Přepis-překladová vazba - Transcription-translation coupling

Přepis-překladová vazba je mechanismus regulace genové exprese ve kterém syntéza mRNA (transkripce ) je ovlivněna jeho současným dekódováním (překlad ). v prokaryoty, mRNA se překládají, zatímco se přepisují. To umožňuje komunikaci mezi RNA polymeráza, multisubunitový enzym, který katalyzuje transkripci, a ribozom, který katalyzuje překlad. Vazba zahrnuje jak přímé fyzické interakce mezi RNA polymerázou a ribozomy (komplexy "expresomu"), tak i změny struktury a dostupnosti intervenující mRNA vyvolané ribozomy, které ovlivňují transkripci ("útlum" a "polarita").[1][2][3]

Význam

Bakterie závisí na transkripčně-translační vazbě pro integrita genomu, ukončení transkripce a ovládání Stabilita mRNA. Následkem toho umělé narušení transkripčně-translační vazby zhoršuje kondici bakterií. Bez vazby je narušena integrita genomu, protože zastavené transkripční komplexy interferují s replikací DNA a indukují zlomy DNA.[4] Nedostatek vazby vede k předčasnému ukončení transkripce, pravděpodobně kvůli zvýšené vazbě terminačního faktoru Rho.[5] Degradace prokaryotických mRNA je urychlena ztrátou spojené translace v důsledku zvýšené dostupnosti cílových míst RNáza E.[6] Rovněž bylo navrženo, že spojení transkripce s translací je důležitým mechanismem prevence tvorby škodlivých látek R-smyčky.[7] I když transkripčně-translační vazba pravděpodobně převládá u prokaryotických organismů, ne všechny druhy jsou na ní závislé. Na rozdíl od Eschericia coli, v Bacillus subtilis transkripce výrazně překonává překlad a ke spojování tedy nedochází.[8]

Mechanismy

Překlad podporuje prodloužení transkripce a reguluje ukončení transkripce. Funkční vazba mezi transkripcí a translací je způsobena přímými fyzickými interakcemi mezi ribozomem a RNA polymerázou („komplex expresomu“), změnami sekundární struktury rodící se mRNA závislé na ribozomu, které ovlivňují aktivitu RNA polymerázy (např. „Útlum“), a závislostí na ribozomu změny dostupnosti rodící se mRNA na transkripční terminační faktor Rho ("polarita").

Expressome komplex

Expresom je supramolekulární komplex skládající se z RNA polymerázy a koncové ribozomu spojené sdíleným transkriptem mRNA. Je podporován transkripčními faktory NusG a NusA, které interagují jak s RNA polymerázou, tak s ribozomem, aby spojily komplexy dohromady.[9][10][11] Po spojení transkripčním faktorem NusG se ribozom váže na nově syntetizovanou mRNA a brání tvorbě sekundárních struktur, které inhibují transkripci.[9] Tvorba expresomového komplexu také napomáhá prodloužení transkripce koncem ribozomu, který je opačný pro zpětné sledování RNA polymerázy.[12][13] Trojrozměrné modely komplexů expresomů ribozom-RNA polymeráza byly stanoveny kryoelektronovou mikroskopií.[14][10][11][9]

Útlum zprostředkovaný ribozomy

Útlum zprostředkovaný ribozomy je mechanismus genové exprese, ve kterém je transkripční terminační signál regulován translací.[15][16][17] K útlumu dochází na začátku některých prokaryotik operony v sekvencích nazývaných „atenuátory“, které byly identifikovány v operonech kódujících enzymy biosyntézy aminokyselin, enzymy biosyntézy pyrimidinu a faktory rezistence na antibiotikum. Atenuátor funguje prostřednictvím sady prvků sekvence mRNA, které koordinují stav translace na signál ukončení transkripce:

  • Krátký otevřený čtecí rámec kódování "vedoucího peptidu"
  • Sekvence pozastavení transkripce
  • „Kontrolní oblast“
  • Signál ukončení transkripce

