Аттенюатор (генетика) - Attenuator (genetics)

В генетика, затухание предлагаемый механизм контроля некоторых бактериальных опероны что приводит к преждевременному прекращению транскрипция и основан на том факте, что у бактерий транскрипция и перевод действовать одновременно. Аттенюация включает временный стоп-сигнал (аттенюатор), расположенный в сегменте ДНК, который соответствует лидерной последовательности мРНК. Во время аттенуации рибосома останавливается (задерживается) в области аттенюатора в лидере мРНК. В зависимости от метаболических условий аттенюатор либо останавливает транскрипцию в этот момент, либо позволяет считывать структурную генную часть мРНК и синтезировать соответствующий белок.

Затухание - это нормативная характеристика Археи и бактерии вызывая преждевременное прекращение транскрипция.^[1] Аттенюаторы 5'-СНГ действующие регуляторные области, которые складываются в одну из двух альтернативных структур РНК, которые определяют успех транскрипции.^[2] Складывание регулируется чувствительным механизмом, производящим либо Ро-независимый терминатор, что приводит к прерыванию транскрипции и нефункциональному продукту РНК; или структура против терминатора, приводящая к функциональному транскрипту РНК. Сейчас есть много эквивалентных примеров, когда перевод, а не транскрипция, завершается секвестированием Последовательность Шайна-Далгарно (сайт связывания рибосом) в структуре шпилька-петля. Хотя они не соответствуют предыдущему определению (транскрипционного) ослабления, теперь они считаются вариантами одного и того же явления.^[2] и включены в эту статью. Аттенуация - это древняя регуляторная система, распространенная у многих видов бактерий, обеспечивающая быструю и чувствительную регуляцию генов. опероны и обычно используется для подавления генов в присутствии их собственного продукта (или последующего метаболита).^[2]

Классы аттенюаторов

Аттенюаторы можно классифицировать по типу молекулы, которая вызывает изменение структуры РНК. Вероятно, что механизмы ослабления транскрипции развились рано, возможно, до разделения архей / бактерий, и с тех пор эволюционировали с использованием ряда различных сенсорных молекул (было обнаружено, что оперон биосинтеза триптофана использует три разных механизма у разных организмов).^[1]

Аттенуация, опосредованная низкими молекулами (рибопереключатели)

Последовательности рибосвитча (в лидерном транскрипте мРНК) связывают молекулы, такие как аминокислоты, нуклеотиды, сахара, витамины, ионы металлов и другие небольшие лиганды^[2] которые вызывают конформационное изменение мРНК. Большинство этих аттенюаторов являются ингибиторами и используются генами биосинтетических ферментов или транспортеров.^[2] экспрессия которых обратно пропорциональна концентрации соответствующих метаболитов. Пример - биосинтез кобаламина, циклическое переключение AMP-GMP, биосинтез лизина, биосинтез глицина, переключение флуоида и т. д.

Т-образные коробки

Эти элементы связаны определенными незаряженными тРНК и модулировать экспрессию соответствующих оперонов аминоацил-тРНК синтетазы.^[1] Высокие уровни незаряженной тРНК способствуют формированию антитерминаторной последовательности, что приводит к увеличению концентрации заряженной тРНК. Некоторые считают их отдельным семейством рибопереключателей.^[3] но они значительно сложнее аттенюаторов предыдущего класса.

Белковое ослабление

Взаимодействия белок-РНК могут предотвращать или стабилизировать образование антимикробной структуры.^[1]

Аттенуация, опосредованная рибосомами

В этой ситуации РНК-полимераза зависит от (отстающей) активности рибосом; если рибосома приостанавливается из-за недостаточного количества заряженной тРНК, то предпочтение отдается антимикробной структуре. Пример канонического аттенюатора то trp оперон использует этот механизм в Кишечная палочка.

