Транскрипция-аударма байланысы - Transcription-translation coupling

Транскрипция-аударма байланысы механизмі болып табылады ген экспрессиясының реттелуі онда мРНҚ синтезі (транскрипция ) оның бір уақытта декодталуы әсер етеді (аударма ). Жылы прокариоттар, мРНҚ олар транскрипцияланған кезде аударылады. Бұл арасындағы байланысқа мүмкіндік береді РНҚ-полимераза, транскрипцияны катализдейтін мультисубитті фермент және рибосома, бұл аударманы катализдейді. Ілінісу РНҚ-полимераза мен рибосома («экспрессом» комплекстері) арасындағы тікелей физикалық өзара әрекеттесулерді де, сонымен қатар транскрипцияға әсер ететін рРНҚ құрылымы мен қол жетімділігінің рибосома әсерінен өзгеруін («әлсіреу» және «полярлық») қамтиды.[1][2][3]

Маңыздылығы

Бактериялар транскрипция-трансляция байланысына байланысты геномның тұтастығы, транскрипцияны тоқтату және бақылау mRNA тұрақтылығы. Демек, транскрипция-трансляция байланысының жасанды бұзылуы бактериялардың фитнесін нашарлатады. Ілінісусіз геномның бүтіндігі бұзылады, өйткені тежелген транскрипция кешендері ДНҚ репликациясына кедергі келтіреді және ДНҚ үзілістерін тудырады.[4] Муфтаның жетіспеуі транскрипцияның мерзімінен бұрын аяқталуына әкеледі, мүмкін, бұл тоқтату факторының байланысының жоғарылауына байланысты Ро.[5] Прокариоттық мРНҚ-ның деградациясы мақсатты сайттардың қол жетімділігі есебінен ілеспе аударманың жоғалуымен жеделдейді. RNase E.[6] Транскрипцияны аудармамен байланыстыру зияндылықтың пайда болуын болдырмайтын маңызды тетік болып саналады R-ілмектер.[7] Транскрипция-трансляция байланысы прокариоттық организмдерде кең таралған болса да, барлық түрлер оған тәуелді емес. Айырмашылығы жоқ Ішек таяқшасы, жылы Bacillus subtilis транскрипция аудармадан едәуір озып кетеді, демек, қосылыс болмайды.[8]

Механизмдер

Аударма транскрипцияның созылуына ықпал етеді және транскрипцияның тоқтатылуын реттейді. Транскрипция мен трансляция арасындағы функционалды байланыс рибосома мен РНҚ-полимераза арасындағы тікелей физикалық өзара әрекеттесулерден, РНҚ-полимеразаның белсенділігіне әсер ететін (мысалы, «әлсіреу») және рибосомға тәуелді жаңа туындайтын mRNA екінші құрылымындағы рибосомаға тәуелді өзгерістерден туындайды. транскрипцияның аяқталу факторы Rho-ға дейін туындайтын mRNA қол жетімділігінің өзгеруі («полярлық»).

Экспрессом кешені

Экспрессома - бұл РНҚ-полимераза мен мРНҚ-ның ортақ транскриптімен байланысқан артқы рибосомадан тұратын молекуладан тыс кешен. Оны кешендерді біріктіру үшін РНҚ-полимеразамен де, рибосомамен де өзара әрекеттесетін транскрипция факторлары NusG және NusA қолдайды.[9][10][11] NusG транскрипция коэффициентімен байланысқан кезде рибосома жаңадан синтезделген мРНҚ-ны байланыстырады және транскрипцияны тежейтін екінші құрылымдардың пайда болуына жол бермейді.[9] Экспрессомдық кешеннің түзілуі РНҚ-полимеразаның артқы трекингіне қарсы тұрған рибосоманың транскрипциясын ұзартуға көмектеседі.[12][13] Крио-электронды микроскопия әдісімен рибосома-РНҚ полимераза экспрессомы кешендерінің үш өлшемді модельдері анықталды.[14][10][11][9]

