Внутреннее прекращение - Intrinsic termination

Структура стебля-петли РНК, которая облегчает внутреннее завершение.

Внутренний, или же rho-независимое прекращение, это процесс в прокариоты сигнализировать об окончании транскрипция и выпустить недавно построенный РНК молекула. У прокариот, таких как E. Coli транскрипция завершается либо rho-зависимым процессом, либо rho-независимым процессом. В Rho-зависимом процессе ро-протеин обнаруживает и связывает сигнальную последовательность в мРНК и сигналы для расщепления. Напротив, внутренняя терминация не требует специального белка для передачи сигнала терминации и контролируется специфическими последовательностями РНК. Когда начинается процесс терминации, транскрибированная мРНК образует стабильную шпилечную петлю вторичной структуры, также известную как Стебель-петля. За этой шпилькой РНК следуют несколько нуклеотидов урацила. Связи между урацил и аденин очень слабые. Белок, связанный с РНК-полимеразой (nusA), связывается со структурой «стебель-петля» достаточно плотно, чтобы вызвать временную остановку полимеразы. Эта пауза в полимеразе совпадает с транскрипцией последовательности полиурацила. Слабые связи аденин-урацил снижают энергию дестабилизации дуплекса РНК-ДНК, позволяя ему раскручиваться и диссоциировать от РНК-полимеразы. В целом, модифицированная структура РНК - это то, что завершает транскрипцию.

Структуры стебель-петля, за которыми не следует последовательность полиурацила, вызывают остановку РНК-полимеразы, но обычно она продолжает транскрипцию через короткое время, поскольку дуплекс слишком стабилен, чтобы раскручиваться достаточно далеко, чтобы вызвать терминацию.

Rho-независимая терминация транскрипции - частый механизм, лежащий в основе активности СНГ-действующие регуляторные элементы РНК, такие как рибопереключатели.

Функция

Сравнение Rho-зависимого прекращения и внутреннего прекращения

Целевая функция внутреннего завершения - сигнализировать о диссоциации тройной комплекс удлинения (ТЕС), сигнализирующий об окончании транскрипта у прокариот. Внутренняя терминация не зависит от белка Ро, в отличие от Rho-зависимой терминации, при которой прокариотический белок Rho входит и действует на РНК-полимеразу, вызывая ее диссоциацию.[1] Здесь нет лишнего белка, и транскрипт формирует собственную петлевую структуру. Таким образом, внутренняя терминация также регулирует уровень транскрипции, определяя, сколько Полимераза может транскрибировать ген в течение определенного периода времени и может помочь предотвратить взаимодействия с соседними хромосомами.[1]

Регулирование внутреннего прекращения действия

Сам процесс регулируется как положительными, так и отрицательными факторами завершения, обычно путем модификации структуры шпильки. Это достигается за счет взаимодействий с одноцепочечной РНК, которая соответствует расположенной выше области петли, что приводит к нарушению процесса терминации. Кроме того, есть некоторое предположение, что орех сайт также может способствовать регуляции, так как он участвует в привлечении некоторых критических компонентов в формировании шпильки.[2]

Структура

При внутреннем прекращении Транскрипт РНК удваивается назад и пар оснований с собой, создавая РНК стебель-петля, или шпилька, структура. Эта структура имеет решающее значение для высвобождения как транскрипта, так и полимеразы в конце транскрипции.[3] В живых клетках ключевыми компонентами являются сама стабильная стволовая петля, а также последовательность 6-8 урацил остатки, следующие за ним.[3] Стебель обычно состоит из 8-9 штук. гуанин и цитозин (G-C) пары оснований, а петля состоит из 4-8 остатков. Считается, что стеблевая часть структуры важна для терминации транскрипции, а петля - нет.[4] На это указывает тот факт, что завершение может быть достигнуто в неродных структурах, которые не включают цикл.[5]

Стеблевая часть шпильки обычно богата парами оснований G-C. Пары оснований G-C имеют значительные базовые взаимодействия, и может образовывать три водородные связи друг с другом, что делает их очень термодинамически выгодными. И наоборот, хотя богатая урацилом последовательность, следующая за шпилькой, не всегда необходима для терминации,[6] предполагается, что богатая урацилом последовательность способствует внутреннему обрыву, потому что связь U-A не так прочна, как связи G-C.[4] Эта врожденная нестабильность кинетически способствует диссоциации транскрипта РНК.[4]

