Аттенюатор (генетика)

В генетике , аттенуация является регуляторным механизмом некоторых бактериальных оперонов приводящим к преждевременному прекращению транскрипции . Канонический пример затухания, используемый во многих вводных учебниках по генетике, ^{[ 1 ]} Это рибосомо-опосредованное ослабление trp оперона . Опосредованное рибосомами ослабление оперона trp основано на том факте, что у бактерий транскрипция и трансляция происходят одновременно. В аттенюации используется сигнал временной остановки (аттенюатор), расположенный в сегменте ДНК, соответствующем лидерной последовательности мРНК. Во время аттенюации рибосома останавливается (задерживается) в области аттенюатора лидера мРНК. В зависимости от метаболических условий аттенюатор либо останавливает транскрипцию в этот момент, либо обеспечивает считывание структурной генной части мРНК и синтез соответствующего белка.

Аттенуация является регуляторной особенностью, обнаруженной у архей и бактерий, вызывающей преждевременное прекращение транскрипции . ^{[ 2 ]} Аттенюаторы представляют собой 5'- цис- действующие регуляторные области, которые складываются в одну из двух альтернативных структур РНК, определяющих успех транскрипции. ^{[ 3 ]} Складывание модулируется сенсорным механизмом, производящим либо Rho-независимый терминатор , что приводит к прерыванию транскрипции и нефункциональному продукту РНК; или антитерминаторную структуру, приводящую к образованию функционального транскрипта РНК. В настоящее время существует множество эквивалентных примеров, когда трансляция, а не транскрипция, завершается путем секвестрации последовательности Шайна-Дальгарно (сайт связывания рибосом) в структуре шпильки-петли. Хотя они не соответствуют предыдущему определению (транскрипционного) затухания, теперь они считаются вариантами одного и того же явления. ^{[ 3 ]} и включены в эту статью. Аттенуация — это древняя регуляторная система, преобладающая у многих видов бактерий, обеспечивающая быструю и чувствительную регуляцию генных оперонов и обычно используемая для репрессии генов в присутствии их собственного продукта (или нижестоящего метаболита). ^{[ 3 ]}

Классы аттенюаторов

Аттенюаторы можно классифицировать по типу молекулы, вызывающей изменение структуры РНК. Вполне вероятно, что механизмы ослабления транскрипции развились рано, возможно, еще до разделения архей и бактерий, и с тех пор эволюционировали, используя ряд различных чувствительных молекул (было обнаружено, что оперон биосинтеза триптофана использует три разных механизма в разных организмах). ^{[ 2 ]}

Ослабление, опосредованное рибосомами

В этой ситуации РНК-полимераза зависит от (отстающей) активности рибосом; если рибосома останавливается из-за недостаточно заряженной тРНК, то предпочтение отдается антитерминаторной структуре. Пример канонического аттенюатора trp использует оперона этот механизм в E. coli . Подобные регуляторные механизмы были обнаружены во многих оперонах биосинтеза аминокислот. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Ослабление, опосредованное малыми молекулами (рибопереключатели)

Последовательности рибопереключателя (в лидерном транскрипте мРНК) связывают такие молекулы, как аминокислоты, нуклеотиды, сахара, витамины, ионы металлов и другие небольшие лиганды. ^{[ 3 ]} которые вызывают конформационные изменения мРНК. Большинство этих аттенюаторов являются ингибирующими и используются генами биосинтетических ферментов или транспортеров. ^{[ 3 ]} экспрессия которых обратно пропорциональна концентрации их соответствующих метаболитов. Пример: биосинтез кобаламина, циклический переключатель AMP-GMP, биосинтез лизина, биосинтез глицина, переключатель фторида и т. д.

Т-боксы

Эти элементы связываются специфическими незаряженными тРНК и модулируют экспрессию соответствующих оперонов аминоацил-тРНК-синтетазы. ^{[ 2 ]} Высокие уровни незаряженной тРНК способствуют образованию антитерминаторной последовательности, что приводит к увеличению концентрации заряженной тРНК. Некоторые считают, что это отдельное семейство рибопереключателей. ^{[ 6 ]} но значительно сложнее, чем аттенюаторы предыдущего класса.