Рибосома-делдалды әлсіреу

Рибосома арқылы әлсіреу - бұл транскрипциялық аяқталу сигналы трансляциямен реттелетін ген экспрессиясының механизмі.[15][16][17] Әлсіреу кейбір прокариоттардың басында пайда болады оперондар аминқышқылдарының биосинтез ферменттерін, пиримидин биосинтез ферменттерін және антибиотикке төзімділік факторларын кодтайтын оперондарда анықталған «әлсіреткіштер» деп аталатын дәйектілікте. Төмендеткіш транскрипцияның аяқталу сигналына аудару күйін үйлестіретін mRNA реттілігі элементтерінің жиынтығы арқылы жұмыс істейді:

  • Қысқа ашық оқу шеңбері «лидер пептидін» кодтау
  • Транскрипцияның кідірту реттілігі
  • «Бақылау аймағы»
  • Транскрипцияны тоқтату сигналы

Көшенің басталуының ашық транскрипциясы басталғаннан кейін, РНҚ полимераза жаңа туындайтын мРНҚ-ның бүктелуіне байланысты тоқтайды. Бұл транскрипцияны бағдарламалық қамауға алу көшбасшы пептидтің трансляциясының басталуына уақыт береді, ал транскрипциясы аудармамен қатарласқаннан кейін қайта басталады. Содан кейін төменгі «басқару аймағы» рибосоманың немесе РНҚ-полимеразаның созылу жылдамдығын модуляциялайды. Мұны анықтайтын фактор төменгі ағыс гендерінің қызметіне байланысты (мысалы, гистидин синтезіне қатысатын оперонды кодтайтын ферменттер құрамында гистидин кодондарының тізбегі болады). Бақылау аймағының рөлі транскрипцияның жасушалық жағдайға байланысты аудармаға қосылып қалуын модуляциялау болып табылады (мысалы, гистидиннің төмен қол жетімділігі ажырасуға әкеліп соқтырады, ал гистидиннің жоғары қол жетімділігі тиімді аудармаға мүмкіндік береді және байланыстырады). Соңында, транскрипция терминаторының реттілігі транскрипцияланады. Транскрипцияның транскрипциямен үйлесуі оның транскрипцияны тоқтататынын анықтайды. Терминатор мРНҚ-ны бүктеуді қажет етеді, ал мРНҚ құрылымдарын ағыту арқылы рибосома екі альтернативті құрылымның екеуін де таңдайды: терминатор немесе «антитерминатор» деп аталатын бәсекелес қатпар.

Аминқышқылдарының биосинтезі үшін оперондар үшін бұл ген экспрессиясының машиналарына кодталған ферменттер өндіретін аминқышқылының молдығын сезінуге және төменгі ағысындағы ген экспрессиясының деңгейін реттеуге мүмкіндік береді: транскрипция аминқышқылдарының көптігі төмен болған жағдайда ғана жүреді және сұраныс сондықтан ферменттер жоғары. Мысалдарға гистидин (оның)[18][19] және триптофан (трп)[20] биосинтетикалық оперондар.

Түсіндіру үшін «әлсіреу» термині енгізілді оның оперон.[18] Әдетте ол аминқышқылдарының және басқа метаболиттердің биосинтез оперондарын сипаттау үшін қолданылғанымен, геннің соңында болмайтын транскрипцияның бағдарламаланған тоқтатылуы бірінші рет анықталды age фаг.[21] Әлсіреудің ашылуы маңызды болды, өйткені ол реттеуші механизмнен ерекшеленді репрессия.[22][23] The трп оперон әлсіреуімен де, репрессиямен де реттеледі және ген экспрессиясын реттеу механизмдерінің қабаттасып немесе артық болуы мүмкін екендігінің алғашқы дәлелі болды.[17]

Полярлық

«Полярлық» - бұл транскрипция мен транскрипция арасындағы байланыстың жоғалуына байланысты транскрипция мерзімінен бұрын аяқталатын ген экспрессиясының механизмі. Транскрипция рибосома кідірген кезде аудармадан озып кетеді[24] немесе кездесулер а мерзімінен бұрын тоқтайтын кодон.[25] Бұл транскрипцияны тоқтату коэффициентіне мүмкіндік береді Ро мРНҚ-ны байланыстыру және мРНҚ синтезін тоқтату үшін. Демек, төменгі ағымда болатын гендер оперон транскрипцияланбайды, демек, білдірілмейді. Полярлық мРНҚ сапасын бақылау қызметін атқарады, пайдаланылмаған транскрипттерді синтездеу және деградациялау емес, мерзімінен бұрын тоқтатуға мүмкіндік береді.[26]

«Полярлық» термині оперон ішіндегі гендердің реті маңызды екендігін байқау үшін енгізілді: ағынды геннің ішіндегі мағынасыз мутация төменгі ағыс гендерінің транскрипциясына әсер етеді.[25] Сонымен қатар, ағынсыз мутацияның ағыс ағыны геніндегі орны «полярлық дәрежесін» модуляциялайды, ағынды гендердің басында ақымақ мутациялар төменгі гендерде күшті полярлықты (транскрипцияның азаюы) көрсетеді.