Эксперименты по определению конструктивно значимых особенностей

Чтобы определить оптимальную длину стебля, исследователи изменили его длину и наблюдали, как быстро происходит окончание.[3] Когда длина стебля была удлинена или укорачивалась по сравнению со стандартной длиной 8-9 пар оснований, терминация была менее эффективной, а если изменения были достаточно значительными, терминация полностью прекращалась.[3]

Эксперименты установили, что если олигонуклеотид Присутствует последовательность, идентичная расположенной ниже по ходу части стебля, она образует пару оснований с вышележащей частью.[5] Это создает структуру, аналогичную исходной структуре стержень-петля, но без петли в конце. Без наличия цикла внутреннее завершение все еще может произойти.[5] Это указывает на то, что цикл не является необходимым для внутреннего завершения.

Как правило, отсутствие богатой урацилом последовательности после стебля-петли приводит к задержке или паузе транскрипции, но терминация не прекращается полностью.[6]

Механизм

Визуальное представление механизма внутреннего прекращения действия

Внутренняя терминация определяется сигналами, непосредственно кодируемыми в ДНК и РНК. Сигнал появляется в виде шпильки, за которой следуют 8 уридин на 3-м конце. Это приводит к быстрой диссоциации комплекса удлинения. Шпилька инактивирует и дестабилизирует TEC, ослабляя взаимодействия в сайте связывания РНК-ДНК и других сайтах, которые удерживают этот комплекс вместе. Пауза, вызванная растяжением урацилов, важна и дает время для образования шпильки. В отсутствие U-тракта образование шпилек не приводит к эффективному завершению, что указывает на его важность в этом процессе.[7]

Процесс дестабилизации растяжения происходит в четыре этапа.[7]

1) поскольку РНК-полимераза транскрибирует последние нуклеотиды U-тракта терминатора, она делает паузу в конце U-тракта, способствуя пути терминации в кинетической конкуренции между удлинением и окончанием

2) Шпилька-терминатор (Thp) Зарождение

3) инактивация комплекса завершения и удлинения шпильки

4) диссоциация комплекса элонгации. Полный механизм, вероятно, включает специфические взаимодействия полимеразы, шпильки терминатора РНК и dT-богатых матричных последовательностей.

Запрещение внутреннего прерывания

Что касается ингибиторов внутренней терминации, многое еще неизвестно. Одним из немногих известных примеров является белок бактериофага 7. Он состоит из крио-ЭМ структур 3.4A и 4.0A P7-NusA-TEC и P7-TEC.[8] Этот белок бактериофага 7 останавливает терминацию транскрипции, блокируя канал выхода РНК РНК-полимеразы (РНКП) и препятствуя образованию РНК-шпильки на внутреннем терминаторе. Кроме того, белок бактериофага 7 ингибирует движения зажима РНКП.[8] Укорачивание С-концевой полспирали РНКП незначительно снижает ингибирующую активность. Эти зажимные движения RNAP были нацелены на некоторые другие ингибиторы бактериальной RNAP. Эти ингибиторы включают миксопиронин, кораллопиронин и рипостатин. Они работают путем ингибирования изомеризации.[8]

В прокариотах: археи против эубактерий

Архей транскрипция разделяет эукариотические и прокариотические связи. С эукариотами он имеет сходство со своими факторами инициации, которые помогают транскрипции идентифицировать соответствующие последовательности, такие как Коробка ТАТА гомологи[9] а также факторы, поддерживающие удлинение транскрипции. Однако для протекания всего процесса необходимы дополнительные факторы транскрипции, подобные тем, которые обнаруживаются у прокариот.

Что касается терминации транскрипции, геном архей уникален тем, что он чувствителен как к внутреннему, так и к фактор-зависимому терминации. Биоинформатический анализ показал, что примерно половина генов и оперонов у архей выстраиваются в сигналы или содержат сигналы для внутренней терминации.[10] РНК-полимераза архей реагирует на внутренние сигналы как in vivo, так и in vitro, такие как области, богатые поли-U. Однако, в отличие от типичной внутренней терминации прокариот, не требуется никакой специфической структуры РНК или шпильки. Окружающая среда и другие факторы генома все еще могут влиять на терминацию.[10]

