Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Генетикада аттенюация – кейбір бактериялық оперондардың реттеу механизмі, ол транскрипцияның мерзімінен бұрын тоқталуына әкеледі. Көптеген генетика кіріспе оқулықтарында қолданылатын аттенюацияның классикалық мысалы – Trp оперонының рибосома арқылы жүзеге асырылатын аттенюациясы. Trp оперонының рибосома арқылы жүзеге асырылатын аттенюациясы бактерияларда транскрипция мен трансляцияның бір уақытта жүретініне негізделген. Аттенюация мРНҚ-ның лидерлік тізбегіне сәйкес келетін ДНК сегментінде орналасқан уақытша тоқтату сигналын (аттенюаторды) қамтиды. Аттенюация кезінде рибосома мРНҚ лидеріндегі аттенюатор аймағында тоқтап қалады (баяулайды). Метаболизмдік жағдайларға байланысты, аттенюатор транскрипцияны сол жерде тоқтатады немесе мРНҚ-ның құрылымдық гендік бөлігіне оқуға және тиісті белокты синтездеуге мүмкіндік береді. Аттенюация – Архея және Бактериялардың барлығында кездесетін, транскрипцияның мерзімінен бұрын тоқталуына себеп болатын реттеуші ерекшелік. Аттенюаторлар – 5' цис-әрекетті реттеуші аймақтар, олар транскрипцияның сәттілігін анықтайтын екі РНҚ құрылымның бірін құрайды. Бұл құрылымның қалыптасуын сенсорлық механизм реттейді, нәтижесінде Rho-тәуелсіз терминатор пайда болып, транскрипция үзіліп, функционалды емес РНҚ өнімі түзіледі; немесе функционалды РНҚ транскриптісін құрайтын антитерминаторлық құрылым пайда болады. Қазіргі кезде, транскрипция емес, трансляцияның Shine-Dalgarno тізбесін (рибосомалық байланысу орны) шашты тізбектік құрылымға қамау арқылы тоқтатылатын көптеген ұқсас мысалдар бар. Бұл бұрынғы (транскрипциялық) аттенюация анықтамасына сәйкес болмаса да, қазір олар осы құбылыстың варианттары болып саналады.
In genetics, attenuation is a regulatory mechanism for some bacterial operons that results in premature termination of transcription. The canonical example of attenuation used in many introductory genetics textbooks, is ribosome mediated attenuation of the trp operon. Ribosome mediated attenuation of the trp operon relies on the fact that, in bacteria, transcription and translation proceed simultaneously. Attenuation involves a provisional stop signal (attenuator), located in the DNA segment that corresponds to the leader sequence of mRNA. During attenuation, the ribosome becomes stalled (delayed) in the attenuator region in the mRNA leader. Depending on the metabolic conditions, the attenuator either stops transcription at that point or allows read through to the structural gene part of the mRNA and synthesis of the appropriate protein. Attenuation is a regulatory feature found throughout Archaea and Bacteria causing premature termination of transcription. Attenuators are 5' cis acting regulatory regions which fold into one of two alternative RNA structures which determine the success of transcription. The folding is modulated by a sensing mechanism producing either a Rho independent terminator, resulting in interrupted transcription and a non functional RNA product; or an anti terminator structure, resulting in a functional RNA transcript. There are now many equivalent examples where the translation, not transcription, is terminated by sequestering the Shine Dalgarno sequence (ribosomal binding site) in a hairpin loop structure. While not meeting the previous definition of (transcriptional) attenuation, these are now considered to be variants of the same phenomena
Кіші молекулалық медиацияланған әлсірету (рибоауыстырғыштар)
Рибосуичтер (мРНҚ басшы транскриптісінде) аминқышқылдары, нуклеотидтер, қанттар, дәрумендер, металл иондары және басқа да шағын молекулаларды байланыстырады, бірақ бұл аттенюаторлардың бұрынғы класына қарағанда әлдеқайда күрделі.
Riboswitch sequences (in the mRNA leader transcript) bind molecules such as amino acids, nucleotides, sugars, vitamins, metal ions and other small ligands but are significantly more complex than the previous class of attenuators.