Jakmile byl přepsán začátek vedoucího otevřeného čtecího rámce, RNA polymeráza se pozastaví kvůli skládání rodící se mRNA. Toto naprogramované zastavení transkripce poskytuje čas pro zahájení translace vedoucího peptidu a obnovení transkripce po spojení s translací. Následná „kontrolní oblast“ poté moduluje rychlost prodloužení buď ribozomu, nebo RNA polymerázy. Faktor určující toto závisí na funkci následných genů (např. Operon kódující enzymy zapojené do syntézy histidinu obsahuje řadu histidinových kodonů je kontrolní oblast). Úlohou kontrolní oblasti je modulovat, zda transkripce zůstává spojená s translací v závislosti na buněčném stavu (např. Nízká dostupnost histidinu zpomaluje translaci vedoucí k rozpojení, zatímco vysoká dostupnost histidinu umožňuje efektivní translaci a udržuje vazbu). Nakonec je transkribována terminátorová sekvence transkripce. Zda je transkripce spojena s překladem, určuje, zda se tím transkripce zastaví. Terminátor vyžaduje skládání mRNA a odvíjením struktur mRNA ribozom volí tvorbu jedné ze dvou alternativních struktur: terminátoru nebo konkurenčního skládání označovaného jako „antiterminátor“.

U operonů biosyntézy aminokyselin umožňují tyto mechanizmy genové exprese snímat množství aminokyselin produkovaných kódovanými enzymy a odpovídajícím způsobem upravit úroveň následné genové exprese: transkripce nastává, pouze pokud je počet aminokyselin nízký a poptávka po enzymy jsou proto vysoké. Mezi příklady patří histidin (jeho)[18][19] a tryptofan (trp)[20] biosyntetické operony.

Termín "útlum" byl zaveden k popisu jeho operon.[18] I když se obvykle používá k popisu biosyntetických operonů aminokyselin a dalších metabolitů, naprogramované ukončení transkripce, které se nevyskytuje na konci genu, bylo poprvé identifikováno v λ fág.[21] Objev útlumu byl významný, protože představoval regulační mechanismus odlišný od represe.[22][23] The trp operon je regulován útlumem i represí a byl prvním důkazem, že mechanismy regulace genové exprese mohou být překrývající se nebo nadbytečné.[17]

Polarita

„Polarita“ je mechanismus genové exprese, ve kterém transkripce končí předčasně kvůli ztrátě vazby mezi transkripcí a translací. Transkripce překoná překlad, když se ribozom zastaví[24] nebo narazí na a předčasný stop kodon.[25] To umožňuje faktor ukončení transkripce Rho vázat mRNA a ukončit syntézu mRNA. Následkem toho jsou geny, které jsou ve směru operon nejsou přepsány, a proto nejsou vyjádřeny. Polarita slouží jako kontrola kvality mRNA, což umožňuje předčasné ukončení nepoužívaných transkriptů, spíše než syntézu a degradaci.[26]

Termín „polarita“ byl zaveden k popisu pozorování, že pořadí genů v operonu je důležité: nesmyslná mutace v upstream genu ovlivňuje transkripci downstream genů.[25] Kromě toho poloha nesmyslné mutace v upstream genu moduluje „stupeň polarity“, přičemž nesmyslné mutace na začátku upstream genů vyvíjejí silnější polaritu (více omezenou transkripci) na downstream geny.

Na rozdíl od mechanismu útlumu, který zahrnuje vnitřní ukončení transkripce na dobře definovaných naprogramovaných místech je polarita Rho -závislý a ukončení nastává na proměnné pozici.

Objev

Potenciál transkripce a translace k vzájemné regulaci byl uznán týmem Marshalla Nirenberga, který zjistil, že procesy jsou fyzicky spojeny tvorbou komplexu DNA a ribozomu.[27][28] V rámci úsilí Nirenbergovy skupiny o určení genetického kódu, který je základem syntézy proteinů, propagovali použití bezbuněčných reakcí syntézy proteinů in vitro. Analýza těchto reakcí odhalila, že syntéza proteinů je závislá na mRNA a že sekvence mRNA striktně definuje sekvenci proteinového produktu. Za tuto práci při prolomení genetického kódu získal Nirenberg v roce 1968 Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu. Po zjištění, že transkripce a translace jsou biochemicky spojeny (translace závisí na produktu transkripce), zůstává otázkou, zda se fyzicky spojené - ať už nově syntetizovaná mRNA uvolněná z DNA před jejím překladem, nebo zda může dojít k translaci souběžně s transkripcí. Elektronové mikrofotografie obarvených bezbuněčných reakcí syntézy proteinů odhalily rozvětvené sestavy, ve kterých jsou řetězce ribozomů spojeny s centrálním vláknem DNA.[28] DNA izolovaná z bakteriálních buněk ko-sedimentuje s ribozomy, což dále podporuje závěr, že transkripce a translace probíhají společně.[27] Přímý kontakt mezi ribozomy a RNA polymerázou lze pozorovat na těchto časných mikrofotografiích.[3] Potenciál současné regulace transkripce a translace na tomto spoji byl zaznamenán v Nirenbergově práci již v roce 1964.[27]