Термометры РНК

Температурно-зависимые образования петель привносят температурную зависимость в выражение нижележащих оперонов. Все такие элементы действуют зависимым от трансляции образом, контролируя доступность последовательности Шайна-Дальгарно, например экспрессию островков патогенности некоторых бактерий при попадании в хозяина.^[2]^[4] Недавние данные предсказывают существование зависимых от температуры альтернативных вторичных структур (включая Rho-независимые терминаторы) перед белками холодового шока в Кишечная палочка.^[2]

Открытие

Затухание впервые было замечено Чарльз Янофски в опероне trp Кишечная палочка.^[5] Первое наблюдение было связано с двумя отдельными научными фактами. Мутации, которые приводят к отключению гена trp R (репрессора), все еще демонстрируют 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, все еще получалось примерно 10-кратное регулирование за счет отсутствия или присутствия trp. Когда была определена последовательность начала оперона trp, наблюдалась необычная открытая рамка считывания (ORF), непосредственно предшествующая ORF для известных структурных генов ферментов биосинтеза триптофана. Общая структурная информация, показанная ниже, наблюдалась по последовательности оперона trp.

Во-первых, Янофски заметил, что ORF содержала два тандемных кодона Trp, а процентный состав белка Trp был примерно в 10 раз выше нормы. Во-вторых, мРНК в этой области содержала области диадной симметрии, которые позволяли бы ей образовывать две взаимоисключающие вторичные структуры. Одна из структур выглядела в точности как rho-независимый сигнал терминации транскрипции. Другая вторичная структура, в случае ее образования, предотвратила бы образование этой вторичной структуры и, следовательно, ограничителя. Эта другая структура называется «упреждающим».

В trp оперон

Механизм ослабления транскрипции оперона trp.

Примером может служить trp ген в бактерии. Когда высокий уровень триптофан в этом регионе бактериям неэффективно синтезировать больше. Когда РНК-полимераза связывает и расшифровывает trp ген, рибосома начну переводить. (Это отличается от эукариотических клеток, где РНК должна покинуть ядро до начала трансляции.) Аттенюаторная последовательность, которая расположена между лидерной последовательностью мРНК (5 ' UTR ) и последовательность гена оперона trp, содержит четыре домена, где домен 3 может спариваться с доменом 2 или доменом 4.

Последовательность аттенюатора в области 1 содержит инструкцию для пептид синтез, требующий триптофанов. Высокий уровень триптофана позволит рибосомам транслировать домены 1 и 2 аттенюаторной последовательности, позволяя доменам 3 и 4 формировать структуру шпильки, которая приводит к прекращению транскрипции оперона trp. Поскольку гены, кодирующие белок, не транскрибируются из-за ро независимое прекращение, триптофан не синтезируется.

Напротив, низкий уровень триптофана означает, что рибосома остановится в домене 1, в результате чего домены 2 и 3 образуют другую структуру шпильки, которая не сигнализирует об окончании транскрипции. Следовательно, остальная часть оперона будет расшифрована и переведена, чтобы можно было произвести триптофан. Таким образом, область 4 является аттенюатором. Без домена 4 трансляция может продолжаться независимо от уровня триптофана.^[6] Последовательность аттенюатора транслирует свои кодоны в лидерный пептид, но не является частью последовательности гена оперона trp. Аттенюатор дает больше времени доменам последовательности аттенюатора для образования петлевых структур, но не производит белок, который используется в более позднем синтезе триптофана.