Белково-опосредованное затухание

Взаимодействия белок-РНК могут предотвратить или стабилизировать образование антитерминаторной структуры. ^{[ 2 ]} .. Карима Эрик Дискавери

РНК-термометры

Образование петель, зависящих от температуры, вносит температурную зависимость в экспрессию нижестоящих оперонов. Все такие элементы действуют зависимым от трансляции образом, контролируя доступность последовательности Шайна-Дальгарно, например, экспрессию островов патогенности некоторых бактерий при попадании в хозяина. ^{[ 3 ]}^{[ 7 ]} Недавние данные предсказывают существование температурно-зависимых альтернативных вторичных структур (включая Rho-независимые терминаторы) выше белков холодового шока в E. coli . ^{[ 3 ]}

Открытие

Аттенуация впервые наблюдалась Чарльзом Янофски в trp-опероне E. coli . ^{[ 8 ]} Первое наблюдение было связано с двумя отдельными научными фактами. Мутации, которые выключали ген trp R (репрессор), все же демонстрировали некоторую регуляцию оперона trp (эти мутанты не были полностью индуцированы/репрессированы триптофаном). Общий диапазон регуляции оперона trp составляет около 700 X (вкл./выкл.). Когда репрессор trp был нокаутирован, регуляция все еще сохранялась примерно в 10 раз за счет отсутствия или присутствия trp. Когда была определена последовательность начала оперона trp, была обнаружена необычная открытая рамка считывания (ORF), непосредственно предшествующая ORF для известных структурных генов ферментов биосинтеза триптофана. Общая структурная информация, показанная ниже, была получена из последовательности оперона trp.

Во-первых, Янофски заметил, что ORF содержит два тандемных кодона Trp, а процентный состав белка Trp примерно в 10 раз превышает норму. Во-вторых, мРНК в этом регионе содержала области диадной симметрии, что позволяло ей образовывать две взаимоисключающие вторичные структуры. Одна из структур выглядела точно так же, как сигнал терминации rho-независимой транскрипции. Другая вторичная структура, если бы она сформировалась, предотвратила бы формирование этой вторичной структуры и, следовательно, терминатора. Эта другая структура называется «превентором».

Оперон trp

Примером может служить trp ген у бактерий . Когда в этом регионе высокий уровень триптофана , бактериям неэффективно синтезировать больше. Когда РНК-полимераза связывается и транскрибирует ген trp , рибосома начинает трансляцию. (Это отличается от эукариотических клеток, где РНК должна покинуть ядро до начала трансляции.) Последовательность аттенюатора, которая расположена между лидерной последовательностью мРНК (5'- UTR ) и последовательностью гена оперона trp, содержит четыре домена, где домен 3 может спариваться. с доменом 2 или доменом 4.

Последовательность аттенюатора в домене 1 содержит инструкцию для синтеза пептидов , для которого необходимы триптофаны. Высокий уровень триптофана позволит рибосомам транслировать домены 1 и 2 последовательности аттенюатора, позволяя доменам 3 и 4 сформировать шпильку, что приводит к прекращению транскрипции оперона trp. Поскольку гены, кодирующие белок, не транскрибируются из-за независимой от rho терминации , триптофан не синтезируется.

Напротив, низкий уровень триптофана означает, что рибосома останавливается в домене 1, в результате чего домены 2 и 3 образуют другую шпильчную структуру, которая не сигнализирует о прекращении транскрипции. Следовательно, остальная часть оперона будет транскрибирована и транслирована, чтобы можно было производить триптофан. Таким образом, домен 4 является аттенюатором. Без домена 4 трансляция может продолжаться независимо от уровня триптофана. ^{[ 9 ]} Кодоны аттенюаторной последовательности транслируются в лидерный пептид, но не являются частью последовательности гена оперона trp. Аттенюатор дает доменам последовательности аттенюатора больше времени для формирования петель, но не производит белок, который используется в более позднем синтезе триптофана.

