Связь транскрипции-трансляции - Transcription-translation coupling

Связь транскрипции-трансляции это механизм регуляция экспрессии генов в котором синтез мРНК (транскрипция ) зависит от его одновременного декодирования (перевод ). В прокариоты, мРНК транслируются, пока они транскрибируются. Это позволяет общаться между РНК-полимераза, мультисубъединичный фермент, который катализирует транскрипцию, и рибосома, который катализирует перевод. Связывание включает как прямые физические взаимодействия между РНК-полимеразой и рибосомой («экспрессомные» комплексы), так и индуцированные рибосомами изменения структуры и доступности промежуточной мРНК, которые влияют на транскрипцию («ослабление» и «полярность»).[1][2][3]

Значимость

Бактерии зависят от сочетания транскрипции и трансляции. целостность генома, прекращение транскрипции и контроль стабильность мРНК. Следовательно, искусственное нарушение сцепления транскрипции-трансляции ухудшает приспособленность бактерий. Без сцепления целостность генома нарушается, поскольку застопорившиеся комплексы транскрипции препятствуют репликации ДНК и вызывают разрывы ДНК.[4] Отсутствие связывания приводит к преждевременной терминации транскрипции, вероятно, из-за повышенного связывания фактора терминации Ро.[5] Деградация прокариотических мРНК ускоряется за счет потери сопряженной трансляции из-за увеличения доступности целевых сайтов РНКаза E.[6] Также было высказано предположение, что соединение транскрипции с трансляцией является важным механизмом предотвращения образования вредных R-петли.[7] Хотя сопряжение транскрипции и трансляции, вероятно, преобладает у прокариотических организмов, не все виды зависят от него. В отличие от Кишечная палочка, в Bacillus subtilis транскрипция значительно опережает трансляцию, и, следовательно, сцепления не происходит.[8]

Механизмы

Трансляция способствует удлинению транскрипции и регулирует терминацию транскрипции. Функциональная связь между транскрипцией и трансляцией вызвана прямым физическим взаимодействием между рибосомой и РНК-полимеразой («комплекс экспрессом»), рибосомозависимыми изменениями во вторичной структуре формирующейся мРНК, которые влияют на активность РНК-полимеразы (например, «аттенуация»), и рибосомозависимыми изменение доступности зарождающейся мРНК для фактора терминации транскрипции Rho («полярность»).

Экспрессомный комплекс

Экспрессом представляет собой супрамолекулярный комплекс, состоящий из РНК-полимеразы и замыкающей рибосомы, связанных общим транскриптом мРНК. Это поддерживается факторами транскрипции NusG и NusA, которые взаимодействуют как с РНК-полимеразой, так и с рибосомой, связывая комплексы вместе.[9][10][11] В сочетании с фактором транскрипции NusG рибосома связывает вновь синтезированную мРНК и предотвращает образование вторичных структур, ингибирующих транскрипцию.[9] Образование комплекса экспрессомов также способствует удлинению транскрипции за счет замыкающей рибосомы, препятствуя обратному отслеживанию РНК-полимеразы.[12][13] Трехмерные модели экспрессомных комплексов рибосома-РНК-полимераза были определены с помощью криоэлектронной микроскопии.[14][10][11][9]

Аттенуация, опосредованная рибосомами

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

  • Короткое открытая рамка чтения кодирует «лидерный пептид»
  • Последовательность паузы транскрипции
  • "Контрольный регион"
  • Сигнал завершения транскрипции

После транскрибирования начала лидерной открытой рамки считывания РНК-полимераза приостанавливается из-за сворачивания растущей мРНК. Эта запрограммированная остановка транскрипции дает время для начала трансляции лидерного пептида и возобновления транскрипции после присоединения к трансляции. Затем нижележащая «контрольная область» модулирует скорость удлинения рибосомы или РНК-полимеразы. Фактор, определяющий это, зависит от функции нижестоящих генов (например, ферменты, кодирующие оперон, участвующие в синтезе гистидина, содержат ряд кодонов гистидина, которые являются контрольной областью). Роль контрольной области состоит в том, чтобы модулировать, остается ли транскрипция связанной с трансляцией, в зависимости от клеточного состояния (например, низкая доступность гистидина замедляет трансляцию, приводя к расцеплению, в то время как высокая доступность гистидина обеспечивает эффективную трансляцию и поддерживает связь). 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 образование любой из двух альтернативных структур: терминатора или конкурирующей складки, называемой «антитерминатором».