Белсенділікпен байланысты әлсірету
Ақуыз-РНК өзара әрекеттесуі антитерминатор құрылымының қалыптасуын болдырмауы немесе тұрақтандыруы мүмкін. Жақында алынған деректер E. coli бактериясындағы суық шок ақуыздарының жоғарысында температураға тәуелді балама екіншілік құрылымдардың (Rho тәуелсіз терминаторларды қоса) бар екенін болжайды. Алғашқы байқау екі жеке ғылыми фактімен байланысты болды. Trp R (репрессор) генін жойған мутациялар trp оперонының реттелуін көрсетті (бұл мутанттар триптофанмен толыққанды индукцияланбады/басқыншылыққа ұшырамады). Trp оперонының реттелуінің жалпы диапазоны шамамен 700 есе (қосу/өшіру). Trp репрессоры жойылғанда, trp-ның болуы немесе болмауы арқылы 10 еседей реттелу сақталды. Trp оперонының бастапқы тізбегі анықталғанда, триптофан биосинтез ферменттерінің белгілі құрылымдық гендеріне дейін бірден ерекше ашық оқу тізбесі (ORF) байқалды. Төменде көрсетілген жалпы құрылымдық ақпарат trp оперонының тізбегінен алынған. Біріншіден, Янофский ORF-та екі тізбектелген Trp кодоны бар екенін және ақуыздың Trp құрамы шамамен 10 есе қалыпты екенін анықтады. Екіншіден, бұл аймақтағы мРНК-да екі жақты симметриялы аймақтар бар, бұл оған екі өзара ерекшеленетін екіншілік құрылымды қалыптастыруға мүмкіндік береді. Бір құрылым ро-тәуелсіз транскрипцияны тоқтату сигналына ұқсас. Егер екінші екіншілік құрылым қалыптасса, ол осы құрылымның қалыптасуын болдырмайды, сонымен қатар терминатордың да пайда болуын болдырмайды. Бұл басқа құрылым "алдын ала тоқтатушы" деп аталады.
Protein RNA interactions may prevent or stabilize the formation of an anti terminator structure. Recent data predict the existence of temperature dependent alternative secondary structures (including Rho independent terminators) upstream of cold shock proteins in E. coli. The first observation was linked to two separate scientific facts. Mutations which knocked out the trp R (repressor) gene still showed some regulation of the trp operon (these mutants were not fully induced/repressed by tryptophan). The total range of trp operon regulation is about 700 X (on/off). When the trp repressor was knocked out, one still got about 10 X regulation by the absence or presence of trp. When the sequence of the beginning of the trp operon was determined an unusual open reading frame (ORF) was seen immediately preceding the ORFs for the known structural genes for the tryptophan biosynthetic enzymes. The general structural information shown below was observed from the sequence of the trp operon. First, Yanofsky observed that the ORF contained two tandem Trp codons and the protein had a Trp percent composition which was about 10X normal. Second, the mRNA in this region contained regions of dyad symmetry which would allow it to form two mutually exclusive secondary structures. One of the structures looked exactly like a rho independent transcription termination signal. The other secondary structure, if formed, would prevent the formation of this secondary structure and thus the terminator. This other structure is called the "preemptor".
trp операторы
Мысал ретінде бактериядағы trp генін келтіруге болады. Аймақта триптофан деңгейі жоғары болса, бактерияның одан артығын синтездеуі тиімсіз. РНК полимераза trp геніне байланысып, транскрипцияласа, рибосома аударманы бастайды. (Бұл эукариоттық жасушалардан өзгеше, онда аударма басталғанға дейін РНК ядродан шығуы керек.) мРНҚ лидерлік (5' UTR) және trp оперон гендік тізбегі арасында орналасқан аттенюатор тізбегі төрт доменнен тұрады, онда 3-домен 2-немесе 4-доменмен жұптаса алады. 