Затухание — второй механизм отрицательной обратной связи в опероне trp. TrpR В то время как репрессор снижает транскрипцию в 70 раз, аттенуация может еще больше снизить ее в 10 раз, что позволяет накапливать репрессию примерно в 700 раз. Затухание становится возможным благодаря тому, что у прокариот (у которых нет ядра) рибосомы начинают трансляцию мРНК, в то время как РНК-полимераза все еще транскрибирует последовательность ДНК. Это позволяет процессу трансляции напрямую влиять на транскрипцию оперона.

В начале транскрибируемых генов оперона trp находится последовательность из 140 нуклеотидов, называемая лидерным транскриптом (trpL). Этот транскрипт включает четыре короткие последовательности, обозначенные 1–4. Последовательность 1 частично комплементарна последовательности 2, которая частично комплементарна последовательности 3, которая частично комплементарна последовательности 4. Таким образом, могут образовываться три отдельные вторичные структуры (шпильки): 1–2, 2–3 или 3–4. Гибридизация цепей 1 и 2 с образованием структуры 1–2 предотвращает образование структуры 2–3, а образование 2–3 предотвращает образование 3–4. Структура 3–4 представляет собой последовательность терминации транскрипции: как только она образуется, РНК-полимераза отделяется от ДНК, и транскрипция структурных генов оперона не происходит.

Часть лидерного транскрипта кодирует короткий полипептид из 14 аминокислот, называемый лидерным пептидом. Этот пептид содержит два соседних остатка триптофана, что необычно, поскольку триптофан — довольно редкая аминокислота (примерно один из ста остатков в типичном белке E. coli — это триптофан). Если рибосома попытается транслировать этот пептид при низком уровне триптофана в клетке, она остановится на любом из двух кодонов trp. Пока он остановлен, рибосома физически экранирует последовательность 1 транскрипта, тем самым не позволяя ей сформировать вторичную структуру 1-2. Последовательность 2 затем может гибридизоваться с последовательностью 3 с образованием структуры 2-3, которая затем предотвращает образование концевой шпильки 3-4. РНК-полимераза может продолжать транскрипцию всего оперона. Если уровень триптофана в клетке высок, рибосома будет транслировать весь лидерный пептид без перерыва и остановится только во время терминации трансляции на стоп-кодоне. В этот момент рибосома физически защищает обе последовательности 1 и 2. Таким образом, последовательности 3 и 4 могут образовывать структуру 3-4, которая завершает транскрипцию. В результате оперон будет транскрибироваться только тогда, когда триптофан недоступен для рибосомы, в то время как транскрипт trpL экспрессируется конститутивно.

Чтобы гарантировать, что рибосома связывается и начинает трансляцию лидерного транскрипта сразу после его синтеза, в последовательности trpL существует сайт паузы. Достигнув этого сайта, РНК-полимераза приостанавливает транскрипцию и, по-видимому, ожидает начала трансляции. Этот механизм позволяет синхронизировать транскрипцию и трансляцию, что является ключевым элементом аттенуации.

Подобный механизм ослабления регулирует синтез гистидина , фенилаланина и треонина .

Механизм trp оперона

Предполагаемый механизм того, как эта вторичная структура мРНК и лидерный пептид trp могут регулировать транскрипцию ферментов биосинтеза trp, включает следующее.

