Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Связь транскрипции и трансляции - это механизм регуляции экспрессии генов, при котором на синтез мРНК ( транскрипция ) влияет ее одновременное декодирование ( трансляция ). У прокариот мРНК транслируются, пока они транскрибируются. Это обеспечивает связь между РНК-полимеразой , мультисубъединичным ферментом, который катализирует транскрипцию, и рибосомой , которая катализирует трансляцию. 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]

Значение [ править ]

Бактерии зависят от сочетания транскрипции и трансляции для целостности генома , прекращения транскрипции и контроля стабильности мРНК . Следовательно, искусственное нарушение сцепления транскрипции и трансляции ухудшает приспособленность бактерий. Без связывания целостность генома нарушается, поскольку застопорившиеся комплексы транскрипции препятствуют репликации ДНК и вызывают разрывы ДНК. [4] Отсутствие связывания вызывает преждевременную терминацию транскрипции, вероятно, из-за повышенного связывания фактора терминации Rho . [5] Деградация прокариотических мРНК ускоряется при потере в сочетании перевода в связи с увеличением доступности целевых участков РНКазы Е . [6]Также было высказано предположение, что сочетание транскрипции с трансляцией является важным механизмом предотвращения образования вредных R-петель . [7] Хотя сочетание транскрипции и трансляции, вероятно, преобладает у прокариотических организмов, не все виды зависят от него. В отличие от кишечной палочки , у Bacillus subtilis транскрипция значительно опережает трансляцию, и, следовательно, сцепления не происходит. [8]

Механизмы [ править ]

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 [ править ]

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] При соединении с фактором транскрипции NusG рибосома связывает вновь синтезированную мРНК и предотвращает образование вторичных структур, которые ингибируют транскрипцию. [9] Образование экспрессомного комплекса также способствует элонгации транскрипции с помощью 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 [ править ]

Аттенуация, опосредованная рибосомами, представляет собой механизм экспрессии гена, в котором сигнал терминации транскрипции регулируется трансляцией. [15] [16] [17] Аттенуация происходит в начале некоторых прокариотических оперонов 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:

  • Короткая открытая рамка считывания, кодирующая «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 одной из двух альтернативных структур: терминатора или конкурирующей складки, называемой «антитерминатором».или конкурирующая складка, названная «антитерминатором».или конкурирующая складка, названная «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 при низком уровне аминокислот и необходимости ферменты поэтому высоки. Примеры включают биосинтетические опероны гистидина ( his ) [18] [19] и триптофана ( trp ) [20] .

Термин «затухание» был введен для описания его оперона. [18] Хотя он обычно используется для описания оперонов биосинтеза аминокислот и других метаболитов, запрограммированная терминация транскрипции, которая не происходит на конце гена, была впервые идентифицирована в фаге λ . [21] Открытие аттенуации было значительным, поскольку оно представляло регуляторный механизм, отличный от репрессии . [22] [23] ГТО оперон регулируется как ослабление и репрессии, и был первым свидетельством того, что механизмы регуляции экспрессии генов могут быть перекрывающимися или избыточным. [17]

Полярность [ править ]

«Полярность» - это механизм экспрессии гена, при котором транскрипция преждевременно завершается из-за потери связи между транскрипцией и трансляцией. Транскрипция опережает трансляцию, когда рибосома останавливается [24] или встречает преждевременный стоп-кодон . [25] Это позволяет фактору терминации транскрипции Rho связывать мРНК и прекращать синтез мРНК. Следовательно, гены, расположенные ниже по оперону , не транскрибируются и, следовательно, не экспрессируются. Полярность служит контролем качества мРНК, позволяя преждевременно завершать неиспользуемые транскрипты, а не синтезировать и расщеплять. [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] Кроме того, положение нонсенс-мутации в вышестоящем гене модулирует «степень полярности», при этом бессмысленные мутации в начале вышестоящих генов оказывают более сильную полярность (более низкую транскрипцию) нижележащим генам.

В отличие от механизма ослабления, который включает внутреннее завершение транскрипции в четко определенных запрограммированных сайтах, полярность является Rho- зависимой, и терминация происходит в вариабельном положении.

Открытие [ править ]

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 впервые 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 (трансляция 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]

