Сопряжение транскрипции и трансляции
Механизм регуляции экспрессии генов

Сопряжение транскрипции и трансляции — это механизм регуляции экспрессии генов , при котором синтез мРНК ( транскрипция ) зависит от ее параллельного декодирования ( трансляции ). У прокариот мРНК транслируются во время транскрипции. Это обеспечивает связь между РНК-полимеразой , мультисубъединичным ферментом, катализирующим транскрипцию, и рибосомой , катализирующей трансляцию. Сопряжение включает как прямые физические взаимодействия между РНК-полимеразой и рибосомой (комплексы «экспрессом»), так и вызванные рибосомой изменения структуры и доступности промежуточной мРНК, которые влияют на транскрипцию («ослабление» и «полярность»). [1] [2] [3]

Значение

Бактерии зависят от связи транскрипции и трансляции для целостности генома , прекращения транскрипции и контроля стабильности мРНК . Следовательно, искусственное нарушение связи транскрипции и трансляции ухудшает приспособленность бактерий. Без связи целостность генома нарушается, поскольку остановленные транскрипционные комплексы мешают репликации ДНК и вызывают разрывы ДНК. [4] Отсутствие связи приводит к преждевременной терминации транскрипции, вероятно, из-за повышенного связывания фактора терминации Rho . [5] Деградация прокариотических мРНК ускоряется из-за потери связанной трансляции из-за повышенной доступности целевых участков РНКазы E. [ 6] Также было высказано предположение, что связь транскрипции с трансляцией является важным механизмом предотвращения образования вредных R-петель . [7] Хотя связь транскрипции и трансляции, вероятно, распространена среди прокариотических организмов, не все виды зависят от нее. В отличие от Escherichia coli , у Bacillus subtilis транскрипция значительно опережает трансляцию, и, следовательно, связь не происходит. [8]

Механизмы

Трансляция способствует удлинению транскрипции и регулирует терминацию транскрипции. Функциональная связь между транскрипцией и трансляцией вызвана прямыми физическими взаимодействиями между рибосомой и РНК-полимеразой («комплекс экспрессома»), рибосомо-зависимыми изменениями вторичной структуры зарождающейся мРНК, которые влияют на активность РНК-полимеразы (например, «ослабление»), и рибосомо-зависимыми изменениями доступности зарождающейся мРНК для фактора терминации транскрипции Rho («полярность»).

Экспрессомный комплекс

Экспрессом представляет собой супрамолекулярный комплекс, состоящий из РНК-полимеразы и отстающей рибосомы, связанных общим транскриптом мРНК. Он поддерживается факторами транскрипции NusG и NusA, которые взаимодействуют как с РНК-полимеразой, так и с рибосомой, соединяя комплексы вместе. [9] [10] [11] При соединении с фактором транскрипции NusG рибосома связывает вновь синтезированную мРНК и предотвращает образование вторичных структур, которые ингибируют транскрипцию. [9] Образование комплекса экспрессома также способствует удлинению транскрипции отстающей рибосомой, противостоящей обратному отслеживанию РНК-полимеразы. [12] [13] Трехмерные модели комплексов экспрессома рибосома-РНК-полимераза были определены с помощью криоэлектронной микроскопии. [14] [10] [11] [9]

Ослабление, опосредованное рибосомой

Ослабление, опосредованное рибосомой, представляет собой механизм экспрессии генов, в котором сигнал терминации транскрипции регулируется трансляцией. [15] [16] [17] Ослабление происходит в начале некоторых прокариотических оперонов в последовательностях, называемых «аттенюаторами», которые были идентифицированы в оперонах, кодирующих ферменты биосинтеза аминокислот, ферменты биосинтеза пиримидинов и факторы устойчивости к антибиотикам. Аттенюатор функционирует через набор элементов последовательности мРНК, которые координируют статус трансляции с сигналом терминации транскрипции:

  • Короткая открытая рамка считывания, кодирующая «лидерный пептид»
  • Последовательность пауз транскрипции
  • «Контрольная область»
  • Сигнал терминации транскрипции

После транскрипции начала открытой рамки считывания лидера РНК-полимераза останавливается из-за сворачивания зарождающейся мРНК. Эта запрограммированная остановка транскрипции дает время для начала трансляции лидерного пептида и возобновления транскрипции после сопряжения с трансляцией. Затем нижестоящий «контрольный регион» модулирует скорость удлинения либо рибосомы, либо РНК-полимеразы. Фактор, определяющий это, зависит от функции нижестоящих генов (например, оперон, кодирующий ферменты, участвующие в синтезе гистидина, содержит ряд кодонов гистидина, является контрольным регионом). Роль контрольного региона заключается в модулировании того, остается ли транскрипция связанной с трансляцией в зависимости от состояния клетки (например, низкая доступность гистидина замедляет трансляцию, что приводит к расцеплению, в то время как высокая доступность гистидина обеспечивает эффективную трансляцию и поддерживает сцепление). Наконец, транскрибируется последовательность терминатора транскрипции. Связана ли транскрипция с трансляцией, определяет, останавливает ли это транскрипцию. Терминатор требует сворачивания мРНК, и, раскручивая структуры мРНК, рибосома выбирает формирование одной из двух альтернативных структур: терминатора или конкурирующей складки, называемой «антитерминатором».