Қамтитын әлсіреу механизмінен айырмашылығы ішкі тоқтату бағдарламаланған сайттардағы транскрипцияның полярлығы Ро -тәуелділік және тоқтау ауыспалы позицияда болады.

Ашу

Транскрипция мен трансляцияның бірін-бірі реттейтін әлеуетін Маршалл Ниренберг командасы мойындады, ол ДНҚ-рибосома кешенін қалыптастыру арқылы процестер физикалық түрде байланысқанын анықтады.[27][28] Ниренберг тобының ақуыз синтезіне негіз болатын генетикалық кодты анықтауға бағытталған күш-жігерінің бір бөлігі ретінде олар протеиндердің in vitro синтезі жасушасыз реакцияларды қолдануды бастады. Осы реакцияларды талдау нәтижесінде ақуыз синтезінің мРНҚ-ға тәуелді екендігі және мРНҚ тізбегі ақуыз өнімінің ретін қатаң түрде анықтайтындығы анықталды. Генетикалық кодты бұзғаны үшін 1968 жылы Ниренберг физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығымен бірге марапатталды. Транскрипция мен аударманың биохимиялық байланыста болатындығын анықтап (аударма транскрипция өніміне байланысты), олар солай ма деген сұрақ қалды. физикалық байланыста - ДНҚ-дан аударылғанға дейін шығарылған жаңадан синтезделген мРНҚ немесе транскрипциямен қатар жүруі мүмкін. Боялған жасушасыз ақуыз синтезі реакцияларының электронды микрографтарында рибосомалар тізбегі орталық ДНҚ талшығымен байланысқан тармақталған жиынтықтар анықталды.[28] Бактерия жасушаларынан оқшауланған ДНҚ рибосомалармен бірге тұнбаға түсіп, транскрипция мен трансляция бірге жүреді деген тұжырымды қолдайды.[27] Рибосомалар мен РНҚ-полимераза арасындағы тікелей байланыс осы алғашқы микрографтарда байқалады.[3] Осы тораптағы транскрипция мен аударманы синхронды реттеудің әлеуеті Ниренбергтің жұмысында 1964 ж.[27]

