En genética , la atenuación es un mecanismo de control propuesto en algunos operones bacterianos que da como resultado la terminación prematura de la transcripción y se basa en el hecho de que, en las bacterias, la transcripción y la traducción proceden simultáneamente. La atenuación implica una señal de parada provisional (atenuador), ubicada en el segmento de ADN que corresponde a la secuencia líder del ARNm. Durante la atenuación, el ribosoma se detiene (retrasa) en la región del atenuador en el líder del ARNm. Dependiendo de las condiciones metabólicas, el atenuador detiene la transcripción en ese punto o permite la lectura completa de la parte del gen estructural del ARNm y la síntesis de la proteína apropiada.
La atenuación es una característica reguladora que se encuentra en todas las arqueas y bacterias y causa la terminación prematura de la transcripción . [1] Los atenuadores son regiones reguladoras que actúan en 5'- cis que se pliegan en una de dos estructuras de ARN alternativas que determinan el éxito de la transcripción. [2] El plegamiento es modulado por un mecanismo de detección que produce un terminador independiente de Rho , lo que resulta en una transcripción interrumpida y un producto de ARN no funcional; o una estructura anti-terminador, dando como resultado una transcripción de ARN funcional. Ahora existen muchos ejemplos equivalentes en los que la traducción, no la transcripción, se termina secuestrando la secuencia de Shine-Dalgarno (sitio de unión ribosomal) en una estructura de bucle de horquilla. Si bien no cumplen con la definición anterior de atenuación (transcripcional), ahora se consideran variantes de los mismos fenómenos [2] y se incluyen en este artículo. La atenuación es un sistema regulador antiguo, prevalente en muchas especies bacterianas que proporciona una regulación rápida y sensible de los operones de genes y se usa comúnmente para reprimir genes en presencia de su propio producto (o un metabolito posterior). [2]
Clases de atenuadores
Los atenuadores pueden clasificarse según el tipo de molécula que induce el cambio en la estructura del ARN. Es probable que los mecanismos de atenuación de la transcripción se hayan desarrollado temprano, quizás antes de la separación de las arqueas / bacterias y desde entonces han evolucionado para usar varias moléculas de detección diferentes (se ha encontrado que el operón biosintético de triptófano usa tres mecanismos diferentes en diferentes organismos). [ 1]
Atenuación mediada por moléculas pequeñas (riboswitches)
Las secuencias de riboswitch (en la transcripción del líder de ARNm) se unen a moléculas como aminoácidos, nucleótidos, azúcares, vitaminas, iones metálicos y otros ligandos pequeños [2] que provocan un cambio conformacional en el ARNm. La mayoría de estos atenuadores son inhibidores y son empleados por genes para enzimas biosintéticas o transportadores [2] cuya expresión está inversamente relacionada con la concentración de sus metabolitos correspondientes. Ejemplo: biosíntesis de cobalamina, interruptor cíclico de AMP-GMP, biosíntesis de lisina, biosíntesis de glicina, interruptor de flurouro, etc.
Cajas en T
Estos elementos están unidos por ARNt específicos no cargados y modulan la expresión de los correspondientes operones de aminoacil-ARNt sintetasa. [1] Los altos niveles de tRNA sin carga promueven la secuencia anti-terminador que conduce a concentraciones incrementadas de tRNA cargado. Algunos los consideran una familia separada de conmutadores ribereños [3], pero son significativamente más complejos que la clase anterior de atenuadores.
Atenuación mediada por proteínas
Las interacciones proteína-ARN pueden prevenir o estabilizar la formación de una estructura anti-terminador. [1]
Atenuación mediada por ribosomas
En esta situación, la ARN polimerasa depende de la actividad (retardada) del ribosoma; si el ribosoma se detiene debido a un ARNt cargado insuficientemente, se favorece la estructura anti-terminador. El ejemplo atenuador canónica de la trp operón utiliza este mecanismo en E. coli .
