Atenuaator (geneetika)
 |
Selles artiklis on õigekeele- või stiilivigu. Palun aita artiklit keeleliselt parandada. |
Atenuaator on spetsiifiline regulatoorne DNA järjestus, millelt transkribeeritud RNA moodustab sekundaarstruktuuri. Atenuaator mängib olulist regulatoorset rolli prokarüootides, kuna neis puudub tuum. See struktuur saab reguleerida translatsiooni aktiivsust sõltuvalt erinevatest faktoritest.
Sisukord |
trp-operon[muuda]
Heaks näiteks on trp-operon bakterites. Kui rakus on suur trüptofaani kontsentratsioon, siis bakteril ei ole vaja seda juurde sünteesida. Kui RNA polümeraas seondub trp-geenijärjestusele, siis ribosoom hakkab kohe transleerima. (See erineb translatsioonist eukarüootides. Seal peab RNA kõigepealt väljuma tuumast). Atenuatsioonijärjestus asub mRNA liider-järjestuse (5´-UTR) ja trp-operoni geeni vahel ning sisaldab 4 põhilist domääni, mis saavad sõltuvalt tingimustest omavahel spetsiifiliselt paarduda. (Ehk kolmas saab siduda kas teise või neljandaga).[1]
Atenuaator esimeses domäänis on trüptofaani sisaldavate peptiidide sünteesi "juhend" ehk instruktsioon. Kõrge trüptofaani kontsentratsioon annab ribosoomile võimalust transleerida valgu regioonidest 1 ja 2, mis omakorda võimaldab kolmandal ja neljandal domäänil moodustada juuksenõelastruktuuri. Selline olukord peatab transkriptsiooni trp-operoni pealt, mis tähendab, et trüptofaani enam ei sünteesita.
Madalal trüptofaani kontsentratsioonil jääb ribosoom esimese domääni peal seisma, mis annab teisele ja kolmandale domäänile võimaluse moodustada juuksenõelastruktuuri, kuid see ei peata transktriptsiooni. See tähendab, et operoni teist osa saab transkribeerida ning transleerida, mis omakorda suurendab trüptofaani kontsentratsiooni. Seega toimib neljas domään atenuaatorina. Ilma selleta toimuks trüptofaani süntees sõltumatult enda kontsentratsioonist. [2] Atenuaator-järjestuse translatsioonil sünteesitakse liider-peptiid, aga see ei ole trp-operoni geeni järjestuse osa. Atenuaator annab piisava aega juuksenõelastruktuuride moodustumiseks, kuid selle pealt ei transleerita valku, mida saaks hiljem kasutusele võtta trüptofaani sünteesil.
Atenuatsioon on trp-operonis negatiivse tagasisideme teine mehhanism. Esimene on reguleeritud TrpR repressori poolt ning mõlema mehhanismi koostöö on oluline trüptofaani sünteesi õigeks regulatsiooniks. Atenuatsioon on prokarüootides võimalik seetõttu, et neil ei ole tuuma ning ribosoom saab alustada mRNA translatsiooni samal ajal, kui RNA polümeraas transkribeerib DNA-d. See võimaldab translatsiooni abil reguleerida transkriptsiooni.
Transkribeeritud geenide alguses on 140 nukleotiidi pikkune lõik, mida nimetatakse liider-järjestuseks (trpL). Selles transkriptis on 4 regiooni (1-4). Regioonid 1 ja 2, 2 ja 3, 3 ja 4 on omavahel osaliselt komplementaarsed, mis võimaldab neil moodustada juuksenõelastruktuure. Esimese ja teise hübridisatsioon tekitab nn 1-2 struktuuri, mis pärsib 2-3 struktuuri moodustumist. 2-3 struktuur aga pärsib 3-4 struktuuri moodustumist. 3-4 on tranksriptsiooni terminatsiooni struktuur, mille tekkimisel RNA polümeraas dissotseerub DNA-lt ning trp-operoni struktuursete geenide süntees katkeb.
