11.2: Ryboprzełączniki

Ryboprzełączniki to niekodujące domeny mRNA, które regulują transkrypcję i translację dalszych genów bez pomocy białek. Ryboprzełączniki wiążą się bezpośrednio z metabolitem i mogą tworzyć unikalne struktury typu pętla łodygi lub spinka do włosów w odpowiedzi na ilość obecnego metabolitu. Mają dwa odrębne regiony – aptamer wiążący metabolity i platformę ekspresyjną.

Aptamer ma wysoką specyficzność w stosunku do konkretnego metabolitu, co pozwala ryboprzełącznikom na specyficzną regulację transkrypcji nawet w obecności wielu innych biomolekuł. Aptamery wiążą szereg cząsteczek organicznych, w tym puryn, koenzymów i aminokwasów. Wiążą także cząsteczki nieorganiczne, takie jak kationy magnezu i aniony fluoru. Większość aptamerów wiąże swoje ligandy poprzez wiązania wodorowe lub oddziaływania elektrostatyczne. Może istnieć jedno lub wiele miejsc wiązania liganda na ryboprzełączniku. W ryboprzełączniku lizynowym na aptamerze obecne jest pojedyncze miejsce wiązania lizyny. Natomiast w ryboprzełączniku glicynowym na mRNA obecne są dwa oddzielne aptamery specyficzne dla glicyny, co pozwala aptamerowi wykrywać tylko bardzo wysokie stężenia glicyny, ponieważ ryboprzełącznik działa tylko wtedy, gdy związane są dwie cząsteczki.

Platforma ekspresyjna reguluje transkrypcję lub translację poprzez utworzenie struktury antyterminatora lub terminatora. Tworzenie tych struktur zależy od wiązania metabolitu z aptamerem. W niskich stężeniach metabolity nie będą wiązać się z aptamerem. To zasygnalizuje platformie ekspresyjnej utworzenie struktury antyterminatora, która umożliwi kontynuację transkrypcji lub translacji. W przeciwieństwie do tego, gdy metabolit występuje w wysokich stężeniach, będzie wiązał się z aptamerem. W tym przypadku platforma ekspresyjna tworzy strukturę terminatora, po której następuje szereg reszt uracylu, co zmusza polimerazę RNA do oddzielenia się od transkryptu i nici DNA, kończąc w ten sposób transkrypcję. Platforma ekspresyjna może również hamować wiązanie rybosomów z transkryptem, tworząc strukturę typu spinki do włosów z miejscem wiązania rybosomu, znaną również jako sekwencja Shine-Dalgarno, zapobiegając inicjacji translacji. Innym mechanizmem, za pomocą którego ryboprzełączniki regulują transkrypcję, jest działanie jako enzymy RNA, czyli rybozymy, co widać w rybozymie-ryboprzełączniku glmS. Te rybozymy rozszczepiają mRNA ryboprzełącznika, gdy metabolit jest związany, a następnie pozostały mRNA jest degradowany przez RNazę, co prowadzi do zahamowania translacji.

Uważano, że ryboprzełączniki występują tylko u bakterii i archeonów, ale ostatnio zaobserwowano je również u roślin i grzybów. Jak dotąd u eukariontów znaleziono jedynie ryboprzełączniki specyficzne dla pirofosforanu tiaminy (TPP). W przeciwieństwie do bakterii, geny eukariotyczne zawierają introny, które nie pozwalają na jednoczesne zajście transkrypcji i translacji w tym samym transkrypcie; dlatego te ryboprzełączniki regulują transkrypcję poprzez alternatywny splicing. U niektórych roślin ryboprzełączniki TPP jest obecny w nieulegającym translacji regionie intronu 3' genu THIC. Niski poziom TPP maskuje pobliskie miejsce splicingu 5' nieulegającego translacji regionu 3', tworząc stabilny mRNA. Jednakże, gdy obecne są wysokie stężenia TPP, TPP wiąże się z ryboprzełącznikiem i odsłania miejsce splicingu 5' nieulegającego translacji regionu 3'. Usunięcie intronu powoduje powstanie niestabilnego mRNA, które nie może wytwarzać białka.

Ryboprzełączniki to misternie pofałdowane struktury mRNA, które wiążą się bezpośrednio z metabolitem i włączają i wyłączają ekspresję genów znajdujących się dalej w trantransporcie.

Struktury te regulują syntezę różnych metabolitów, w tym guaniny, koenzymu B12 i lizyny. Zwykle znajdują się na niekodujących końcach 5' prokariotycznego mRNA i nie potrzebują białek do funkcjonowania.

Ryboprzełączniki mają dwie główne domeny – aptamer, wysoce specyficzny czujnik wiązania metabolitów, oraz platformę ekspresyjną, która działa jako efektor transkrypcji lub translacji.

Jeśli metabolit jest niewystarczający, nie może on związać się z aptamerem. Powoduje to, że platforma ekspresyjna tworzy strukturę anty-terminatorową, która umożliwia postęp transkrypcji i translacji.

Gdy metabolit jest obecny powyżej stężenia progowego, wiąże się z aptamerem. Zmienia to konformację platformy ekspresyjnej ze struktury antyterminatora na strukturę terminatora, która hamuje transkrypcję i translację.

Ryboprzełącznik może regulować ekspresję genów za pomocą dwóch odrębnych mechanizmów.

Pierwszy mechanizm wpływa na transkrypcję genów. Kiedy metabolit wiąże się z aptamerem, antyterminator przekształca się w terminator. Powoduje to uwolnienie polimerazy RNA z mRNA i matrycy DNA, co prowadzi do zakończenia transkrypcji.

Drugi mechanizm wpływa na translację mRNA. Gdy metabolit wiąże się z aptamerem, terminator blokuje miejsce wiązania rybosomu, uniemożliwiając mu wiązanie rybosomu i uniemożliwiając inicjację translacji.