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Арцимович, I. (2018). «Восстановление моста между транскрипцией и переводом» . Молекулярная микробиология . 108 (5): 467–472. DOI : 10.1111 / mmi.13964 . PMC  5980768 . PMID  29608805 .
  2. ^ МакГэри К. & Нудлер, Е. (2013). «РНК-полимераза и рибосома: тесная взаимосвязь» . Текущее мнение в микробиологии . 16 (2): 112–117. DOI : 10.1016 / j.mib.2013.01.010 . PMC 4066815 . PMID 23433801 .  
  3. ^ а б Клахольц, Б. (2017). «Рибосома удерживает РНК-полимеразу в бактериях». Направления биохимических наук . 42 (9): 686–689. DOI : 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» . 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» . Природная микробиология . 4 (12): 2347–2356. DOI : 10.1038 / s41564-019-0543-1 . PMC 6903697 . PMID 31451774 .  
  6. ^ Iost И. и Дрейфус, M. (1995). «Стабильность мРНК lacZ Escherichia coli 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 связана с трансляцией у бактерий?» . Молекулярная микробиология . 54 (3): 598–603. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2004.04289.x . PMID 15491353 . 
  8. ^ Джонсон, GE; Lalanne, J .; Питерс, М.Л. и Ли, Г. (2020). «Функционально несвязанная транскрипция-трансляция в Bacillus subtilis» . Природа . 585 (7823): 124–128. DOI : 10.1038 / s41586-020-2638-5 . PMC 7483943 . PMID 32848247 .  
  9. ^ a b c Вебстер, МВт; Takacs, M .; 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. DOI : 10.1126 / science.abb5036 . PMID 32820062 . S2CID 221222557 .  
  10. ^ а б О'Рейли, FJ; 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-транслирующего экспрессома» . Наука . 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. ^ a b 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. DOI : 10.1126 / science.abb5317 . PMC 7566311 . PMID 32820061 . S2CID 221220008 .   
  12. ^ Прошкин, С .; Рахмуни, АР; Миронов, А., Нудлер, Э. (2010). «Сотрудничество между транслирующими рибосомами и РНК-полимеразой в удлинении транскрипции» . Наука . 328 (5977): 504–508. Bibcode : 2010Sci ... 328..504P . DOI : 10.1126 / science.1184939 . PMC 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. DOI : 10.1073 / pnas.1919985117 . PMC 7165469 . PMID 32238560 .  
  14. ^ Kohler, R .; Муни, РА; Миллс, диджей; Ландик Р. и Крамер П. (2017). «Архитектура транскрибирующе-переводящего экспрессома» . Наука . 356 (6334): 194–197. Bibcode : 2017Sci ... 356..194K . DOI : 10.1126 / science.aal3059 . PMC 5528865 . PMID 28408604 .  
  15. ^ Turnbough, CL (2019). «Регулирование экспрессии бактериальных генов путем ослабления транскрипции» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 83 (3). DOI : 10.1128 / MMBR.00019-19 . PMC 6710462 . PMID 31270135 .  
  16. ^ Yanofsky C (1981). «Ослабление в контроле экспрессии бактериальных оперонов». Природа . 289 (5800): 751–758. Bibcode : 1981Natur.289..751Y . DOI : 10.1038 / 289751a0 . PMID 7007895 . S2CID 4364204 .  
  17. ^ а б Яновский C (2000). «Затухание транскрипции: когда-то рассматривалось как новая стратегия регулирования» . Природа . 182 (1): 1–8. DOI : 10.1128 / jb.182.1.1-8.2000 . PMC 94232 . PMID 10613855 .  
  18. ^ a b Kasai, T. (1974). «Регулирование экспрессии оперона гистидина в Salmonella typhimurium». Природа . 249 (5457): 523–527. Bibcode : 1974Natur.249..523K . DOI : 10.1038 / 249523a0 . PMID 4599761 . S2CID 472218 .  
  19. ^ Джонстон, HM; Барнс, ВМ; Chumley, FG; Босси, Л. и Рот, младший (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, 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 . DOI : 10.1073 / pnas.82.14.4663 . PMC 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. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (70) 90261-5 . PMID 4915096 . 
  22. ^ Певица, CE; Смит, Г.Р .; 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. DOI : 10.1038 / newbio238072a0 . PMID 4558263 . 
  23. ^ Джексон, Е. & Yanofsky, С. (1973). «Область Thr между оператором и первым структурным геном триптофанового оперона Escherichia coli может выполнять регулирующую функцию». Журнал молекулярной биологии . 76 (1): 89–101. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (73) 90082-X . PMID 4578102 . 
  24. ^ Elgamal, S .; Арцимович, И .; Ибба М. и Бреннер С. (1965). «Нонсенс-мутанты и полярность в lac-опероне Escherichia coli». Журнал молекулярной биологии . 14 : 290–296. DOI : 10.1016 / s0022-2836 (65) 80250-9 . PMID 5327654 . 
  25. ^ a b Ньютон, Вашингтон; Беквит, младший; Ципсер Д. и Бреннер С. (1965). «Нонсенс-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 . 
  26. Перейти ↑ Richardson, JP (1991). «Предотвращение синтеза неиспользуемых транскриптов с помощью фактора Rho». Cell . 64 (6): 1047–1049. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (91) 90257-у . PMID 2004415 . S2CID 38795667 .  
  27. ^ а б в Бирн Р. (1964). «Формирование комплекса ДНК-рибосома in vitro» . Труды Национальной академии наук . 52 (1): 140–148. Полномочный код : 1964PNAS ... 52..140B . DOI : 10.1073 / pnas.52.1.140 . PMC 300586 . PMID 14192650 .  
  28. ^ а б Бладен 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 .