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11.1:

Attenuazione della trascrizione nei procarioti

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Molecular Biology
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Transcription Attenuation in Prokaryotes

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L’attenuazione trascrizionale è la terminazione precoce della trascrizione per prevenire l’espressione genica a valle. Questa è una delle diverse strategie, che i batteri usano per regolare la sintesi delle biomolecole secondo le loro esigenze metaboliche. L’attenuazione trascrizionale è stata identificata per la prima volta in E.coli, a livello di operone trp.L’operone contiene un promotore e un operatore, nonché cinque geni, trPA attraverso E, che codificano per gli enzimi richiesti per la sintesi del triptofano. Prima del primo gene, trpE, l’operone trp ha una sequenza leader, che codifica mRNA con quattro segmenti distinti, numerati da 1 a 4. Un anti-terminatore di trascrizione forma un segmento a 3 pieghe in una struttura a forcina con il segmento 2.In alternativa, si verifica un terminatore di trascrizione, quando il segmento 3 forma una struttura a forcina con il segmento 4, consentendo al segmento 2 di formare una forcina con il segmento 1. Nei batteri, la trascrizione e la traduzione possono avvenire simultaneamente. Non appena l’estremità cinque-primi dell’RNA messaggero viene sintetizzata da RNA polimerasi, un ribosoma può legarsi e iniziare la sintesi proteica.Il segmento 1 dell’operone trp contiene due codoni triptofani. Quando il ribosoma incontra questi codoni e alti livelli di triptofano sono presenti, il triptofanil-tRNA, che è tRNA caricato con triptofano, 00:01:34.500 00 legherà rapidamente i codoni, permettendo al ribosoma 01:00:38.010.01 38.010 00 01 39.420 di continuare ad avanzare. Quando il ribosoma raggiunge il segmento 2, questo segmento non sarà disponibile per il binding al segmento 3.Il segmento 3 formerà quindi la forcella di terminazione con il segmento 4. Questo terminatore fa sì che la RNA polimerasi si stacchi dal DNA stampo e si arresti sintetizzando il mRNA in crescita, assicurando inoltre, che i geni necessari per la sintesi del triptofano non siano trascritti quando il triptofano è prontamente disponibile. Tuttavia, se i livelli di triptofano sono bassi, non ci sarà abbastanza triptofanil-tRNA da legare i codoni nel segmento 1.Questo farà sì che il ribosoma si blocchi a questi codoni, ora il segmento 2 formerà la forcina anti-terminazione con il segmento 3, e la forcina terminatrice non si può formare tra segmenti 3 e 4. L’assenza del terminatore permette alla RNA polimerasi di continuare la sua trascrizione dell’operone trp.

11.1:

Attenuazione della trascrizione nei procarioti

Transcriptional attenuation occurs when RNA transcription is prematurely terminated due to the formation of a terminator mRNA hairpin structure.  Bacteria use these hairpins to regulate the transcription process and control the synthesis of several amino acids including histidine, lysine, threonine, and phenylalanine. Transcription attenuation takes place in the non-coding regions of mRNA.

There are several different mechanisms used to attenuate transcription. In ribosome mediated transcriptional attenuation, the movement of a ribosome on the transcript is stalled or proceeds forward depending upon the availability of the tRNAs charged with a specific amino acid. High amino acid concentrations allow the ribosome to move forward leading to the formation of the terminator structure; deficiency of the amino acid stalls the ribosome and causes formation of the anti-terminator structure. The trp operon in E. coli, discussed below, is a good example of this type of mechanism. tRNA mediated transcriptional attenuation, as observed in trp operon of Lactococcus lactis, depends on an RNA-RNA interaction. When uncharged tRNAs are present in sufficient numbers, they directly bind to the mRNA and stabilize the anti-terminator structure. Transcriptional attenuation is also known to be mediated by proteins as found in bgl (beta-glucoside) operon in E. coli.  This involves an RNA—protein interaction where a protein binds to the transcript and regulates the formation of an anti-terminator structure. More recently, another transcriptional attenuation mechanism was discovered where small metabolites like thiamine were observed to regulate transcription by directly binding to the non-coding mRNA segments, also known as riboswitches. Riboswitches can form a terminator or an anti-terminator structure depending upon the concentration and nature of a metabolite. 

Trp Operon

The trp operon in E. coli contains a 140 nucleotide leader sequence before its first structural gene. This leader sequence has four distinct segments – 1 through 4– and regulates the transcription of the downstream structural genes. Segment  1 can form a hairpin structure with segment  2. This 1-2 hairpin structure is known as a pause structure, as during transcription, it stalls RNA polymerase until the ribosome binds the newly transcribed RNA. This synchronizes transcription and translation in bacteria.  When tryptophan concentrations are low, a hairpin structure forms between segments 2 and 3, known as the anti-terminator structure. This anti-terminator structure allows the continuous transcription of the downstream genes which produce enzymes for tryptophan synthesis. In contrast, when tryptophan concentrations are sufficient, a hairpin structure forms between segments 3 and 4, called the terminator structure. Along with a  series of uracil bases that follow, the terminator structure causes RNA polymerase to dissociate from the RNA and template DNA strands, resulting in the termination of the transcription.

Suggested Reading

  1. Yanofsky, Charles. "Transcription attenuation." Journal of Biological Chemistry 263, no. 2 (1988): 609-612.
  2. Yanofsky, Charles. "Transcription attenuation: once viewed as a novel regulatory strategy." Journal of Bacteriology 182, no. 1 (2000): 1-8.
  3. Yanofsky, Charles. "RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria." RNA 13, no. 8 (2007): 1141-1154.