1-домендегі аттенюатор тізбегінде триптофанды қажет ететін пептид синтезі жөніндегі нұсқаулар бар. Триптофанның жоғары деңгейі рибосомаға аттенюатор тізбегінің 1- және 2-домендерін аударуға мүмкіндік береді, бұл 3- және 4-домендерге шаштық құрылымның қалыптасуына әкеледі, нәтижесінде trp оперонының транскрипциясы тоқтатылады. Белокты кодтайтын гендер rho-тәуелсіз аяқталуға байланысты транскрипцияланбағандықтан, триптофан синтезделмейді. Керісінше, триптофанның төмен деңгейі 1-доменде рибосоманың тоқтауына себеп болады, бұл 2- және 3-домендердің транскрипцияны тоқтату сигналын бермейтін басқа шаштық құрылымды қалыптастыруына әкеледі. Сондықтан, оперонның қалған бөлігі транскрипцияланып, аудармаланады, осылайша триптофан өндіріледі. Осылайша, 4-домен – әлсіретуші. 4-доменсіз аударма триптофан деңгейіне қарамастан жалғаса береді. Аттенюатор тізбегінің кодондары лидерлік пептидке аудармаланады, бірақ ол trp оперон гендік тізбегінің бөлігі емес. Аттенюатор аттенюатор тізбегінің домендеріне иілген құрылымдарды қалыптастыруға көбірек уақыт береді, бірақ кейін триптофан синтезінде қолданылатын белокты өндірмейді. Аттенуация – trp оперонындағы теріс кері байланыстың екінші механизмі. TrpR репрессоры транскрипцияны 70 есеге азайтады, ал аттенуация оны тағы 10 есеге азайтады, осылайша шамамен 700 есеге жинақталған репрессияға мүмкіндік береді. Аттенуацияның мүмкін болуының себебі – прокариоттарда (ядросы жоқ) рибосомалар РНК полимераза ДНК тізбегін транскрипциялап жатқанда мРНҚ аудармасын бастайды. Бұл аударма процесінің оперон транскрипциясына тікелей әсер етуіне мүмкіндік береді. Trp оперонының транскрипцияланған гендерінің басында 140 нуклеотидтен тұратын лидерлік транскрипт (trpL) деп аталатын тізбек бар. Бұл транскриптте 1–4 деп белгіленген төрт қысқа тізбек бар. 1-ші тізбек 2-ші тізбекке ішінара толықтырады, ол 3-ші тізбекке ішінара толықтырады, ол 4-ші тізбекке ішінара толықтырады. Осылайша, үш түрлі екінші құрылым (шашқалақ) пайда болуы мүмкін: 1–2, 2–3 немесе 3–4. 1- және 2-жіптердің 1–2 құрылымын қалыптастыру үшін гибридтесуі 2–3 құрылымының қалыптасуына кедеріс жасайды, ал 2–3 құрылымының қалыптасуы 3–4 құрылымының қалыптасуына кедеріс жасайды. 3–4 құрылымы – транскрипцияны тоқтату тізбегі, ол қалыптасқаннан кейін РНК полимераза ДНК-дан ажыратылады және оперонның құрылымдық гендерінің транскрипциясы болмайды. Лидерлік транскрипттің бір бөлігі 14 аминқышқылынан тұратын қысқа полипептидті кодтайды, ол лидерлік пептид деп аталады. Бұл пептидте триптофанның екі тікелей орналасқан қалдықтары бар, бұл ерекше, өйткені триптофан өте сирек кездесетін аминқышқыл (әдетте E. coli ақуызындағы жүзден бір қалдық триптофан болады). Егер рибосома клеткадағы триптофан деңгейі төмен болғанда бұл пептидті аударуға тырысса, ол екі trp кодонының бірінде тоқтап қалады. Тоқтаған кезде рибосома транскрипттің 1-ші тізбегін физикалық жағынан қорғайды, осылайша ол 1–2 екінші құрылымын қалыптастыруға кедеріс жасайды. 2-ші тізбек 3-ші тізбекпен 2–3 құрылымын қалыптастыру үшін гибридтеседі, бұл 3–4 тоқтату шашқалағының қалыптасуына кедеріс жасайды. РНК полимераза бүкіл оперонды транскрипциялауға еркін болады. Егер клеткадағы триптофан деңгейі жоғары болса, рибосома бүкіл лидерлік пептидті үзіліссіз аударады және тек тоқтату кодонында тоқтайды. Бұл кезде рибосома 1-ші және 2-ші тізбектерді физикалық жағынан қорғайды. Осылайша, 3-ші және 4-ші тізбектер транскрипцияны тоқтату үшін 3–4 құрылымын қалыптастыруға еркін. Нәтижесінде оперон тек триптофан рибосома үшін қолжетімді болмаған кезде ғана транскрипцияланады, ал trpL транскрипті конститутивті түрде экспрессияланады. Рибосоманың синтезден кейін бірден лидерлік транскрипттің аудармасын байлап, бастауын қамтамасыз ету үшін trpL тізбегінде тоқтау орны бар. Бұл жерге жеткенде РНК полимераза транскрипцияны тоқтатып, аударманың басталуын күтеді. Бұл механизм транскрипция мен аударманы синхрондауға мүмкіндік береді, бұл аттенуацияның маңызды элементі. Дәл осындай аттенуация механизмі гистидин, фенилаланин және треонин синтезін реттейді.