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Арцимович, И. (2018). «Транскрипция мен аударма арасындағы көпірді қалпына келтіру». Молекулалық микробиология. 108 (5): 467–472. дои:10.1111 / mmi.13964. PMC  5980768. PMID  29608805.
  2. ^ McGary K. & Nudler, E. (2013). «РНҚ-полимераза және рибосома: тығыз байланыс». Микробиологиядағы қазіргі пікір. 16 (2): 112–117. дои:10.1016 / j.mib.2013.01.010. PMC  4066815. PMID  23433801.
  3. ^ а б Klaholz, B. (2017). «Рибосома бактериялардағы РНҚ-полимеразаны жолда ұстайды». Биохимия ғылымдарының тенденциялары. 42 (9): 686–689. дои:10.1016 / j.tibs.2017.07.003. PMID  28801047.
  4. ^ Дутта, Д .; Шаталин, К .; Эпштейн, V .; Gottesman, M. E. & Nudler, E. (2011). «РНҚ-полимеразаның артқы трекингін E. coli ішіндегі геномның тұрақсыздығымен байланыстыру». Ұяшық. 146 (4): 533–543. дои:10.1016 / j.cell.2011.07.034. PMC  3160732. PMID  21854980.
  5. ^ Чжу М .; Мори, М .; Хва, Т. & Дай, X. (2019). «Ішек таяқшасындағы транскрипция-трансляция координациясының бұзылуы транскрипцияның мерзімінен бұрын тоқтатылуына әкеледі». Табиғат микробиологиясы. 4 (12): 2347–2356. дои:10.1038 / s41564-019-0543-1. PMC  6903697. PMID  31451774.
  6. ^ Iost, I. & Dreyfus, M. (1995). «Escherichia coli lacZ mRNA тұрақтылығы оның синтезі мен трансляциясының бір мезгіліне байланысты». EMBO журналы. 14 (13): 3252–61. дои:10.1002 / j.1460-2075.1995.tb07328.x. PMC  394387. PMID  7542588.
  7. ^ Gowrishankar, J. & Harinarayanan, R. (2004). «Неліктен транскрипция бактериялардағы аудармамен үйлеседі?». Молекулалық микробиология. 54 (3): 598–603. дои:10.1111 / j.1365-2958.2004.04289.x. PMID  15491353.
  8. ^ Джонсон, Г. Лаланне, Дж .; Peters, M. L. & Li, G. (2020). «Bacillus subtilis ішіндегі функционалды түрде біріктірілген транскрипция-аударма». Табиғат. 585 (7823): 124–128. дои:10.1038 / s41586-020-2638-5. PMC  7483943. PMID  32848247.
  9. ^ а б в Вебстер, М. В .; Такакс, М .; Чжу, С .; Видмар, V .; Эдулджи, А .; Abdelkareem, M. & Weixlbaumer, A. (2020). «Бактериялардағы транскрипциялық-трансляциялық байланыстың және коллизияның құрылымдық негіздері». Ғылым. 369 (6509): 1355–1359. дои:10.1126 / science.abb5036. PMID  32820062. S2CID  221222557.
  10. ^ а б О'Рейли, Ф. Дж .; Сюэ, Л .; Гразиадей, А .; Синн, Л .; Ленц, С .; Тегунов, Д .; Блёц, С .; Сингх, Н .; Хаген, В .; Крамер, П .; Стюлке, Дж .; Махамид, Дж. Және Раппсилбер, Дж. (2020). «Белсенді транскрипциялау-аудару экспресомасының жасушалық архитектурасы». Ғылым. 369 (6503): 554–557. Бибкод:2020Sci ... 369..554O. дои:10.1126 / science.abb3758. hdl:21.11116 / 0000-0006-D30E-D. PMC  7115962. PMID  32732422.
  11. ^ а б Ванг, С .; Молодцов, В. Фирлар, Э .; Каэлбер Дж .; Блаха, Г .; Su, M. & Ebright, R. H. (2020). «Транскрипция-аударма байланысының құрылымдық негізі». Ғылым. 369 (6509): 1359–1365. дои:10.1126 / science.abb5317. PMID  32820061. S2CID  221220008.
  12. ^ Прошкин, С .; Рахмуни, А.Р .; Миронов, А. & Нудлер, Е. (2010). «Транскрипция созылуындағы трансляциялық рибосомалар мен РНҚ-полимераза арасындағы ынтымақтастық». Ғылым. 328 (5977): 504–508. Бибкод:2010Sci ... 328..504P. дои:10.1126 / ғылым.1184939. PMC  2930199. PMID  20413502.
  13. ^ Стивенсон-Джонс, Ф .; Вудгейт, Дж .; Кастро-Роа, Д. & Зенкин, Н. (2020). «Рибосома транскрипцияны тоқтатудан РНҚ-полимеразаны физикалық итеріп шығару арқылы транскрипцияны қайта белсендіреді». Ұлттық ғылым академиясының материалдары. 117 (15): 8462–8467. дои:10.1073 / pnas.1919985117. PMC  7165469. PMID  32238560.