Reference

  1. ^ Artsimovitch, I. (2018). „Přestavba mostu mezi transkripcí a překladem“. Molekulární mikrobiologie. 108 (5): 467–472. doi:10,1111 / mmi.13964. PMC  5980768. PMID  29608805.
  2. ^ McGary K. & Nudler, E. (2013). „RNA polymeráza a ribozom: blízký vztah“. Současný názor v mikrobiologii. 16 (2): 112–117. doi:10.1016 / j.mib.2013.01.010. PMC  4066815. PMID  23433801.
  3. ^ A b Klaholz, B. (2017). "Ribosom udržuje RNA polymerázu na stopě v bakteriích". Trendy v biochemických vědách. 42 (9): 686–689. doi:10.1016 / j.tibs.2017.07.003. PMID  28801047.
  4. ^ Dutta, D .; Shatalin, K .; Epshtein, V .; Gottesman, M. E. & Nudler, E. (2011). „Propojení zpětného sledování RNA polymerázy s nestabilitou genomu v E. coli“. Buňka. 146 (4): 533–543. doi:10.1016 / j.cell.2011.07.034. PMC  3160732. PMID  21854980.
  5. ^ Zhu, M .; Mori, M .; Hwa, T. & Dai, X. (2019). „Narušení koordinace transkripce a translace u Escherichia coli vede k předčasnému ukončení transkripce“. Přírodní mikrobiologie. 4 (12): 2347–2356. doi:10.1038 / s41564-019-0543-1. PMC  6903697. PMID  31451774.
  6. ^ Iost, I. a Dreyfus, M. (1995). „Stabilita lacZ mRNA Escherichia coli závisí na simultánnosti její syntézy a translace“. 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). "Proč je transkripce spojena s translací v bakteriích?" Molekulární mikrobiologie. 54 (3): 598–603. doi:10.1111 / j.1365-2958.2004.04289.x. PMID  15491353.
  8. ^ Johnson, G. E .; Lalanne, J .; Peters, M. L. & Li, G. (2020). "Funkčně nespojený transkripční překlad v Bacillus subtilis". Příroda. 585 (7823): 124–128. doi:10.1038 / s41586-020-2638-5. PMC  7483943. PMID  32848247.
  9. ^ A b C Webster, M. W .; Takacs, M .; Zhu, C .; Vidmar, V .; Eduljee, A .; Abdelkareem, M. & Weixlbaumer, A. (2020). "Strukturní základ transkripčně-translační vazby a kolize v bakteriích". Věda. 369 (6509): 1355–1359. doi:10.1126 / science.abb5036. PMID  32820062. S2CID  221222557.
  10. ^ A b O'Reilly, F. J .; Xue, L .; Graziadei, A .; Sinn, L .; Lenz, S .; Tegunov, D .; Blötz, C .; Singh, N .; Hagen, W .; Cramer, P .; Stülke, J .; Mahamid, J. & Rappsilber, J. (2020). „In-cell architecture of an activated transcribing-translating expressome“. Věda. 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 .; Molodtsov, V .; Firlar, E .; Kaelber, J .; Blaha, G .; Su, M. & Ebright, R. H. (2020). "Strukturální základ transkripce a translace". Věda. 369 (6509): 1359–1365. doi:10.1126 / science.abb5317. PMID  32820061. S2CID  221220008.
  12. ^ Proshkin, S .; Rahmouni, A. R .; Mironov, A. & Nudler, E. (2010). „Spolupráce mezi translací ribozomů a RNA polymerázou při prodloužení transkripce“. Věda. 328 (5977): 504–508. Bibcode:2010Sci ... 328..504P. doi:10.1126 / science.1184939. PMC  2930199. PMID  20413502.
  13. ^ Stevenson-Jones, F .; Woodgate, J .; Castro-Roa, D. & Zenkin, N. (2020). „Ribozom reaktivuje transkripci fyzickým vytlačením RNA polymerázy ze zástavy transkripce“. Sborník Národní akademie věd. 117 (15): 8462–8467. doi:10.1073 / pnas.1919985117. PMC  7165469. PMID  32238560.
  14. ^ Kohler, R .; Mooney, R. A .; Mills, D. J .; Landick, R. & Cramer, P. (2017). "Architektura přepisujícího a překládajícího expresomu". Věda. 356 (6334): 194–197. Bibcode:2017Sci ... 356..194K. doi:10.1126 / science.aal3059. PMC  5528865. PMID  28408604.