Аттенуация - это второй механизм отрицательной обратной связи в опероне trp. В то время как TrpR репрессор снижает транскрипцию в 70 раз, аттенуация может дополнительно уменьшить ее в 10 раз, что позволяет накопить репрессию примерно в 700 раз. Ослабление стало возможным благодаря тому факту, что у прокариот (у которых нет ядра) рибосомы начинают транслировать 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 нитей 1 и 2 с образованием структуры 1-2 предотвращает образование структуры 2-3, в то время как образование 2-3 предотвращает образование 3-4. Структура 3-4 представляет собой последовательность терминации транскрипции, когда она образует РНК-полимеразу, она 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 необычная аминокислота (примерно один из ста остатков в типичном белке E. coli - триптофан). Если рибосома пытается транслировать этот пептид, в то время как уровни триптофана в клетке низкие, она остановится на любом из двух кодонов trp. Во время остановки рибосома физически экранирует последовательность 1 транскрипта, препятствуя, таким образом, формированию вторичной структуры 1-2. Последовательность 2 затем может гибридизоваться с последовательностью 3 с образованием структуры 2-3, которая затем предотвращает образование шпильки на концах 3-4. РНК-полимераза может продолжать транскрибировать весь оперон. Если уровни триптофана в клетке высоки, рибосома будет транслировать весь лидерный пептид без прерывания и остановится только во время завершения трансляции на стоп-кодоне. В этот момент рибосома физически экранирует обе последовательности 1 и 2. Последовательности 3 и 4, таким образом, могут свободно образовывать структуру 3-4, которая завершает транскрипцию. Конечным результатом является то, что 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, ключевой элемент ослабления.

Подобный механизм ослабления регулирует синтез гистидин, фенилаланин и треонин.

Механизм в trp оперон

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

РНКП инициирует транскрипцию промотора trp.
RNAP останавливается примерно на 90 нуклеотиде вторичной структуры («первая, показанная выше»).
Рибосомы задействуют эту возникающую мРНК и инициируют трансляцию лидерного пептида.
- Затем RNAP «освобождается» от паузы и продолжает транскрипцию.
Когда RNAP достигает области потенциального терминатора, продолжается он или нет, зависит от положения рибосомы, «идущей позади».
- Если рибосома останавливается на тандемных кодонах Trp, ожидая подходящей тРНК, область 1 изолирована внутри рибосомы и, таким образом, не может образовывать пары оснований с областью 2. Это означает, что области 2 и 3 становятся спаренными до того, как область 4 может быть транскрибирована. Это усиливает область 4, когда она сделана однонитевой, предотвращая образование структуры терминатора области 3/4. Транскрипция будет продолжена.
- Если рибосома транслирует лидерный пептид без колебаний, тогда она покрывает часть области 2, предотвращая спаривание ее оснований с областью 3. Затем, когда область 4 транскрибируется, она образует стержень и петлю с областью 3, и транскрипция завершается, генерируя ок. 140 базовых расшифровок.
Этот механизм контроля измеряет количество доступной заряженной Trp-тРНК.

Расположение рибосом определяет, какие альтернативные вторичные структуры образуются.

Другие опероны, контролируемые ослаблением

Открытие этого типа механизма контроля экспрессии генов в биосинтетическом опероне привело к его повторному открытию в большом количестве таких оперонов, для которых репрессоры никогда не были обнаружены. Например:

Оперон	Лидер пептид	Статья
Гистидин	MTRVQFKHHHHHHHPD остановка	Лидер гистидинового оперона
Треонин	MKRISTTITTTITITTGNGAG остановка	Лидер треонинового оперона
Ilv (GEDA)	MTALLRVISLVVISVVVIIIPPCGAALGRGKA остановка
IlvB	MTTSMLNAKLLPTAPSAAVVVVRVVVVVGNAP стоп
Лейцин	MSHIVRFTGLLLLNAFIVRGRPVGGIQH остановить	Лидер лейцинового оперона /Мотив лидерной РНК Lactis-leu-phe
Фенилаланин	MKHIPFFFAFFFTFP стоп	Мотив лидерной РНК Lactis-leu-phe

Затухание у эукариот

Исследования, проведенные по обработке микроРНК, показали наличие процесса аттенуации в Эукариоты. После котранскрипционного эндонуклеолитического расщепления Дроша 5 '-> 3' экзонуклеаза XRN2 может прекратить дальнейшую транскрипцию по торпедному механизму.