Transkription-översättningskoppling

Transkriptions-translationskoppling är en mekanism för genuttrycksreglering där syntesen av ett mRNA ( transkription ) påverkas av dess samtidiga avkodning ( translation ). I prokaryoter översätts mRNA medan de transkriberas. Detta möjliggör kommunikation mellan RNA-polymeras , multisubunit-enzymet som katalyserar transkription, och ribosomen, som katalyserar translation. Koppling involverar både direkta fysiska interaktioner mellan RNA-polymeras och ribosomen ("expressom"-komplexen), såväl som ribosominducerade förändringar av strukturen och tillgängligheten av det mellanliggande mRNA:t som påverkar transkriptionen ("attenuation" och "polaritet").

Betydelse

Bakterier är beroende av transkriptions-translationskoppling för genomintegritet , avbrytande av transkription och kontroll av mRNA-stabilitet . Följaktligen försämrar artificiell störning av transkriptions-translationskopplingen bakteriernas kondition. Utan koppling äventyras genomintegriteten eftersom avstannade transkriptionskomplex interfererar med DNA-replikation och inducerar DNA-avbrott. Brist på koppling producerar för tidig transkriptionsterminering, troligen på grund av ökad bindning av termineringsfaktor Rho . Nedbrytning av prokaryota mRNA accelereras genom förlust av kopplad translation på grund av ökad tillgänglighet av målställen för RNase E. Det har också föreslagits att koppling av transkription med translation är en viktig mekanism för att förhindra bildning av skadliga R-slingor . Även om transkriptions-translationskoppling sannolikt är utbredd över prokaryota organismer, är inte alla arter beroende av den. Till skillnad från Escherichia coli överskrider transkriptionen i Bacillus subtilis signifikant translation och koppling sker följaktligen inte.

Mekanismer

Översättning främjar transkriptionsförlängning och reglerar transkriptionsavslutning. Funktionell koppling mellan transkription och translation orsakas av direkta fysiska interaktioner mellan ribosomen och RNA-polymeraset ("expressomkomplexet"), ribosomberoende förändringar i den begynnande mRNA-sekundära strukturen som påverkar RNA-polymerasaktiviteten (t.ex. "attenuering") och ribosomberoende förändringar av begynnande mRNA-tillgänglighet för transkriptionstermineringsfaktor Rho ("polaritet").

Expressomkomplex

Expressomet är ett supramolekylärt komplex bestående av RNA-polymeras och en efterföljande ribosom länkad av ett delat mRNA-transkript. Det stöds av transkriptionsfaktorerna NusG och NusA, som interagerar med både RNA-polymeras och ribosomen för att koppla samman komplexen. När den kopplas med transkriptionsfaktor NusG, binder ribosomen nysyntetiserat mRNA och förhindrar bildning av sekundära strukturer som hämmar transkription. Bildning av ett expressomkomplex underlättar också transkriptionsförlängning genom att den efterföljande ribosomen motsätter sig bakåtspårning av RNA-polymeras. Tredimensionella modeller av ribosom-RNA-polymerasexpressomkomplex har bestämts genom kryo-elektronmikroskopi.

Ribosomförmedlad dämpning

Ribosommedierad försvagning är en genuttrycksmekanism i vilken en transkriptionell termineringssignal regleras genom translation. Försvagning sker i början av vissa prokaryota operoner vid sekvenser som kallas "attenuatorer", som har identifierats i operoner som kodar för aminosyrabiosyntesenzymer, pyrimidinbiosyntesenzymer och antibiotikaresistensfaktorer. Dämparen fungerar via en uppsättning mRNA-sekvenselement som koordinerar statusen för translation till en transkriptionstermineringssignal:

En kort öppen läsram som kodar för en "ledarpeptid"
En paussekvens för transkription
En "kontrollregion"
En transkriptionsavslutningssignal