An example is the trp gene in bacteria. When there is a high level of tryptophan in the region, it is inefficient for the bacterium to synthesize more. When the RNA polymerase binds and transcribes the trp gene, the ribosome will start translating. (This differs from eukaryotic cells, where RNA must exit the nucleus before translation starts.) The attenuator sequence, which is located between the mRNA leader sequence (5' UTR) and trp operon gene sequence, contains four domains, where domain 3 can pair with domain 2 or domain 4. The attenuator sequence at domain 1 contains instruction for peptide synthesis that requires tryptophans. A high level of tryptophan will permit ribosomes to translate the attenuator sequence domains 1 and 2, allowing domains 3 and 4 to form a hairpin structure, which results in termination of transcription of the trp operon. Since the protein coding genes are not transcribed due to rho independent termination, no tryptophan is synthesised. In contrast, a low level of tryptophan means that the ribosome will stall at domain 1, causing the domains 2 and 3 to form a different hairpin structure that does not signal termination of transcription. Therefore, the rest of the operon will be transcribed and translated, so that tryptophan can be produced. Thus, domain 4 is an attenuator. Without domain 4, translation can continue regardless of the level of tryptophan. The attenuator sequence has its codons translated into a leader peptide, but is not part of the trp operon gene sequence. The attenuator allows more time for the attenuator sequence domains to form loop structures, but does not produce a protein that is used in later tryptophan synthesis. Attenuation is a second mechanism of negative feedback in the trp operon. While the TrpR repressor decreases transcription by a factor of 70, attenuation can further decrease it by a factor of 10, thus allowing accumulated repression of about 700 fold. Attenuation is made possible by the fact that in prokaryotes (which have no nucleus), the ribosomes begin translating the mRNA while RNA polymerase is still transcribing the DNA sequence. This allows the process of translation to directly affect transcription of the operon. At the beginning of the transcribed genes of the trp operon is a sequence of 140 nucleotides termed the leader transcript (trpL). This transcript includes four short sequences designated 1–4. Sequence 1 is partially complementary to sequence 2, which is partially complementary to sequence 3, which is partially complementary to sequence 4. Thus, three distinct secondary structures (hairpins) can form: 1–2, 2–3 or 3–4. The hybridization of strands 1 and 2 to form the 1–2 structure prevents the formation of the 2–3 structure, while the formation of 2 3 prevents the formation of 3–4. The 3–4 structure is a transcription termination sequence, once it forms RNA polymerase will disassociate from the DNA and transcription of the structural genes of the operon will not occur. Part of the leader transcript codes for a short polypeptide of 14 amino acids, termed the leader peptide. This peptide contains two adjacent tryptophan residues, which is unusual, since tryptophan is a fairly uncommon amino acid (about one in a hundred residues in a typical E. coli protein is tryptophan). If the ribosome attempts to translate this peptide while tryptophan levels in the cell are low, it will stall at either of the two trp codons. While it is stalled, the ribosome physically shields sequence 1 of the transcript, thus preventing it from forming the 1 2 secondary structure. Sequence 2 is then free to hybridize with sequence 3 to form the 2 3 structure, which then prevents the formation of the 3 4 termination hairpin. RNA polymerase is free to continue transcribing the entire operon. If tryptophan levels in the cell are high, the ribosome will translate the entire leader peptide without interruption and will only stall during translation termination at the stop codon. At this point the ribosome physically shields both sequences 1 and 2. Sequences 3 and 4 are thus free to form the 3 4 structure which terminates transcription. The result is that the operon will be transcribed only when tryptophan is unavailable for the ribosome, while the trpL transcript is constitutively expressed. To ensure that the ribosome binds and begins translation of the leader transcript immediately following its synthesis, a pause site exists in the trpL sequence. Upon reaching this site, RNA polymerase pauses transcription and apparently waits for translation to begin. This mechanism allows for synchronization of transcription and translation, a key element in attenuation. A similar attenuation mechanism regulates the synthesis of histidine, phenylalanine and threonine.
