypcji i kontroli stabilności mRNA . W konsekwencji sztuczne zakłócenie sprzężenia transkrypcja-translacja upośledza kondycję bakterii. Bez sprzężenia integralność genomu jest zagrożona, ponieważ zablokowane kompleksy transkrypcyjne zakłócają replikację DNA i indukują pęknięcia DNA. Brak sprzężenia powoduje przedwczesną terminację transkrypcji, prawdopodobnie z powodu zwiększonego wiązania czynnika terminacji Rho . Degradacja prokariotycznych mRNA jest przyspieszana przez utratę sprzężonej translacji z powodu zwiększonej dostępności miejsc docelowych RNazy E. Sugerowano również, że sprzężenie transkrypcji z translacją jest ważnym mechanizmem zapobiegania tworzeniu się szkodliwych pętli R. Chociaż sprzężenie transkrypcji i translacji jest prawdopodobnie powszechne wśród organizmów prokariotycznych, nie wszystkie gatunki są od niego zależne. W przeciwieństwie do Escherichia coli , u Bacillus subtilis transkrypcja znacznie wyprzedza translację, w związku z czym sprzęganie nie występuje.

Mechanizmy

Translacja sprzyja wydłużaniu transkrypcji i reguluje terminację transkrypcji. Funkcjonalne sprzężenie między transkrypcją a translacją jest spowodowane bezpośrednimi fizycznymi interakcjami między rybosomem a polimerazą RNA („kompleks ekspresyjny”), zależnymi od rybosomów zmianami powstającej drugorzędowej struktury mRNA, które wpływają na aktywność polimerazy RNA (np. zmiany w powstającej dostępności mRNA dla czynnika terminacji transkrypcji Rho („polarność”).

Kompleks ekspresomowy

Ekspresom jest supramolekularnym kompleksem składającym się z polimerazy RNA i końcowego rybosomu połączonego wspólnym transkryptem mRNA. Jest to wspierane przez czynniki transkrypcyjne NusG i NusA, które oddziałują zarówno z polimerazą RNA, jak i rybosomem, łącząc ze sobą kompleksy. Po sprzężeniu przez czynnik transkrypcyjny NusG rybosom wiąże nowo zsyntetyzowany mRNA i zapobiega tworzeniu się drugorzędowych struktur hamujących transkrypcję. Tworzenie kompleksu ekspresomowego wspomaga również wydłużenie transkrypcji przez końcowy rybosom przeciwstawiający się wstecznemu śledzeniu polimerazy RNA. Trójwymiarowe modele kompleksów ekspresomowych polimerazy rybosom-RNA określono za pomocą mikroskopii krioelektronowej.

Atenuacja za pośrednictwem rybosomów

Atenuacja za pośrednictwem rybosomów jest mechanizmem ekspresji genów, w którym sygnał terminacji transkrypcji jest regulowany przez translację. Atenuacja zachodzi na początku niektórych operonów prokariotycznych w sekwencjach zwanych „atenuatorami”, które zidentyfikowano w operonach kodujących enzymy biosyntezy aminokwasów, enzymy biosyntezy pirymidyn i czynniki oporności na antybiotyki. Tłumik działa poprzez zestaw elementów sekwencji mRNA, które koordynują status translacji do sygnału terminacji transkrypcji:

• Krótka otwarta ramka odczytu kodująca „peptyd liderowy”
• Sekwencja przerwy w transkrypcji
• „Region kontrolny”
• Sygnał terminacji transkrypcji

Po transkrypcji początku otwartej ramki odczytu lidera, polimeraza RNA zatrzymuje się z powodu fałdowania powstającego mRNA. To zaprogramowane zatrzymanie transkrypcji daje czas na rozpoczęcie translacji peptydu liderowego i wznowienie transkrypcji po połączeniu z translacją. Dalszy „region kontrolny” moduluje następnie szybkość wydłużania rybosomu lub polimerazy RNA. Czynnik determinujący to zależy od funkcji dalszych genów (np. operon kodujący enzymy biorące udział w syntezie histydyny zawiera szereg kodonów histydynowych jest regionem kontrolnym). Rolą regionu kontrolnego jest modulowanie, czy transkrypcja pozostaje sprzężona z translacją w zależności od stanu komórkowego (np. niska dostępność histydyny spowalnia translację prowadząc do rozprzęgania, podczas gdy wysoka dostępność histydyny umożliwia wydajną translację i utrzymuje sprzężenie). Na koniec transkrybowana jest sekwencja terminatora transkrypcji. To, czy transkrypcja jest sprzężona z translacją, określa, czy zatrzymuje to transkrypcję. Terminator wymaga fałdowania mRNA, a poprzez rozwijanie struktur mRNA rybosom wybiera utworzenie jednej z dwóch alternatywnych struktur: terminatora lub konkurencyjnego fałdu określanego jako „antyterminator”.