Для оперонов биосинтеза аминокислот они позволяют механизму экспрессии генов определять обилие аминокислот, производимых кодируемыми ферментами, и соответствующим образом корректировать уровень экспрессии нижестоящих генов: транскрипция происходит только в том случае, если обилие аминокислот низкое, а потребность в ферментах, следовательно, высокая. Примерами служат биосинтетические опероны гистидина ( his ) [18] [19] и триптофана ( trp ) [20] .

Термин «аттенуация» был введен для описания his - оперона. [18] Хотя он обычно используется для описания оперонов биосинтеза аминокислот и других метаболитов, запрограммированная терминация транскрипции, которая не происходит в конце гена, была впервые обнаружена в λ-фаге . [21] Открытие аттенуации было важным, поскольку оно представляло собой регуляторный механизм, отличный от репрессии . [22] [23] Оперон trp регулируется как аттенуацией, так и репрессией и стал первым доказательством того, что механизмы регуляции экспрессии генов могут перекрываться или быть избыточными. [17]

Полярность

«Полярность» — это механизм экспрессии генов, при котором транскрипция преждевременно завершается из-за потери связи между транскрипцией и трансляцией. Транскрипция опережает трансляцию, когда рибосома останавливается [ требуется цитата ] или сталкивается с преждевременным стоп-кодоном . [24] Это позволяет фактору терминации транскрипции Rho связывать мРНК и завершать синтез мРНК. Следовательно, гены, которые находятся ниже по течению в опероне, не транскрибируются и, следовательно, не экспрессируются. Полярность служит контролем качества мРНК, позволяя преждевременно завершать неиспользованные транскрипты, а не синтезировать и деградировать. [25]

Термин «полярность» был введен для описания наблюдения, что порядок генов в опероне важен: бессмысленная мутация в гене, расположенном выше по течению, влияет на транскрипцию генов, расположенных ниже по течению. [24] Более того, положение бессмысленной мутации в гене, расположенном выше по течению, модулирует «степень полярности», при этом бессмысленные мутации в начале генов, расположенных выше по течению, оказывают более сильную полярность (более сниженную транскрипцию) на гены, расположенные ниже по течению.

В отличие от механизма ослабления, который подразумевает внутреннюю остановку транскрипции в четко определенных запрограммированных участках, полярность зависит от Rho , и остановку можно осуществить в различных положениях.

Открытие

Потенциал транскрипции и трансляции регулировать друг друга был признан группой Маршалла Ниренберга, который обнаружил, что эти процессы физически связаны посредством образования комплекса ДНК-рибосома. [26] [27] В рамках усилий группы Ниренберга по определению генетического кода, лежащего в основе синтеза белка, они стали пионерами в использовании бесклеточных реакций синтеза белка in vitro. Анализ этих реакций показал, что синтез белка зависит от мРНК, и что последовательность мРНК строго определяет последовательность белкового продукта. За эту работу по взлому генетического кода Ниренберг был совместно удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1968 году. Установив, что транскрипция и трансляция связаны биохимически (трансляция зависит от продукта транскрипции), оставался нерешенным вопрос, связаны ли они физически — высвобождается ли вновь синтезированная мРНК из ДНК до того, как она транслируется, или может ли трансляция происходить одновременно с транскрипцией. Электронные микрофотографии окрашенных бесклеточных реакций синтеза белка выявили разветвленные сборки, в которых цепочки рибосом связаны с центральным волокном ДНК. [27] ДНК, выделенная из бактериальных клеток, осаждается вместе с рибосомами, что еще раз подтверждает вывод о том, что транскрипция и трансляция происходят вместе. [26] На этих ранних микрофотографиях можно наблюдать прямой контакт между рибосомами и РНК-полимеразой. [3] Потенциал одновременной регуляции транскрипции и трансляции в этом соединении был отмечен в работе Ниренберга еще в 1964 году. [26]