РНКП инициирует транскрипцию промотора trp.
РНКП останавливается примерно на 90-м нуклеотиде во вторичной структуре (?первой, показанной выше?).
Рибосомы взаимодействуют с этой зарождающейся мРНК и инициируют трансляцию лидерного пептида.
- Затем РНКП «освобождается» от паузы и продолжает транскрипцию.
Когда РНКП достигает области потенциального терминатора, ее продолжение или нет зависит от положения рибосомы, «тянущейся позади».
- Если рибосома останавливается на тандемных кодонах Trp в ожидании соответствующей тРНК, область 1 секвестрируется внутри рибосомы и, таким образом, не может образовывать пару оснований с областью 2. Это означает, что области 2 и 3 становятся спаренными до того, как область 4 может быть транскрибирована. Это заставляет область 4 стать одноцепочечной, предотвращая образование терминаторной структуры области 3/4. Транскрипция продолжится.
- Если рибосома без колебаний транслирует лидерный пептид, она затем покрывает часть области 2, предотвращая спаривание оснований с областью 3. Затем, когда область 4 транскрибируется, она образует стебель и петлю с областью 3, и транскрипция завершается, генерируя ок. 140 базовый транскрипт.
Этот механизм контроля измеряет количество доступной заряженной Trp-тРНК.

Расположение рибосом определяет, какие альтернативные вторичные структуры образуются.

Другие опероны, контролируемые затуханием

Открытие этого типа механизма контроля экспрессии генов в биосинтетическом опероне привело к его идентификации в широком спектре таких оперонов, для которых репрессоры никогда не были обнаружены. Например:

Оперон	Лидерный пептид	Статья
Гистидин	MTRVQFKHHHHHHHPD остановка	Лидер гистидинового оперона
Треонин	остановка MKRISTTITTTITITTGNGAG	Лидер треонинового оперона
Ilv (GEDA)	остановка MTALLRVISLVVISVVVIIIPPCGAALGRGKA
IlvB	МТЦМЛНАКЛЛПТАПСААВВВВРВВВВВГНАП остановка
Лейцин	MSHIVRFTGLLLLNAFIVRGRPVGGIQH остановка	Лидер лейцинового оперона / мотив лидерной РНК Lactis-leu-phe
Фенилаланин	МХИПФФФФФФФП остановка	Мотив лидерной РНК Lactis-leu-phe

Аттенуация у эукариот

Хотя механизм аттенуации, который включает трансляцию во время транскрипции, подобно механизму оперона trp (и некоторых других оперонов биосинтеза аминокислот), не будет работать у эукариот, есть доказательства аттенуации у эукариот . ^{[ 10 ]} Исследования, проведенные по процессингу микроРНК, предоставили доказательства аттенуации эукариот; после котранскрипционного эндонуклеолитического расщепления Дроша 5'->3'-экзонуклеазой XRN2 может прекращать дальнейшую транскрипцию по торпедному механизму.

Ссылки

^ Клуг, Уильям С. (2019). Понятия генетики . Майкл Р. Каммингс, Шарлотта А. Спенсер, Майкл Анджело Палладино, Даррелл Киллиан (Двенадцатое изд.). Нью-Йорк. ISBN 978-0-13-460471-8 . OCLC 1006533149 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Мерино Э., Янофски С. (2005). «Аттенуация транскрипции: высококонсервативная стратегия регулирования, используемая бактериями». Тенденции Жене 21 : 260–4.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Навиль М., Готре Д. (2009). «Аттенуация транскрипции у бактерий: тема и вариации». Брифинги по функциональной геномике 9 (2): 178-189.
^ Ландик, Р., Тернбоу, К.Л., Яновский, К. (1996) Ослабление транскрипции. в Escherichia coli и сальмонелле . Клеточная и молекулярная биология (Ф. К. Нейдхардт, ред.), стр. 1263–1286. Американское общество микробиологии Press, Вашингтон, округ Колумбия
^ Витрещак, Алексей Георгиевич; Любецкая Елена Владимировна; Ширшин Максим А.; Гельфанд Михаил С.; Любецкий, Василий А. (май 2004 г.). «Регуляция аттенуации оперонов биосинтеза аминокислот у протеобактерий: сравнительный геномный анализ» . Письма FEMS по микробиологии . 234 (2): 357–370. дои : 10.1111/j.1574-6968.2004.tb09555.x . ПМИД 15135544 .
^ Гутье́ррес-Пресиадо А., Хенкин Т.М., Гранди Ф.Дж. и др . (2009). «Биохимические особенности и функциональные последствия механизма регуляции Т-бокса на основе РНК». Микробиол Мол Биол Рев (73): 36–61.
^ Нарберхаус Ф, Вальдмингхаус Т, Чоудхури С (2006). «РНК-термометры». FEMS Microbiol Rev (30): 3–16.
^ К. Янофски, «Ослабление контроля экспрессии бактериальных оперонов», Nature 289:751 (1981)
^ «Экспрессия прокариотических генов» . Архивировано из оригинала 18 февраля 2006 года . Проверено 1 марта 2006 г.
^ Татомер, Дейдра К.; Вилуш, Джереми Э. (2019). «Ослабление экспрессии генов, кодирующих эукариотические белки, посредством преждевременного прекращения транскрипции» . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 84 : 83–93. дои : 10.1101/sqb.2019.84.039644 . ISSN 0091-7451 . ПМИД 32086332 .