Для оперонов биосинтеза аминокислот они позволяют аппарату экспрессии генов определять количество аминокислот, продуцируемых кодируемыми ферментами, и соответствующим образом регулировать уровень экспрессии нижележащих генов: транскрипция происходит только в том случае, если количество аминокислот низкое и потребность в ферменты поэтому высоки. Примеры включают гистидин (его)[18][19] и триптофан (trp)[20] биосинтетические опероны.

Термин «затухание» был введен для описания его оперон.[18] Хотя он обычно используется для описания оперонов биосинтеза аминокислот и других метаболитов, запрограммированное прекращение транскрипции, которое не происходит на конце гена, было впервые идентифицировано в λ фаг.[21] Открытие аттенуации было значительным, поскольку оно представляло регуляторный механизм, отличный от подавление.[22][23] В trp оперон регулируется как ослаблением, так и репрессией, и это было первым доказательством того, что механизмы регуляции экспрессии генов могут перекрываться или дублироваться.[17]

Полярность

«Полярность» - это механизм экспрессии гена, при котором транскрипция преждевременно прекращается из-за потери связи между транскрипцией и трансляцией. Транскрипция опережает перевод, когда рибосома останавливается[24] или встречает преждевременный стоп-кодон.[25] Это позволяет фактору терминации транскрипции Ро для связывания мРНК и прекращения синтеза мРНК. Следовательно, гены, расположенные ниже по течению оперон не транскрибируются и, следовательно, не выражаются. Полярность служит контролем качества мРНК, позволяя преждевременно завершать неиспользуемые транскрипты, а не синтезировать и разрушать.[26]

Термин «полярность» был введен для описания наблюдения, что порядок генов в опероне важен: бессмысленная мутация в вышестоящем гене влияет на транскрипцию нижележащих генов.[25] Более того, положение нонсенс-мутации в вышестоящем гене модулирует «степень полярности», при этом нонсенс-мутации в начале вышестоящих генов оказывают более сильную полярность (более пониженную транскрипцию) нижележащим генам.

В отличие от механизма затухания, который включает внутреннее прекращение транскрипции на четко определенных запрограммированных сайтах, полярность Ро -зависимый и завершение происходит в переменной позиции.

Открытие

Способность транскрипции и трансляции регулировать друг друга была признана командой Маршалла Ниренберга, который обнаружил, что процессы физически связаны через образование комплекса ДНК-рибосома.[27][28] В рамках усилий группы Ниренберга по определению генетического кода, лежащего в основе синтеза белка, они первыми применили бесклеточные реакции 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 (перевод зависит от продукта транскрипции), оставался нерешенным вопрос: связаны физически - независимо от того, высвобождается ли вновь синтезированная мРНК из ДНК перед ее трансляцией, или трансляция может происходить одновременно с транскрипцией. Электронные микрофотографии окрашенных реакций бесклеточного синтеза белка выявили разветвленные сборки, в которых цепочки рибосом связаны с центральным волокном ДНК.[28] ДНК, выделенная из бактериальных клеток, осаждается совместно с рибосомами, что еще раз подтверждает вывод о том, что транскрипция и трансляция происходят вместе.[27] На этих ранних микрофотографиях можно наблюдать прямой контакт между рибосомами и РНК-полимеразой.[3] Возможность одновременной регуляции транскрипции и трансляции на этом стыке была отмечена в работе Ниренберга еще в 1964 году.[27]