Ссылки

  1. ^ Арцимович, И. (2018). «Восстановление моста между транскрипцией и трансляцией». Молекулярная микробиология . 108 (5): 467– 472. doi : 10.1111/mmi.13964 . PMC  5980768. PMID  29608805 .
  2. ^ МакГэри К. и Нудлер, Э. (2013). «РНК-полимераза и рибосома: тесная связь». Current Opinion in Microbiology . 16 (2): 112– 117. doi :10.1016/j.mib.2013.01.010. PMC 4066815. PMID 23433801  . 
  3. ^ ab Klaholz, B. (2017). «Рибосома удерживает РНК-полимеразу на пути у бактерий». Trends in Biochemical Sciences . 42 (9): 686– 689. doi :10.1016/j.tibs.2017.07.003. PMID  28801047.
  4. ^ Дутта, Д.; Шаталин, К.; Эпштейн, В.; Готтесман, М.Е. и Нудлер, Э. (2011). «Связывание обратного отслеживания РНК-полимеразы с нестабильностью генома в E. coli». Cell . 146 (4): 533– 543. doi :10.1016/j.cell.2011.07.034. PMC 3160732 . PMID  21854980. 
  5. ^ Чжу, М.; Мори, М.; Хва, Т. и Дай, X. (2019). «Нарушение координации транскрипции-трансляции в Escherichia coli приводит к преждевременному прекращению транскрипции». Nature Microbiology . 4 (12): 2347– 2356. doi :10.1038/s41564-019-0543-1. PMC 6903697 . PMID  31451774. 
  6. ^ Иост, И. и Дрейфус, М. (1995). «Стабильность мРНК Escherichia coli lacZ зависит от одновременности ее синтеза и трансляции». EMBO Journal . 14 (13): 3252– 61. doi :10.1002/j.1460-2075.1995.tb07328.x. PMC 394387. PMID  7542588 . 
  7. ^ Gowrishankar, J. & Harinarayanan, R. (2004). «Почему транскрипция сопряжена с трансляцией у бактерий?». Молекулярная микробиология . 54 (3): 598– 603. doi : 10.1111/j.1365-2958.2004.04289.x . PMID  15491353.
  8. ^ Джонсон, GE; Лаланн, J.; Питерс, ML и Ли, G. (2020). «Функционально несвязанная транскрипция-трансляция в Bacillus subtilis». Nature . 585 (7823): 124– 128. Bibcode :2020Natur.585..124J. doi :10.1038/s41586-020-2638-5. PMC 7483943 . PMID  32848247. 
  9. ^ abc Webster, MW; Takacs, M.; Zhu, C.; Vidmar, V.; Eduljee, A.; Abdelkareem, M. & Weixlbaumer, A. (2020). «Структурная основа связи транскрипции-трансляции и столкновения у бактерий». Science . 369 (6509): 1355– 1359. Bibcode :2020Sci...369.1355W. doi : 10.1126/science.abb5036 . PMID  32820062. S2CID  221222557.
  10. ^ ab O'Reilly, FJ; Xue, L.; Graziadei, A.; Sinn, L.; Lenz, S.; Tegunov, D.; Blötz, C.; Singh, N.; Hagen, W.; Cramer, P.; Stülke, J.; Mahamid, J. & Rappsilber, J. (2020). "Внутриклеточная архитектура активно транскрибирующего-транслирующего экспрессома". Science . 369 (6503): 554– 557. Bibcode :2020Sci...369..554O. doi :10.1126/science.abb3758. hdl : 21.11116/0000-0006-D30E-D . PMC 7115962 . PMID  32732422. 
  11. ^ ab Wang, C.; Молодцов, В.; Фирлар, Э.; Кельбер, Дж.; Блаха, Г.; Су, М. и Эбрайт, Р. Х. (2020). «Структурная основа связи транскрипции и трансляции». Science . 369 (6509): 1359– 1365. Bibcode :2020Sci...369.1359W. doi :10.1126/science.abb5317. PMC 7566311 . PMID  32820061. S2CID  221220008. 
  12. ^ Прошкин, С.; Рахмуни, А. Р.; Миронов, А. и Нудлер, Э. (2010). «Взаимодействие транслирующих рибосом и РНК-полимеразы при удлинении транскрипции». Science . 328 (5977): 504– 508. Bibcode :2010Sci...328..504P. doi :10.1126/science.1184939. PMC 2930199 . PMID  20413502. 
  13. ^ Стивенсон-Джонс, Ф.; Вудгейт, Дж.; Кастро-Роа, Д. и Зенкин, Н. (2020). «Рибосома реактивирует транскрипцию, физически выталкивая РНК-полимеразу из состояния ареста транскрипции». Труды Национальной академии наук . 117 (15): 8462– 8467. Bibcode : 2020PNAS..117.8462S. doi : 10.1073/pnas.1919985117 . PMC 7165469. PMID  32238560 . 