Экспериментальные исследования были проведены на Термококк Кодакаренсис, архея, найденная в термальных источниках и газовых источниках Японии. Для этого вида был обнаружен универсальный эвриархейный фактор завершения, названный Eta. Важно отметить, что этот фактор не является гомологом бактериального фактора терминации Rho.[10] Когда Eta действует на конкретный транскрипт, она взаимодействует с РНК-полимеразой, а также с последовательностями ДНК на матричной цепи.[10] Что касается внутренней терминации у T. Kodakarensis, исследования показали, что другие внутренние структурные особенности помимо шпилечных петель могут приводить к терминации. Эти особенности включают в себя присутствие олиго-Т нуклеотидной последовательности (приблизительно 7-8 Т-нуклеотидов достаточно), а также специфические межгенные терминаторные последовательности с одним-тремя вышестоящими олиго-Т-трактами.[9] В ходе этих исследований наличие этих структурных особенностей привело к снижению экспрессии репортерного гена более чем на 90%. Межгенные последовательности были идентифицированы с использованием алгоритма GeSTer, который предсказывает и упорядочивает эффективность внутренних терминаторов. Дальнейшие эксперименты показали, что межгенные последовательности, несущие небольшие индуцированные мутации, демонстрируют сниженную экспрессию, аналогичную межгенным последовательностям дикого типа. Это открытие продемонстрировало, что снижение экспрессии из-за терминации было не только из-за олиго-Т-тракта или возможного образования шпильки.[9]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Фарнхэм, П.Дж.; Платт, Т. (11 февраля 1981 г.). «Rho-независимая терминация: диадная симметрия в ДНК заставляет РНК-полимеразу останавливаться во время транскрипции in vitro». Исследование нуклеиновых кислот. 9 (3): 563–77. Дои:10.1093 / nar / 9.3.563. PMID  7012794. Получено 21 ноября 2020.
  2. ^ Гусаров, Иван; Нудлер, Евгений (ноябрь 2001). «Контроль внутренней терминации транскрипции с помощью N и NusA». Клетка. 107 (4): 437–449. Дои:10.1016 / S0092-8674 (01) 00582-7. Получено 24 ноября 2020.
  3. ^ а б c d Wilson, K. S .; Фон Хиппель, П. Х. (1995). «Прекращение транскрипции на внутренних терминаторах: роль шпильки РНК». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 92 (19): 8793–8797. Дои:10.1073 / пнас.92.19.8793. PMID  7568019. Получено 15 ноября 2020.
  4. ^ а б c Робертс, Джеффри (2019). «Механизмы прекращения бактериальной транскрипции». Дж Мол Биол. 431 (20): 4030–4039. Дои:10.1016 / j.jmb.2019.04.003. PMID  30978344. Получено 15 ноября 2020.
  5. ^ а б c Yarnell, A. W. S .; Робертс, Дж. У. (1999). «Механизм внутренней терминации транскрипции и антитерминации». Наука. 284 (5414): 611–5. Дои:10.1126 / science.284.5414.611. PMID  10213678. Получено 15 ноября 2020.
  6. ^ а б Петерс, Дж. М.; Vangeloff, AD; Ландик, Р. (7 октября 2011 г.). «Бактериальные терминаторы транскрипции: хроники 3'-конца РНК». Журнал молекулярной биологии. 412 (5): 793–813. Дои:10.1016 / j.jmb.2011.03.036. PMID  21439297. Получено 15 ноября 2020.
  7. ^ а б Гусаров, I; Нудлер, Э (апрель 1999 г.). «Механизм внутренней терминации транскрипции». Молекулярная клетка. 3 (4): 495–504. Дои:10.1016 / с1097-2765 (00) 80477-3. PMID  10230402. Получено 15 ноября 2020.
  8. ^ а б c Вы, Линлин; Ши, Цзин; Шэнь, Лицян; Ли, Линтинг; Фанг, Чэнли; Ю, Чэнчжи; Ченг, Венбо; Фэн, Ю; Чжан, Ю (декабрь 2019 г.). «Структурная основа антитерминации транскрипции по внутреннему терминатору бактерий». Nature Communications. 10 (1): 3048. Дои:10.1038 / с41467-019-10955-х. Получено 17 ноября 2020.
  9. ^ а б c Сантанджело, Томас Дж .; Кубонова, Любомира; Скиннер, Кэтрин М .; Рив, Джон Н. (15 ноября 2009 г.). «Прекращение внутренней транскрипции архей in vivo». Журнал бактериологии. 191 (22): 7102–7108. Дои:10.1128 / JB.00982-09. ISSN  0021-9193. PMID  19749050.
  10. ^ а б c d Уокер, Дж. Э .; Луйтис, О; Сантанджело, штат Техас (15 августа 2017 г.). «Фактор-зависимое прекращение транскрипции архей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 114 (33): E6767 – E6773. Дои:10.1073 / pnas.1704028114. PMID  28760969.