TRP операторындағы механизм
Бұл мРНК-ның екінші құрылымы мен trp жетекші пептидінің trp биосинтетикалық ферменттерінің транскрипциясын реттеуге қатысты ұсынылған механизм мынадай: РНҚП trp промоторының транскрипциясын бастайды. РНҚП жоғарыда көрсетілген бірінші құрылымдағы 90-шы нуклеотид шамасында тоқтап қалады. Рибосомалар осы жаңа түзілген мРНК-ға байланысып, жетекші пептидтің трансляциясын бастайды. Содан кейін РНҚП тоқтап тұрудан босап, транскрипцияны жалғастырады. РНҚП потенциалдық терминатор аймағына жеткенде, транскрипция жалғаса ма, жоқ па, ол "артынан келе жатқан" рибосоманың орнына байланысты. Егер рибосома тиісті тРНК-ны күтіп, тандемдік Trp кодондарында тоқтап қалса, 1-аймақ рибосома ішінде оқшауланып, 2-аймақпен жұптаса алмайды. Бұл 2- және 3-аймақтардың 4-аймақ транскрипцияланбастан бұрын негіздік жұптасуын білдіреді. Бұл 4-аймақты бір жіпті болуға мәжбүр етеді, соның салдарынан 3/4 аймақтың терминаторлық құрылымының қалыптасуына кедергі келтіреді. Транскрипция содан кейін жалғасады. Егер рибосома жетекші пептидті кез келген күдіксіз трансляцияласа, ол 2-аймақтың бір бөлігін жабады, оның 3-аймақпен негіздік жұптасуына жол бермейді. Содан кейін 4-аймақ транскрипцияланғанда, ол 3-аймақпен сабақ және иірім құрайды, транскрипция тоқтатылады және шамамен 140 негіздік транскрипт пайда болады. Бұл бақылау механизмі қолда бар, зарядталған Trp тРНК мөлшерін анықтайды. Рибосомалардың орналасуы қай екіншілік құрылымдардың қалыптасатынын анықтайды.
The proposed mechanism of how this mRNA secondary structure and the trp leader peptide could regulate transcription of the trp biosynthetic enzymes includes the following. RNAP initiates transcription of the trp promoter. RNAP pauses at about nucleotide 90 at a secondary structure (?the first one shown above?). Ribosomes engage this nascent mRNA and initiate translation of the leader peptide. RNAP is then "released" from its pause and continues transcription. When RNAP reaches the region of the potential terminator, whether it continues or not is dependent on the position of the ribosome "trailing behind". If the ribosome stalls at the tandem Trp codons, waiting for the appropriate tRNA, region 1 is sequestered within the ribosome and thus cannot base pair with region 2. This means that region 2 and 3 become based paired before region 4 can be transcribed. This forces region 4 when it is made to be single stranded, preventing the formation of the region 3/4 terminator structure. Transcription will then continue. If the ribosome translates the leader peptide with no hesitation, it then covers a portion of region 2 preventing it from base pairing with region 3. Then when region 4 is transcribed, it forms a stem and loop with region 3 and transcription is terminated, generating a ca. 140 base transcript. This mechanism of control measures the amount of available, charged Trp tRNA. The location of ribosomes determines which alternate secondary structures form.
Эукариоттардағы әлсіреуі
Транскрипция жалғасып жатқанда трансляцияға қатысатын әлсірету механизмі, мысалы, trp опероны (және басқа да кейбір аминқышқылдарының биосинтетикалық оперондары) сияқты, эукариоттарда жұмыс істемейді. Дегенмен, эукариоттарда әлсіретудің болуына дәлелдер бар. МикроРНК өңдеу саласындағы зерттеулер эукариоттық әлсіретудің дәлелін көрсетеді: Drosha 5' > 3' экзонуклеазасымен бірге жүретін эндонуклеолитикалық кесуден кейін XRN2 торпеда механизмі арқылы транскрипция тоқтатылуы мүмкін.
Although an attenuation mechanism that involves translation while transcription is ongoing, like to the mechanism for the trp operon (and some other amino acid biosynthetic operons), would not work in eukaryotes, there is evidence for attenuation in Eukaryotes. Research conducted on microRNA processing provides evidence of eukaryotic attenuation; after co transcriptional endonucleolitical cleavage by Drosha 5' >3' exonuclease XRN2 may terminate further transcription by torpedo mechanism.