Termómetros de ARN
Las formaciones de bucles dependientes de la temperatura introducen una dependencia de la temperatura en la expresión de los operones aguas abajo. Todos estos elementos actúan de manera dependiente de la traducción controlando la accesibilidad de la secuencia de Shine-Dalgarno, por ejemplo, la expresión de islas de patogenicidad de algunas bacterias al entrar en un huésped. [2] [4] Datos recientes predicen la existencia de estructuras secundarias alternativas dependientes de la temperatura (incluidos los terminadores independientes de Rho) aguas arriba de las proteínas de choque frío en E. coli . [2]
Descubrimiento
La atenuación fue observada por primera vez por Charles Yanofsky en el operón trp de E. coli . [5] La primera observación se vinculó a dos hechos científicos separados. Las mutaciones que anulaban el gen trp R (represor) todavía mostraban cierta regulación del operón trp (estos mutantes no fueron completamente inducidos / reprimidos por triptófano). El rango total de regulación del operón trp es de aproximadamente 700 X (activado / desactivado). Cuando se eliminó el represor trp, todavía se obtenía una regulación de aproximadamente 10 X por la ausencia o presencia de trp. Cuando se determinó la secuencia del comienzo del operón trp, se observó un marco de lectura abierto (ORF) inusual inmediatamente antes de los ORF para los genes estructurales conocidos de las enzimas biosintéticas de triptófano. La información estructural general que se muestra a continuación se observó a partir de la secuencia del operón trp.
En primer lugar, Yanofsky observó que el ORF contenía dos codones Trp en tándem y que la proteína tenía una composición porcentual de Trp que era aproximadamente 10 veces normal. En segundo lugar, el ARNm de esta región contenía regiones de simetría de díadas que le permitirían formar dos estructuras secundarias mutuamente excluyentes. Una de las estructuras se veía exactamente como una señal de terminación de la transcripción independiente de rho. La otra estructura secundaria, si se forma, evitaría la formación de esta estructura secundaria y, por tanto, el terminador. Esta otra estructura se llama "preemptor".
El operón trp
Un ejemplo es el gen trp en bacterias . Cuando hay un alto nivel de triptófano en la región, es ineficaz que la bacteria sintetice más. Cuando la ARN polimerasa se une y transcribe el gen trp , el ribosoma comenzará a traducirse. (Esto difiere de las células eucariotas, donde el ARN debe salir del núcleo antes de que comience la traducción). La secuencia atenuadora, que se encuentra entre la secuencia líder del ARNm (5 ' UTR ) y la secuencia del gen del operón trp, contiene cuatro dominios, donde el dominio 3 puede emparejarse con dominio 2 o dominio 4.
La secuencia del atenuador en el dominio 1 contiene instrucciones para la síntesis de péptidos que requieren triptófanos. Un alto nivel de triptófano permitirá que los ribosomas traduzcan los dominios 1 y 2 de la secuencia del atenuador, permitiendo que los dominios 3 y 4 formen una estructura en horquilla, lo que da como resultado la terminación de la transcripción del operón trp. Dado que los genes que codifican la proteína no se transcriben debido a la terminación independiente de rho , no se sintetiza triptófano.
Por el contrario, un nivel bajo de triptófano significa que el ribosoma se detendrá en el dominio 1, lo que hará que los dominios 2 y 3 formen una estructura de horquilla diferente que no indica la terminación de la transcripción. Por lo tanto, el resto del operón se transcribirá y traducirá, de modo que se pueda producir triptófano. Por tanto, el dominio 4 es un atenuador. Sin el dominio 4, la traducción puede continuar independientemente del nivel de triptófano. [6] La secuencia del atenuador tiene sus codones traducidos en un péptido líder, pero no es parte de la secuencia del gen del operón trp. El atenuador permite más tiempo para que los dominios de la secuencia del atenuador formen estructuras de bucle, pero no produce una proteína que se utilice en la síntesis de triptófano posterior.
La atenuación es un segundo mecanismo de retroalimentación negativa en el operón trp. Mientras que el represor TrpR disminuye la transcripción en un factor de 70, la atenuación puede disminuirla aún más en un factor de 10, permitiendo así una represión acumulada de aproximadamente 700 veces. La atenuación es posible por el hecho de que en los procariotas (que no tienen núcleo), los ribosomas comienzan a traducir el ARNm mientras que la ARN polimerasa todavía transcribe la secuencia de ADN. Esto permite que el proceso de traducción afecte directamente a la transcripción del operón.
Al comienzo de los genes transcritos del operón trp hay una secuencia de 140 nucleótidos denominada transcripción líder (trpL). Esta transcripción incluye cuatro secuencias cortas designadas 1-4. La secuencia 1 es parcialmente complementaria a la secuencia 2, que es parcialmente complementaria a la secuencia 3, que es parcialmente complementaria a la secuencia 4. Por tanto, se pueden formar tres estructuras secundarias distintas (horquillas): 1-2, 2-3 o 3-4. La hibridación de las hebras 1 y 2 para formar la estructura 1-2 evita la formación de la estructura 2-3, mientras que la formación de 2-3 evita la formación de 3-4. La estructura 3-4 es una secuencia de terminación de la transcripción, una vez que forma la ARN, la polimerasa se disociará del ADN y no se producirá la transcripción de los genes estructurales del operón.