  14. ^ Колер, Р .; Муни, Р.А .; Миллз, Дж .; Landick, R. & Cramer, P. (2017). «Транскрипциялау-аудару экспресомасының архитектурасы». Ғылым. 356 (6334): 194–197. Бибкод:2017Sci ... 356..194K. дои:10.1126 / ғылым.aal3059. PMC  5528865. PMID  28408604.
  15. ^ Turnbough, C. L. (2019). «Транскрипцияның әлсіреуімен бактериялардың ген экспрессиясын реттеу». Микробиология және молекулалық биологияға шолу. 83 (3). дои:10.1128 / MMBR.00019-19. PMC  6710462. PMID  31270135.
  16. ^ Янофский С (1981). «Бактериялық оперондардың экспрессиясын бақылаудағы әлсіреу». Табиғат. 289 (5800): 751–758. Бибкод:1981 ж.289..751Y. дои:10.1038 / 289751a0. PMID  7007895. S2CID  4364204.
  17. ^ а б Янофский С (2000). «Транскрипцияны әлсірету: бір кездері жаңа стратегиялық стратегия ретінде қарастырылған». Табиғат. 182 (1): 1–8. дои:10.1128 / jb.182.1.1-8.2000. PMC  94232. PMID  10613855.
  18. ^ а б Касай, Т. (1974). «Salmonella typhimurium-да гистидинді оперонның экспрессиясын реттеу». Табиғат. 249 (5457): 523–527. Бибкод:1974 ж.29..523K. дои:10.1038 / 249523a0. PMID  4599761. S2CID  472218.
  19. ^ Джонстон, Х. М .; Барнс, В.М .; Чамли, Ф. Г .; Bossi, L. & Roth, J. R. (1980). «Сальмонеллалардың гистидинді оперонын реттеу моделі». Ұлттық ғылым академиясының материалдары. 77 (1): 508–512. Бибкод:1980PNAS ... 77..508J. дои:10.1073 / pnas.77.1.508. PMC  348301. PMID  6987654.
  20. ^ Ландик, Р .; Кэри, Дж. & Янофский, C. (1985). «Аударма кідіртілген транскрипция кешенін белсендіреді және trp operon көшбасшысы аймағының транскрипциясын қалпына келтіреді». Ұлттық ғылым академиясының материалдары. 82 (14): 4663–4667. Бибкод:1985PNAS ... 82.4663L. дои:10.1073 / pnas.82.14.4663. PMC  390446. PMID  2991886.
  21. ^ Луззати, Д. (1970). «Ламбда экзонуклеаза синтезінің реттелуі: N ген өнімі мен лямбда репрессорының рөлі». Молекулалық биология журналы. 49 (2): 515–519. дои:10.1016/0022-2836(70)90261-5. PMID  4915096.
  22. ^ Әнші, C. Е .; Смит, Г.Р .; Кортезе, Р. & Эймс, Б.Н. (1972). «Мутантты тРНҚ Оның қуғын-сүргін кезінде тиімсіз және екі псевдоуридиндік модификациясының болмауы». Табиғат жаңа биология. 238 (81): 72–74. дои:10.1038 / newbio238072a0. PMID  4558263.
  23. ^ Джексон, Э. Н. & Янофский, C. (1973). «Escherichia coli триптофан оперонының операторы мен бірінші құрылымдық генінің арасындағы аймақ реттеу функциясын атқаруы мүмкін». Молекулалық биология журналы. 76 (1): 89–101. дои:10.1016 / 0022-2836 (73) 90082-x. PMID  4578102.
  24. ^ Элгамал, С .; Арцимович, Мен .; Ибба, М. & Бреннер, С. (1965). «Ішек таяқшасының лак оперонындағы мағынасыз мутанттар мен полярлық». Молекулалық биология журналы. 14: 290–296. дои:10.1016 / s0022-2836 (65) 80250-9. PMID  5327654.
  25. ^ а б Ньютон, В.А .; Беквит, Дж. Р .; Zipser, D. & Brenner, S. (1965). «Ішек таяқшасының лак оперонындағы мағынасыз мутанттар мен полярлық». Молекулалық биология журналы. 14 (1): 290–296. дои:10.1016 / s0022-2836 (65) 80250-9. PMID  5327654.
  26. ^ Ричардсон, Дж. П. (1991). «Rho факторы бойынша пайдаланылмаған транскрипттердің синтезінің алдын алу». Ұяшық. 64 (6): 1047–1049. дои:10.1016 / 0092-8674 (91) 90257-ж. PMID  2004415. S2CID  38795667.
  27. ^ а б в Бирн Р (1964). «ДНҚ-рибосома кешенінің экстро витро түзілуі». Ұлттық ғылым академиясының материалдары. 52 (1): 140–148. Бибкод:1964 PNAS ... 52..140B. дои:10.1073 / pnas.52.1.140. PMC  300586. PMID  14192650.
  28. ^ а б Бладен Х.А. (1965). «In vitro түзілген ДНҚ-рибосома кешенін электронды микроскопиялық зерттеу». Молекулалық биология журналы. 11: 78 – IN9. дои:10.1016 / s0022-2836 (65) 80172-3. PMID  14255762.