W przypadku operonów biosyntezy aminokwasów pozwalają one maszynerii ekspresji genów wyczuć obfitość aminokwasów wytwarzanych przez kodowane enzymy i odpowiednio dostosować poziom ekspresji genów w dół: transkrypcja zachodzi tylko wtedy, gdy obfitość aminokwasów jest niska, a zapotrzebowanie na enzymów jest zatem wysoka. Przykłady obejmują operony biosyntetyczne histydyny ( his ) i tryptofanu ( trp ).

Termin „tłumienie” został wprowadzony w celu opisania jego operonu. Chociaż jest zwykle używany do opisywania operonów biosyntezy aminokwasów i innych metabolitów, zaprogramowana terminacja transkrypcji, która nie występuje na końcu genu, została po raz pierwszy zidentyfikowana w fagu λ . Odkrycie atenuacji było znaczące, ponieważ stanowiło mechanizm regulacyjny odrębny od represji . Operon trp jest regulowany zarówno przez atenuację, jak i represję i był pierwszym dowodem na to, że mechanizmy regulacji ekspresji genów mogą się nakładać lub być zbędne.

Biegunowość

„Polarność” to mechanizm ekspresji genów, w którym transkrypcja kończy się przedwcześnie z powodu utraty sprzężenia między transkrypcją a translacją. Transkrypcja wyprzedza translację, gdy rybosom zatrzymuje się lub napotyka przedwczesny kodon stop . Pozwala to czynnikowi terminacji transkrypcji Rho na wiązanie mRNA i zakończenie syntezy mRNA. W konsekwencji geny znajdujące się poniżej operonu nie podlegają transkrypcji, a zatem nie ulegają ekspresji. Biegunowość służy jako kontrola jakości mRNA, umożliwiając przedwczesną terminację niewykorzystanych transkryptów zamiast ich syntezy i degradacji.

Termin „biegunowość” został wprowadzony, aby opisać obserwację, że kolejność genów w operonie jest ważna: mutacja nonsensowna w genie znajdującym się powyżej wpływa na transkrypcję genów położonych poniżej. Ponadto pozycja mutacji nonsensownej w górnym genie moduluje „stopień polarności”, przy czym mutacje nonsensowne na początku genów w górę wywierają silniejszą polarność (bardziej zmniejszona transkrypcja) na geny w dół.

W przeciwieństwie do mechanizmu atenuacji, który obejmuje wewnętrzną terminację transkrypcji w dobrze zdefiniowanych zaprogramowanych miejscach, polaryzacja jest zależna od Rho , a terminacja zachodzi w zmiennej pozycji.

Odkrycie

Potencjał wzajemnej regulacji transkrypcji i translacji został rozpoznany przez zespół Marshalla Nirenberga, który odkrył, że procesy te są fizycznie połączone poprzez tworzenie kompleksu DNA-rybosom. W ramach wysiłków grupy Nirenberga mających na celu określenie kodu genetycznego leżącego u podstaw syntezy białek, byli oni pionierami wykorzystania bezkomórkowych reakcji syntezy białek in vitro. Analiza tych reakcji wykazała, że ​​synteza białka jest zależna od mRNA, a sekwencja mRNA ściśle określa sekwencję produktu białkowego. Za tę pracę nad złamaniem kodu genetycznego Nirenberg został wspólnie uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1968 r. Po ustaleniu, że transkrypcja i translacja są ze sobą powiązane biochemicznie (translacja zależy od produktu transkrypcji), pozostało otwarte pytanie, czy są one połączone fizycznie - czy nowo zsyntetyzowany mRNA uwalnia się z DNA przed jego translacją, czy też translacja może zachodzić równolegle z transkrypcją. Mikrografie elektronowe barwionych reakcji syntezy białek bez komórek ujawniły rozgałęzione zespoły, w których ciągi rybosomów są połączone z centralnym włóknem DNA. DNA wyizolowane z komórek bakteryjnych współosadza się z rybosomami, co dodatkowo potwierdza wniosek, że transkrypcja i translacja zachodzą razem. Na tych wczesnych mikrografiach można zaobserwować bezpośredni kontakt między rybosomami a polimerazą RNA. Potencjał jednoczesnej regulacji transkrypcji i translacji na tym skrzyżowaniu został zauważony w pracy Nirenberga już w 1964 roku.