När starten av den öppna läsramen i ledaren har transkriberats, pausar RNA-polymeraset på grund av veckning av det begynnande mRNA:t. Detta programmerade stopp av transkription ger tid för translation av ledarpeptiden att påbörjas, och transkription att återupptas när den väl kopplats till translation. Nedströms "kontrollregionen" modulerar sedan förlängningshastigheten för antingen ribosomen eller RNA-polymeraset. Faktorn som bestämmer detta beror på funktionen hos generna nedströms (t.ex. de operonkodande enzymerna involverade i syntesen av histidin innehåller en serie histidinkodoner är kontrollregionen). Kontrollregionens roll är att modulera huruvida transkription förblir kopplad till translation beroende på det cellulära tillståndet (t.ex. en låg tillgänglighet av histidin saktar ner translation vilket leder till frånkoppling, medan hög tillgänglighet av histidin tillåter effektiv translation och upprätthåller koppling). Slutligen transkriberas transkriptionsterminatorsekvensen. Huruvida transkription är kopplat till translation avgör om detta stoppar transkription. Terminatorn kräver veckning av mRNA:t, och genom att linda upp mRNA-strukturer väljer ribosomen bildandet av endera av två alternativa strukturer: terminatorn eller en konkurrerande veck som kallas "antiterminatorn".

För aminosyrabiosyntesoperoner tillåter dessa genuttrycksmaskineriet att känna av mängden aminosyra som produceras av de kodade enzymerna och justera nivån av nedströms genuttryck i enlighet därmed: transkription sker endast om aminosyraförekomsten är låg och efterfrågan på enzymerna är därför höga. Exempel inkluderar histidin ( his ) och tryptofan ( trp ) biosyntetiska operoner.

Termen "dämpning" introducerades för att beskriva hans operon. Även om det vanligtvis används för att beskriva biosyntesoperoner av aminosyror och andra metaboliter, identifierades först programmerad transkriptionsterminering som inte inträffar i slutet av en gen i λ-fag . Upptäckten av försvagning var betydande eftersom det representerade en regleringsmekanism som var skild från förtryck . Trp - operonet regleras av både dämpning och repression, och var det första beviset på att regleringsmekanismer för genuttryck kan vara överlappande eller överflödiga.

Polaritet

"Polaritet" är en genuttrycksmekanism i vilken transkription avslutas i förtid på grund av en förlust av koppling mellan transkription och translation. Transkription går snabbare än translation när ribosomen pausar eller stöter på ett för tidigt stoppkodon . Detta tillåter transkriptionstermineringsfaktorn Rho att binda mRNA:t och avsluta mRNA-syntesen. Följaktligen transkriberas inte gener som finns nedströms i operonet och uttrycks därför inte. Polaritet fungerar som mRNA-kvalitetskontroll, vilket gör att oanvända transkript kan avslutas i förtid snarare än att syntetiseras och bryts ned.

Termen "polaritet" introducerades för att beskriva observationen att generernas ordning inom en operon är viktig: en nonsensmutation inom en uppströmsgen påverkar transkriptionen av nedströmsgener. Dessutom modulerar nonsensmutationens position i uppströmsgenen "graden av polaritet", med nonsensmutationer i början av uppströmsgenerna som utövar starkare polaritet (mer reducerad transkription) på nedströmsgener.

Till skillnad från dämpningsmekanismen, som involverar inneboende terminering av transkription vid väldefinierade programmerade platser, är polariteten Rho -beroende och terminering sker vid variabel position.

Upptäckt

Potentialen för transkription och translation för att reglera varandra erkändes av teamet av Marshall Nirenberg, som upptäckte att processerna är fysiskt sammankopplade genom bildandet av ett DNA-ribosomkomplex. Som en del av ansträngningarna från Nirenbergs grupp för att fastställa den genetiska koden som ligger till grund för proteinsyntes, banade de väg för användningen av cellfria in vitro proteinsyntesreaktioner. Analys av dessa reaktioner avslöjade att proteinsyntes är mRNA-beroende och att sekvensen av mRNA strikt definierar sekvensen av proteinprodukten. För detta arbete med att bryta in den genetiska koden tilldelades Nirenberg gemensamt Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1968. Efter att ha fastställt att transkription och översättning är biokemiskt kopplade (översättning beror på transkriptionsprodukten), återstod en olöst fråga om de var kopplat fysiskt - om det nyligen syntetiserade mRNA:t frigörs från DNA:t innan det translateras, eller om translation kan ske samtidigt med transkription. Elektronmikrofotografier av färgade cellfria proteinsyntesreaktioner avslöjade grenade sammansättningar där strängar av ribosomer är kopplade till en central DNA-fiber. DNA isolerat från bakterieceller samsedimenterar med ribosomer, vilket ytterligare stöder slutsatsen att transkription och translation sker tillsammans. Direkt kontakt mellan ribosomer och RNA-polymeras kan observeras i dessa tidiga mikrofotografier. Potentialen för simultan reglering av transkription och översättning vid denna korsning noterades i Nirenbergs arbete redan 1964.