Рекомендации

  1. ^ Арцимович, И. (2018). «Восстановление моста между транскрипцией и переводом». Молекулярная микробиология. 108 (5): 467–472. Дои:10,1111 / ммi.13964. ЧВК  5980768. PMID  29608805.
  2. ^ МакГэри К. и Нудлер Э. (2013). «РНК-полимераза и рибосома: тесная взаимосвязь». Текущее мнение в микробиологии. 16 (2): 112–117. Дои:10.1016 / j.mib.2013.01.010. ЧВК  4066815. PMID  23433801.
  3. ^ а б Клахольц, Б. (2017). «Рибосома удерживает РНК-полимеразу в бактериях». Тенденции в биохимических науках. 42 (9): 686–689. Дои:10.1016 / j.tibs.2017.07.003. PMID  28801047.
  4. ^ Dutta, D .; Шаталин, К .; Эпштейн, В .; Готтесман М. Э. и Нудлер Э. (2011). «Связь обратного отслеживания РНК-полимеразы с нестабильностью генома в E. coli». Клетка. 146 (4): 533–543. Дои:10.1016 / j.cell.2011.07.034. ЧВК  3160732. PMID  21854980.
  5. ^ Zhu, M .; Мори, М .; Хва, Т. и Дай, X. (2019). «Нарушение координации транскрипции-трансляции в Escherichia coli приводит к преждевременному прекращению транскрипции». Природная микробиология. 4 (12): 2347–2356. Дои:10.1038 / s41564-019-0543-1. ЧВК  6903697. PMID  31451774.
  6. ^ Иост, И. и Дрейфус, М. (1995). «Стабильность мРНК lacZ Escherichia coli зависит от одновременности ее синтеза и трансляции». EMBO Журнал. 14 (13): 3252–61. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1995.tb07328.x. ЧВК  394387. PMID  7542588.
  7. ^ Гоуришанкар Дж. И Харинараянан Р. (2004). «Почему транскрипция связана с трансляцией у бактерий?». Молекулярная микробиология. 54 (3): 598–603. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2004.04289.x. PMID  15491353.
  8. ^ Johnson, G.E .; Lalanne, J .; Петерс, М. Л. и Ли, Г. (2020). «Функционально несвязанная транскрипция-трансляция в Bacillus subtilis». Природа. 585 (7823): 124–128. Дои:10.1038 / s41586-020-2638-5. ЧВК  7483943. PMID  32848247.
  9. ^ а б c Webster, M. W .; Такач, М .; Zhu, C .; Vidmar, V .; Эдулджи, А .; Абделькарим, М., Вейкслбаумер, А. (2020). «Структурные основы транскрипционно-трансляционного сопряжения и столкновения у бактерий». Наука. 369 (6509): 1355–1359. Дои:10.1126 / science.abb5036. PMID  32820062. S2CID  221222557.
  10. ^ а б О'Рейли, Ф. Дж .; Xue, L .; Graziadei, A .; Sinn, L .; Lenz, S .; Тегунов, Д .; Blötz, C .; Singh, N .; Hagen, W .; Cramer, P .; Stülke, J .; Махамид, Дж. И Раппсилбер, Дж. (2020). «Внутриклеточная архитектура активно транскрибирующего и транслирующего экспрессома». Наука. 369 (6503): 554–557. Bibcode:2020Sci ... 369..554O. Дои:10.1126 / science.abb3758. HDL:21.11116 / 0000-0006-D30E-D. ЧВК  7115962. PMID  32732422.
  11. ^ а б Wang, C .; Молодцов, В .; Фирлар, E .; Kaelber, J .; Blaha, G .; Су, М. и Эбрайт, Р. Х. (2020). «Структурные основы транскрипционно-трансляционного сопряжения». Наука. 369 (6509): 1359–1365. Дои:10.1126 / science.abb5317. PMID  32820061. S2CID  221220008.
  12. ^ Прошкин, С .; Rahmouni, A.R .; Миронов, А., Нудлер, Э. (2010). «Сотрудничество между транслирующими рибосомами и РНК-полимеразой в удлинении транскрипции». Наука. 328 (5977): 504–508. Bibcode:2010Sci ... 328..504P. Дои:10.1126 / science.1184939. ЧВК  2930199. PMID  20413502.
  13. ^ Стивенсон-Джонс, Ф .; Woodgate, J .; Кастро-Роа, Д. и Зенкин, Н. (2020). «Рибосома реактивирует транскрипцию, физически выталкивая РНК-полимеразу из ареста транскрипции». Труды Национальной академии наук. 117 (15): 8462–8467. Дои:10.1073 / pnas.1919985117. ЧВК  7165469. PMID  32238560.