  15. ^ Turnbough, C. L. (2019). „Regulace exprese bakteriálních genů útlumem transkripce“. Recenze mikrobiologie a molekulární biologie. 83 (3). doi:10.1128 / MMBR.00019-19. PMC  6710462. PMID  31270135.
  16. ^ Yanofsky C (1981). "Útlum při kontrole exprese bakteriálních operonů". Příroda. 289 (5800): 751–758. Bibcode:1981Natur.289..751Y. doi:10.1038 / 289751a0. PMID  7007895. S2CID  4364204.
  17. ^ A b Yanofsky C (2000). „Útlum transkripce: kdysi považován za novou regulační strategii“. Příroda. 182 (1): 1–8. doi:10.1128 / jb.182.1.1-8.2000. PMC  94232. PMID  10613855.
  18. ^ A b Kasai, T. (1974). "Regulace exprese histidinového operonu v Salmonella typhimurium". Příroda. 249 (5457): 523–527. Bibcode:1974Natur.249..523K. doi:10.1038 / 249523a0. PMID  4599761. S2CID  472218.
  19. ^ Johnston, H. M .; Barnes, W. M .; Chumley, F. G .; Bossi, L. & Roth, J. R. (1980). "Model pro regulaci histidinového operonu Salmonella". Sborník Národní akademie věd. 77 (1): 508–512. Bibcode:1980PNAS ... 77..508J. doi:10.1073 / pnas.77.1.508. PMC  348301. PMID  6987654.
  20. ^ Landick, R .; Carey, J. & Yanofsky, C. (1985). „Překlad aktivuje pozastavený transkripční komplex a obnovuje transkripci vedoucí oblasti trp operonů“. Sborník Národní akademie věd. 82 (14): 4663–4667. Bibcode:1985PNAS ... 82,4663L. doi:10.1073 / pnas.82.14.4663. PMC  390446. PMID  2991886.
  21. ^ Luzzati, D. (1970). "Regulace syntézy lambda exonukleáz: role produktu N genu a represoru lambda". Journal of Molecular Biology. 49 (2): 515–519. doi:10.1016/0022-2836(70)90261-5. PMID  4915096.
  22. ^ Singer, C. E.; Smith, G. R.; Cortese, R. & Ames, B. N. (1972). „Mutantní tRNA je neúčinný při represi a postrádá dvě modifikace pseudouridinu“. Příroda nová biologie. 238 (81): 72–74. doi:10.1038 / newbio238072a0. PMID  4558263.
  23. ^ Jackson, E. N. a Yanofsky, C. (1973). „Thr oblast mezi operátorem a prvním strukturním genem tryptofanového operonu Escherichia coli může mít regulační funkci“. Journal of Molecular Biology. 76 (1): 89–101. doi:10.1016 / 0022-2836 (73) 90082-x. PMID  4578102.
  24. ^ Elgamal, S .; Artsimovitch, I .; Ibba, M. & Brenner, S. (1965). „Nesmyslní mutanti a polarita v lac operonu Escherichia coli“. Journal of Molecular Biology. 14: 290–296. doi:10.1016 / s0022-2836 (65) 80250-9. PMID  5327654.
  25. ^ A b Newton, W. A .; Beckwith, J. R .; Zipser, D. & Brenner, S. (1965). „Nesmyslní mutanti a polarita v lac operonu Escherichia coli“. Journal of Molecular Biology. 14 (1): 290–296. doi:10.1016 / s0022-2836 (65) 80250-9. PMID  5327654.
  26. ^ Richardson, J. P. (1991). "Zabránění syntézy nepoužitých přepisů faktorem Rho". Buňka. 64 (6): 1047–1049. doi:10.1016 / 0092-8674 (91) 90257-r. PMID  2004415. S2CID  38795667.
  27. ^ A b C Byrne R (1964). „In vitro formace komplexu DNA a ribozomu“. Sborník Národní akademie věd. 52 (1): 140–148. Bibcode:1964PNAS ... 52..140B. doi:10.1073 / pnas.52.1.140. PMC  300586. PMID  14192650.
  28. ^ A b Bladen HA (1965). "Studie elektronového mikroskopu komplexu DNA-ribozom vytvořený in vitro". Journal of Molecular Biology. 11: 78 – IN9. doi:10.1016 / s0022-2836 (65) 80172-3. PMID  14255762.