Бытие VI, стр. 374–380.
М. Балларино, «Совместный процессинг РНК и транскрипция межгенных первичных микроРНК», МОЛЕКУЛЯРНАЯ И КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ, октябрь 2009 г., стр. 5632–5638

[1] Клуг, Уильям С. (2019). Понятия генетики . Майкл Р. Каммингс, Шарлотта А. Спенсер, Майкл Анджело Палладино, Даррелл Киллиан (Двенадцатое изд.). Нью-Йорк. ISBN 978-0-13-460471-8 . OCLC 1006533149 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[Merino2005-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Мерино Э., Янофски С. (2005). «Аттенуация транскрипции: высококонсервативная стратегия регулирования, используемая бактериями». Тенденции Жене 21 : 260–4.

[Naville2010-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Навиль М., Готре Д. (2009). «Аттенуация транскрипции у бактерий: тема и вариации». Брифинги по функциональной геномике 9 (2): 178-189.

[4] Ландик, Р., Тернбоу, К.Л., Яновский, К. (1996) Ослабление транскрипции. в Escherichia coli и сальмонелле . Клеточная и молекулярная биология (Ф. К. Нейдхардт, ред.), стр. 1263–1286. Американское общество микробиологии Press, Вашингтон, округ Колумбия

[5] Витрещак, Алексей Георгиевич; Любецкая Елена Владимировна; Ширшин Максим А.; Гельфанд Михаил С.; Любецкий, Василий А. (май 2004 г.). «Регуляция аттенуации оперонов биосинтеза аминокислот у протеобактерий: сравнительный геномный анализ» . Письма FEMS по микробиологии . 234 (2): 357–370. дои : 10.1111/j.1574-6968.2004.tb09555.x . ПМИД 15135544 .

[6] Гутье́ррес-Пресиадо А., Хенкин Т.М., Гранди Ф.Дж. и др . (2009). «Биохимические особенности и функциональные последствия механизма регуляции Т-бокса на основе РНК». Микробиол Мол Биол Рев (73): 36–61.

[Narberhaus2006-7] Нарберхаус Ф, Вальдмингхаус Т, Чоудхури С (2006). «РНК-термометры». FEMS Microbiol Rev (30): 3–16.

[Yanofsky-8] К. Янофски, «Ослабление контроля экспрессии бактериальных оперонов», Nature 289:751 (1981)

[9] «Экспрессия прокариотических генов» . Архивировано из оригинала 18 февраля 2006 года . Проверено 1 марта 2006 г.

[10] Татомер, Дейдра К.; Вилуш, Джереми Э. (2019). «Ослабление экспрессии генов, кодирующих эукариотические белки, посредством преждевременного прекращения транскрипции» . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 84 : 83–93. дои : 10.1101/sqb.2019.84.039644 . ISSN 0091-7451 . ПМИД 32086332 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]