  14. ^ Kohler, R .; Mooney, R.A .; Миллс, Д. Дж .; Ландик Р. и Крамер П. (2017). «Архитектура транскрибирующе-переводящего экспрессома». Наука. 356 (6334): 194–197. Bibcode:2017Научный ... 356..194K. Дои:10.1126 / science.aal3059. ЧВК  5528865. PMID  28408604.
  15. ^ Тернбоу, К. Л. (2019). «Регулирование экспрессии бактериальных генов путем ослабления транскрипции». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 83 (3). Дои:10.1128 / MMBR.00019-19. ЧВК  6710462. PMID  31270135.
  16. ^ Яновский С (1981). «Аттенуация в контроле экспрессии бактериальных оперонов». Природа. 289 (5800): 751–758. Bibcode:1981Натура.289..751л. Дои:10.1038 / 289751a0. PMID  7007895. S2CID  4364204.
  17. ^ а б Яновский С (2000). «Аттенуация транскрипции: когда-то рассматривалась как новая регуляторная стратегия». Природа. 182 (1): 1–8. Дои:10.1128 / jb.182.1.1-8.2000. ЧВК  94232. PMID  10613855.
  18. ^ а б Касаи, Т. (1974). «Регулирование экспрессии оперона гистидина в Salmonella typhimurium». Природа. 249 (5457): 523–527. Bibcode:1974Натура.249..523K. Дои:10.1038 / 249523a0. PMID  4599761. S2CID  472218.
  19. ^ Johnston, H.M .; Barnes, W. M .; Chumley, F.G .; Босси, Л. и Рот, Дж. Р. (1980). «Модель регуляции гистидинового оперона сальмонелл». Труды Национальной академии наук. 77 (1): 508–512. Bibcode:1980PNAS ... 77..508J. Дои:10.1073 / pnas.77.1.508. ЧВК  348301. PMID  6987654.
  20. ^ Landick, R .; Кэри, Дж. И Янофски, К. (1985). «Трансляция активирует приостановленный комплекс транскрипции и восстанавливает транскрипцию лидерной области оперона trp». Труды Национальной академии наук. 82 (14): 4663–4667. Bibcode:1985PNAS ... 82.4663L. Дои:10.1073 / pnas.82.14.4663. ЧВК  390446. PMID  2991886.
  21. ^ Луццати, Д. (1970). «Регулирование синтеза экзонуклеазы лямбда: роль продукта гена N и репрессора лямбда». Журнал молекулярной биологии. 49 (2): 515–519. Дои:10.1016/0022-2836(70)90261-5. PMID  4915096.
  22. ^ Singer, C.E .; Smith, G.R .; Кортезе Р. и Эймс Б. Н. (1972). «Мутантная тРНК His неэффективна при репрессии и лишена двух модификаций псевдоуридина». Природа Новая Биология. 238 (81): 72–74. Дои:10.1038 / newbio238072a0. PMID  4558263.
  23. ^ Джексон, Э. Н. и Янофски, К. (1973). «Область Thr между оператором и первым структурным геном триптофанового оперона Escherichia coli может выполнять регулирующую функцию». Журнал молекулярной биологии. 76 (1): 89–101. Дои:10.1016 / 0022-2836 (73) 90082-х. PMID  4578102.
  24. ^ Elgamal, S .; Арцимович, И .; Ибба, М., Бреннер, С. (1965). «Нонсенс-мутанты и полярность в lac-опероне Escherichia coli». Журнал молекулярной биологии. 14: 290–296. Дои:10.1016 / с0022-2836 (65) 80250-9. PMID  5327654.
  25. ^ а б Newton, W.A .; Beckwith, J. R .; Ципсер Д. и Бреннер С. (1965). «Нонсенс-мутанты и полярность в lac-опероне Escherichia coli». Журнал молекулярной биологии. 14 (1): 290–296. Дои:10.1016 / с0022-2836 (65) 80250-9. PMID  5327654.
  26. ^ Ричардсон, Дж. П. (1991). «Предотвращение синтеза неиспользуемых транскриптов с помощью фактора Rho». Клетка. 64 (6): 1047–1049. Дои:10.1016 / 0092-8674 (91) 90257-у. PMID  2004415. S2CID  38795667.
  27. ^ а б c Бирн Р. (1964). «Формирование комплекса ДНК-рибосома in vitro». Труды Национальной академии наук. 52 (1): 140–148. Bibcode:1964ПНАС ... 52..140Б. Дои:10.1073 / пнас.52.1.140. ЧВК  300586. PMID  14192650.
  28. ^ а б Бладен HA (1965). «Электронно-микроскопическое исследование комплекса ДНК-рибосома, образованного in vitro». Журнал молекулярной биологии. 11: 78 – IN9. Дои:10.1016 / с0022-2836 (65) 80172-3. PMID  14255762.