Osa liider-transkriptist kodeerib lühikest 14-aminohappelist peptiidi, mis ongi liider-peptiid. Selle sees on kahte kõrvutipaiknevat trüptofaanijääki, mis on küllaltki haruldane aminohape (üks sajast aminohapest on tüüpilises E. coli valgus tavaliselt trüptofaan). Kui ribosoom hakkaks transleerima seda peptiidi trüptofaani madalal kontsentratsioonil, siis translatsioon seiskuks ühel trüptofaani koodonotitest. Peatunud ribosoom blokeerib esimest järjestust transkriptil, pärssides 1-2 juuksunõelastruktuuri moodustumist. Seetõttu moodustub 2-3 struktuur, mis pärsib termineeriva ehk 3-4 juuksenõelastruktuuri moodustumist. RNA polümeraas saab edasi transkribeerida seda operoni. Kuid juhul kui trüptofaani tase on tõusnud piisavalt kõrgele, transleerib ribosoom tervet liider-peptiidi ilma takistusteta ning jääb seisma alles translatsiooni terminaator-koodoni peal. Selles asendis blokeerib ribosoom nii esimese kui teise järjestuse. Kolmas ja neljas järjestus moodustuvad siis 3-4 termineerimis-juuksenõelastruktuuri. Selle tulemusena saab operoni transleerida ainult siis, kui trüptofaani kontsentratsioon rakus on madal ning trpL-i on rakus piisavalt vähe.
Ribosoomi kindlaks seondumiseks liider-transkriptile ning translatsiooni alustamiseks kohe pärast sünteesi teeb RNA polümeraas trpL järjestuses ühes kindlas kohas pausi. Selle saidini jõudmisel RNA polümeraas peatub ning arvatavasti ootab translatsiooni algust. Selline mehhanism võimaldab sünkroniseerida transkriptsiooni ja translatsiooni toimumist, mis on ka atenuatsiooni üks põhielemente.
Sarnane atenuatsioonimehhanism reguleerib histidiini, fenüülalaniini ning treoniini sünteesi.
Geeni ekspressiooni kontroll[muuda]
Charles Yanofski avastas atenuatsiooni E. coli trp-operonis.[3] Bakterites, kus TrpR valk oli inaktiivne, oli ikka näha selle operoni regulatsiooni. Totaalne regulatsiooni tase trp-operonis oli trpR mutantidel seitse korda madalam kui metsiktüübil, kuid siiski märkimisväärne. Seega on olemas lisaks mingi muu trüptofaani kontsentratsioonist sõltuv regulatsioonimehhanism. trp-operoni kogujärjestuse sekveneerimisel oli kohe märgatav ebatavaline avatud lugemisraam (ORF) enne trüptofaani biosünteesi ensüümide kodeerivat struktuurset ORF-i.
Alguses märkas Yanofski, et ORF sisaldab kahte tandeemset trüptofaani koodonit ning valgus oli 10 korda rohkem trüptofaani aminohappeid kui tavaliselt. Selgus, et selle regiooni mRNA sisaldab palindroomset järjestust, mis võimaldaks kahe üksteist välistava struktuuri moodustumist. Üks nendest omab struktuurseid sarnasusi rho-sõltumatu transkriptsiooni terminatsiooni signaaliga. Teine sekundaarstruktuur blokeerib esimese moodustumist ning on selle tõttu terminaator. Seda teist struktuuri nimetatakse preemptoriks.[4]
trp-operoni toimimismehhanism[muuda]
Oletatavad mRNA sekundaarstruktuuride ning liiderpeptiidi trüptofaani biosünteesi ensüümide regulatsioonimehhanismid on:
- RNA polümeraas alustab trp-promootori transkriptsiooni
- RNA polümeraas peatub umbes 90. nukleotiidil sekundaarstruktuuri juures
- Ribosoomid seonduvad juba sünteesitud mRNA-le ning alustavad translatsiooni
- Seejärel RNA polümeraas vabastatakse ning see jätkab transkribeerimist
- Potentsiaalse terminaator-regioonini jõudes sõltub RNA polümeraasi edasiliikumine tagapool liikuvatest ribosoomidest.
- peatudes tandeemsetel trp-koodonitel hakkab ribosoom ootama õiget tRNA-d. Kuna trüptofaani kontsentratsioon on madal, ei leidu rakus trüptofaani-kandvat tRNA-d. Sellisel juhul jääb esimene regioon ribosoomi sisse ning ei saa moodustada sekundaarstruktuuri teise regiooniga. Seega paarduvad teine ja kolmas regioon ning moodustub sekundaarstruktuur, mis omakorda ei lase neljandal regioonil paarduda kolmanda regiooniga. Seetõttu terminatsioonistruktuuri ei moodustu ning transkriptsioon jätkub.