  14. ^ Kohler, R.; Mooney, RA; Mills, DJ; Landick, R. & Cramer, P. (2017). «Архитектура транскрибирующего-транслирующего экспрессома». Science . 356 (6334): 194– 197. Bibcode :2017Sci...356..194K. doi :10.1126/science.aal3059. PMC 5528865 . PMID  28408604. 
  15. ^ Turnbough, CL (2019). «Регуляция экспрессии бактериальных генов путем ослабления транскрипции». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 83 (3). doi : 10.1128/MMBR.00019-19 . PMC 6710462. PMID  31270135 . 
  16. ^ Янофски С (1981). «Ослабление в контроле экспрессии бактериальных оперонов». Nature . 289 (5800): 751– 758. Bibcode :1981Natur.289..751Y. doi :10.1038/289751a0. PMID  7007895. S2CID  4364204.
  17. ^ ab Yanofsky C (2000). «Ослабление транскрипции: когда-то рассматривалось как новая стратегия регулирования». Журнал бактериологии . 182 (1): 1– 8. doi : 10.1128 /jb.182.1.1-8.2000 . PMC 94232. PMID  10613855. 
  18. ^ ab Kasai, T. (1974). "Регуляция экспрессии оперона гистидина в Salmonella typhimurium". Nature . 249 (5457): 523– 527. Bibcode :1974Natur.249..523K. doi :10.1038/249523a0. PMID  4599761. S2CID  472218.
  19. ^ Джонстон, Х. М.; Барнс, В. М.; Чамли, Ф. Г.; Босси, Л. и Рот, Дж. Р. (1980). «Модель регуляции гистидинового оперона сальмонелл». Труды Национальной академии наук . 77 (1): 508–512 . Bibcode : 1980PNAS...77..508J. doi : 10.1073 /pnas.77.1.508 . PMC 348301. PMID  6987654. 
  20. ^ Ландик, Р.; Кэри, Дж. и Янофски, К. (1985). «Трансляция активирует приостановленный транскрипционный комплекс и восстанавливает транскрипцию лидерной области оперона trp». Труды Национальной академии наук . 82 (14): 4663– 4667. Bibcode : 1985PNAS...82.4663L. doi : 10.1073/pnas.82.14.4663 . PMC 390446. PMID  2991886 . 
  21. ^ Луццати, Д. (1970). «Регуляция синтеза экзонуклеазы лямбда: роль продукта гена N и репрессора лямбда». Журнал молекулярной биологии . 49 (2): 515– 519. doi :10.1016/0022-2836(70)90261-5. PMID  4915096.
  22. ^ Singer, CE; Smith, GR; Cortese, R. & Ames, BN (1972). «Мутантная тРНК His неэффективна при репрессии и не имеет двух псевдоуридиновых модификаций». Nature New Biology . 238 (81): 72– 74. doi :10.1038/newbio238072a0. PMID  4558263.
  23. ^ Джексон, EN и Янофски, C. (1973). «Область между оператором и первым структурным геном триптофанового оперона Escherichia coli может иметь регуляторную функцию». Журнал молекулярной биологии . 76 (1): 89– 101. doi :10.1016/0022-2836(73)90082-x. PMID  4578102.
  24. ^ ab Newton, WA; Beckwith, JR; Zipser, D. & Brenner, S. (1965). «Бессмысленные мутанты и полярность в lac опероне Escherichia coli». Журнал молекулярной биологии . 14 (1): 290– 296. doi :10.1016/s0022-2836(65)80250-9. PMID  5327654.
  25. ^ Ричардсон, Дж. П. (1991). «Предотвращение синтеза неиспользуемых транскриптов с помощью Rho-фактора». Cell . 64 (6): 1047– 1049. doi :10.1016/0092-8674(91)90257-y. PMID  2004415. S2CID  38795667.
  26. ^ abc Byrne R (1964). "Формирование комплекса ДНК-рибосома in vitro". Труды Национальной академии наук . 52 (1): 140– 148. Bibcode :1964PNAS...52..140B. doi : 10.1073/pnas.52.1.140 . PMC 300586 . PMID  14192650. 
  27. ^ ab Bladen HA (1965). «Электронно-микроскопическое исследование комплекса ДНК-рибосома, образованного in vitro». Журнал молекулярной биологии . 11 : 78–IN9. doi :10.1016/s0022-2836(65)80172-3. PMID  14255762.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Транскрипционно-переводческая_связь&oldid=1209541230"