11.1: Hamowanie transkrypcji u prokariotów

Hamowanie transkrypcji ma miejsce, gdy transkrypcja RNA zostaje przedwcześnie zakończona z powodu utworzenia struktury spinki do włosów terminatora mRNA. Bakterie wykorzystują te spinki do włosów do regulowania procesu transkrypcji i kontrolowania syntezy kilku aminokwasów, w tym histydyny, lizyny, treoniny i fenyloalaniny. Hamowanie transkrypcji ma miejsce w niekodujących regionach mRNA.

Istnieje kilka różnych mechanizmów stosowanych do hamowania transkrypcji. Hamowanie za pośrednictwem rybosomów zachodzi gdy ruch rybosomu w transkrypcie zostaje zatrzymany lub postępuje dalej, w zależności od dostępności tRNA obciążonych określonym aminokwasem. Wysokie stężenia aminokwasów umożliwiają rybosomowi przemieszczanie się do przodu, co prowadzi do powstania struktury terminatora; niedobór aminokwasu blokuje rybosom i powoduje utworzenie struktury antyterminatorowej. Omówiony poniżej operon trp w E. coli jest dobrym przykładem tego typu mechanizmu. Hamowanie transkrypcji za pośrednictwem tRNA, obserwowane w operonie trp Lactococcus lactis, zależy od interakcji RNA-RNA. Kiedy nienaładowane tRNA są obecne w wystarczającej liczbie, bezpośrednio wiążą się z mRNA i stabilizują strukturę antyterminatora. Wiadomo również, że w hamowaniu transkrypcji pośredniczą białka występujące w operonie bgl (beta-glukozydowym) w E. coli. Obejmuje to interakcję RNA-białko, podczas której białko wiąże się z transkryptem i reguluje tworzenie struktury antyterminatorowej. Niedawno odkryto inny mechanizm hamowania transkrypcji, w którym zaobserwowano, że małe metabolity, takie jak tiamina, regulują transkrypcję poprzez bezpośrednie wiązanie się z niekodującymi segmentami mRNA, znanymi również jako ryboprzełączniki. Ryboswitchy mogą tworzyć strukturę terminatora lub antyterminatora, w zależności od stężenia i charakteru metabolitu.

Operon tryptofanowy (trp)

Operon trp w E. coli zawiera sekwencję liderową o długości 140 nukleotydów przed swoim pierwszym genem strukturalnym. Ta sekwencja liderowa ma cztery odrębne segmenty – od 1 do 4 – i reguluje transkrypcję dalszych genów strukturalnych. Segment 1 może tworzyć strukturę spinki do włosów z segmentem 2. Ta struktura 1-2 spinki do włosów jest znana jako struktura pauzy, ponieważ podczas transkrypcji wstrzymuje polimerazę RNA do czasu, aż rybosom zwiąże nowo transkrybowany RNA. Synchronizuje to transkrypcję i translację u bakterii. Kiedy stężenie tryptofanu jest niskie, pomiędzy segmentami 2 i 3 tworzy się struktura typu „spinka do włosów”, zwana strukturą antyterminatora. Ta struktura antyterminatorowa umożliwia ciągłą transkrypcję dalszych genów, które wytwarzają enzymy do syntezy tryptofanu. Natomiast, gdy stężenie tryptofanu jest wystarczające, pomiędzy segmentami 3 i 4 tworzy się struktura typu „spinka do włosów”, zwana strukturą terminatora. Wraz z serią następujących po sobie zasad uracylowych, struktura terminatora powoduje, że polimeraza RNA oddziela się od nici RNA i matrycowego DNA, co powoduje zakończenie transkrypcji.

Tłumienie transkrypcji to wczesne zakończenie transkrypcji w celu zapobieżenia dalszej ekspresji genów. Jest to jedna z kilku strategii stosowanych przez bakterie do regulowania syntezy biomolekuł zgodnie z ich potrzebami metabolicznymi.

Tłumienie transkrypcji zostało po raz pierwszy zidentyfikowane u E. coli w operonie trp. Operon zawiera promotor i operatora, a także pięć genów, od A do E, które kodują enzymy niezbędne do syntezy tryptofanu.

Przed pierwszym genem trp E, operon trp ma sekwencję lidera, która koduje mRNA z czterema odrębnymi segmentami, ponumerowanymi od 1 do 4.

Antyterminator transkrypcji powstaje, gdy segment 3 składa się w strukturę spinki do włosów z segmentem 2. Alternatywnie, terminator transkrypcji występuje, gdy segment 3 tworzy strukturę spinki do włosów z segmentem 4, umożliwiając segmentowi 2 utworzenie spinki do włosów z segmentem 1.

U bakterii transkrypcja i translacja mogą zachodzić jednocześnie. Gdy tylko koniec 5' informacyjnego RNA zostanie zsyntetyzowany przez polimerazę RNA, rybosom może się związać i rozpocząć syntezę białek.

Segment 1 operonu trp zawiera dwa kodony tryptofanu. Kiedy rybosom napotka te kodony i obecne są wysokie poziomy tryptofanu, tryptofanyl-tRNA, który jest tRNA załadowanym tryptofanem, szybko zwiąże się z kodonami, umożliwiając rybosom dalszy ruch do przodu.

Gdy rybosom osiągnie segment 2, ten segment nie będzie dostępny do związania się z segmentem 3. Segment 3 utworzy następnie spinkę do włosów terminatora z segmentem 4.

Ten terminator powoduje, że polimeraza RNA odłącza się od matrycy DNA i przestaje syntetyzować rosnące mRNA. Gwarantuje to, że geny potrzebne do syntezy tryptofanu nie są transkrybowane, gdy tryptofan jest łatwo dostępny.

Jeśli jednak poziom tryptofanu jest niski, nie będzie wystarczającej ilości tRNA tryptofanylu, aby związać się z kodonami w segmencie 1. Spowoduje to zatrzymanie rybosomu w tych kodonach.

Teraz segment 2 utworzy spinkę do włosów anty-terminatora z segmentem 3, a spinka do włosów terminatora nie może utworzyć się między segmentami 3 i 4.

Brak terminatora pozwala polimerazie RNA kontynuować transkrypcję operonu trp.