11.1: Atenuación de la transcripción en procariotas

La atenuación transcripcional ocurre cuando la transcripción del ARN termina prematuramente debido a la formación de una estructura de horquilla terminadora de ARNm. Las bacterias utilizan estas horquillas para regular el proceso de transcripción y controlar la síntesis de varios aminoácidos, incluidos histidina, lisina, treonina y fenilalanina. La atenuación de la transcripción tiene lugar en las regiones no codificantes del ARNm.

Existen varios mecanismos diferentes que se utilizan para atenuar la transcripción. En la atenuación transcripcional mediada por ribosomas, el movimiento de un ribosoma en la transcripción se detiene o avanza dependiendo de la disponibilidad de los ARNt cargados con un aminoácido específico. Las altas concentraciones de aminoácidos permiten que el ribosoma avance y conduzca a la formación de la estructura terminadora; La deficiencia del aminoácido detiene el ribosoma y provoca la formación de la estructura anti-terminador. El operón trp en E. coli, que se analiza más adelante, es un buen ejemplo de este tipo de mecanismo. La atenuación transcripcional mediada por ARNt, como se observa en el operón trp de Lactococcus lactis, depende de una interacción ARN-ARN. Cuando los ARNt no cargados están presentes en cantidades suficientes, se unen directamente al ARNm y estabilizan la estructura anti-terminador. También se sabe que la atenuación transcripcional está mediada por proteínas como las que se encuentran en el operón bgl (beta-glucósido) en E. coli. Esto implica una interacción ARN-proteína donde una proteína se une al transcrito y regula la formación de una estructura anti-terminador. Más recientemente, se descubrió otro mecanismo de atenuación transcripcional en el que se observó que pequeños metabolitos como la tiamina regulaban la transcripción uniéndose directamente a los segmentos de ARNm no codificantes, también conocidos como riboswitches. Los riboswitches pueden formar una estructura terminadora o anti-terminadora dependiendo de la concentración y la naturaleza de un metabolito.

Operón Trp

El operón trp en E. coli contiene una secuencia líder de 140 nucleótidos antes de su primer gen estructural. Esta secuencia líder tiene cuatro segmentos distintos (del 1 al 4) y regula la transcripción de los genes estructurales posteriores. El segmento 1 puede formar una estructura de horquilla con el segmento 2. Esta estructura de 1-2 horquillas se conoce como estructura de pausa, ya que durante la transcripción, detiene la ARN polimerasa hasta que el ribosoma se une al ARN recién transcrito. Esto sincroniza la transcripción y la traducción en las bacterias. Cuando las concentraciones de triptófano son bajas, se forma una estructura en horquilla entre los segmentos 2 y 3, conocida como estructura anti-terminador. Esta estructura anti-terminador permite la transcripción continua de los genes posteriores que producen enzimas para la síntesis de triptófano. Por el contrario, cuando las concentraciones de triptófano son suficientes, se forma una estructura en horquilla entre los segmentos 3 y 4, denominada estructura terminadora. Junto con una serie de bases de uracilo que siguen, la estructura terminadora hace que la ARN polimerasa se disocia de las cadenas de ARN y ADN molde, lo que resulta en la terminación de la transcripción.

La atenuación transcripcional es la terminación temprana de la transcripción para evitar la expresión génica posterior. Esta es una de las varias estrategias que utilizan las bacterias para regular la síntesis de biomoléculas de acuerdo con sus necesidades metabólicas.

La atenuación transcripcional se identificó por primera vez en E. coli en el operón trp. El operón contiene un promotor y un operador, así como cinco genes, trp A a E, que codifican las enzimas necesarias para la síntesis de triptófano.

Antes del primer gen trp E, el operón trp tiene una secuencia líder que codifica el ARNm con cuatro segmentos distintos, numerados del 1 al 4.

Un anti-terminador de transcripción se forma cuando el segmento 3 se pliega en una estructura de horquilla con el segmento 2. Alternativamente, se produce un terminador de transcripción cuando el segmento 3 forma una estructura de horquilla con el segmento 4, lo que permite que el segmento 2 forme una horquilla con el segmento 1 en su lugar.

En las bacterias, la transcripción y la traducción pueden ocurrir simultáneamente. Tan pronto como el extremo 5' del ARN mensajero es sintetizado por la ARN polimerasa, un ribosoma puede unirse y comenzar la síntesis de proteínas.

El segmento 1 del operón trp contiene dos codones de triptófano. Cuando el ribosoma se encuentra con estos codones y hay altos niveles de triptófano, el triptofanil-ARNt, que es un ARNt cargado de triptófano, se unirá rápidamente a los codones, lo que permitirá que el ribosoma continúe avanzando.

Cuando el ribosoma alcanza el segmento 2, este segmento no estará disponible para unirse al segmento 3. El segmento 3 formará entonces la horquilla del terminador con el segmento 4.

Este terminador hace que la ARN polimerasa se desprenda de la plantilla de ADN y deje de sintetizar el ARNm en crecimiento. Esto asegura que los genes necesarios para la síntesis de triptófano no se transcriban cuando el triptófano está fácilmente disponible.

Sin embargo, si los niveles de triptófano son bajos, no habrá suficiente triptofanil-ARNt para unirse a los codones en el segmento 1. Esto dará lugar a que el ribosoma se detenga en estos codones.

Ahora el segmento 2 formará la horquilla anti-terminador con el segmento 3, y la horquilla del terminador no se puede formar entre los segmentos 3 y 4.

La ausencia del terminador permite que la ARN polimerasa continúe su transcripción del operón trp.