- Piisava trüptofaani-kandvate tRNAde kontsentratsiooni korral rakus transleerib ribosoom liiderpeptiidi ilma häireteta ning peatub teisel regioonil, mistõttu ei saa moodustuda 2-3 struktuur. Moodustub terminatsiooni-juuksenõelastruktuur 3-4 ning transkriptsioon peatub.
- Kontrollimehhanism määrab kindlaks piiri, millal trüptofaani-kandvaid tRNA-sid on piisavalt palju transkriptsiooni termineerimiseks.
Ribosoomi paigutumine määrab kindlaks, milline sekundaarstruktuur moodustub ning kas transkriptsioon jätkub või peatub.[5]
Teised operonid, mis on kontrollitud atenuatsiooni poolt[muuda]
Selle regulatsioonimehhanismi avastamine viis nende avastamiseni ka teistes operonides, kus varem ei olnud repressoritest midagi teada:
| Operon | Liiderpeptiid |
|---|---|
| Histidiin | MTRVQFKHHHHHHHPD stop |
| Treoniin | MKRISTTITTTITITTGNGAG stop |
| Ilv (GEDA) | MTALLRVISLVVISVVVIIIPPCGAALGRGKA stop |
| IlvB | MTTSMLNAKLLPTAPSAAVVVVRVVVVVGNAP stop |
| Leutsiin | MSHIVRFTGLLLLNAFIVRGRPVGGIQH stop |
| Fenüülalaniin | MKHIPFFFAFFFTFP stop |
Aminohapete ilmnemise sagedus valkudes[muuda]
| Aminohape | Sagedus (%) |
|---|---|
| Alaniin | 8,6 |
| Glütsiin | 8,4 |
| Leutsiin | 7,4 |
| Seriin | 7,0 |
| Lüsiin | 6,6 |
| Valliin | 6,6 |
| Treoniin | 6,1 |
| Glutamaat | 6,0 |
| Aspartaat | 5,5 |
| Proliin | 5,2 |
| Arginiin | 4,9 |
| Isoleutsiin | 4,5 |
| Asparagiin | 4,3 |
| Glutamiin | 3,9 |
| Fenüülalaniin | 3,6 |
| Türosiin | 3,4 |
| Tsüsteiin | 2,9 |
| Histidiin | 2,0 |
| Metioniin | 1,7 |
| Trüptofaan | 1,3 |
Atenuatsioon eukarüootides[muuda]
MicroRNA protsessingu uuringud näitasid, et atenuatsioon esineb ka eukarüootides.
Viited[muuda]
- ↑ Crawford IP, Stauffer GV. Regulation of tryptophan biosynthesis. Annu Rev Biochem. 1980;49:163–195.
- ↑ The trp Operon - a repressible system
- ↑ Yanofsky C. Attenuation in the control of expression of bacterial operons. Nature. 1981 Feb 26;289(5800):751–758.
- ↑ Platt T. Termination of transcription and its regulation in the tryptophan operon of E. coli. Cell. 1981 Apr;24(1):10–23.
- ↑ Zurawski G, Elseviers D, Stauffer GV, Yanofsky C. Translational control of transcription termination at the attenuator of the Escherichia coli tryptophan operon. Proc Natl Acad Sci U S A. 1978 Dec;75(12):5988–5992.
Täiendavaks lugemiseks[muuda]
- Lee F, Yanofsky C. Transcription termination at the trp operon attenuators of Escherichia coli and Salmonella typhimurium: RNA secondary structure and regulation of termination. Proc Natl Acad Sci U S A. 1977 Oct;74(10):4365–4369.
- Stauffer GV, Zurawski G, Yanofsky C. Single base-pair alterations in the Escherichia coli trp operon leader region that relieve transcription termination at the trp attenuator. Proc Natl Acad Sci U S A. 1978 Oct;75(10):4833–4837.
- Zurawski G, Yanofsky C. Escherichia coli tryptophan operon leader mutations, which relieve transcription termination, are cis-dominant to trp leader mutations, which increase transcription termination. J Mol Biol. 1980 Sep 5;142(1):123–129.