Parte de la transcripción líder codifica un polipéptido corto de 14 aminoácidos, denominado péptido líder. Este péptido contiene dos residuos de triptófano adyacentes, lo cual es inusual, ya que el triptófano es un aminoácido bastante poco común (aproximadamente uno de cada cien residuos en una proteína típica de E. coli es triptófano). Si el ribosoma intenta traducir este péptido mientras los niveles de triptófano en la célula son bajos, se detendrá en cualquiera de los dos codones trp. Mientras está estancado, el ribosoma protege físicamente la secuencia 1 de la transcripción, evitando así que forme la estructura secundaria 1-2. La secuencia 2 queda libre para hibridar con la secuencia 3 para formar la estructura 2-3, que luego evita la formación de la horquilla de terminación 3-4. La ARN polimerasa está libre para continuar transcribiendo todo el operón. Si los niveles de triptófano en la célula son altos, el ribosoma traducirá todo el péptido líder sin interrupción y solo se detendrá durante la terminación de la traducción en el codón de terminación. En este punto, el ribosoma protege físicamente ambas secuencias 1 y 2. Las secuencias 3 y 4 quedan libres para formar la estructura 3-4 que termina la transcripción. El resultado final es que el operón se transcribirá solo cuando el triptófano no esté disponible para el ribosoma, mientras que el transcrito trpL se expresa de manera constitutiva.
Para asegurar que el ribosoma se una y comience la traducción de la transcripción líder inmediatamente después de su síntesis, existe un sitio de pausa en la secuencia trpL. Al llegar a este sitio, la ARN polimerasa detiene la transcripción y aparentemente espera a que comience la traducción. Este mecanismo permite la sincronización de la transcripción y la traducción, un elemento clave en la atenuación.
Un mecanismo de atenuación similar regula la síntesis de histidina , fenilalanina y treonina .
Mecanismo en el operón trp
El mecanismo propuesto de cómo esta estructura secundaria de ARNm y el péptido líder trp podrían regular la transcripción de las enzimas biosintéticas trp incluye lo siguiente.
- RNAP inicia la transcripción del promotor trp.
- El RNAP se detiene en aproximadamente el nucleótido 90 en una estructura secundaria (? La primera mostrada arriba?).
- Los ribosomas activan este ARNm naciente e inician la traducción del péptido líder.
- Luego, el RNAP se "libera" de su pausa y continúa la transcripción.
- Cuando el RNAP alcanza la región del terminador potencial, si continúa o no depende de la posición del ribosoma "detrás".
- Si el ribosoma se detiene en los codones Trp en tándem, esperando el ARNt apropiado, la región 1 se secuestra dentro del ribosoma y, por lo tanto, no puede emparejarse con la región 2. Esto significa que las regiones 2 y 3 se emparejan antes de que la región 4 pueda transcribirse. Esto fuerza a la región 4 cuando está hecha para ser monocatenaria, evitando la formación de la estructura de terminación de la región 3/4. Luego continuará la transcripción.
- Si el ribosoma traduce el péptido líder sin dudarlo, entonces cubre una porción de la región 2 evitando que se empareje con la región 3. Luego, cuando se transcribe la región 4, forma un tallo y un bucle con la región 3 y la transcripción finaliza, generando una ca. 140 transcripción base.
- Este mecanismo de control mide la cantidad de Trp-tRNA cargado disponible.
La ubicación de los ribosomas determina qué estructuras secundarias alternativas se forman.
Otros operones controlados por atenuación
El descubrimiento de este tipo de mecanismo para controlar la expresión de genes en un operón biosintético condujo a su redescubrimiento en una amplia variedad de tales operones para los que nunca se habían descubierto represores. Por ejemplo:
Operón | Péptido líder | Artículo |
---|---|---|
Histidina | MTRVQFKHHHHHHHPD detener | Líder del operón de histidina |
Treonina | MKRISTTITTTITITTGNGAG parada | Líder del operón treonina |
Ilv (GEDA) | MTALLRVISLVVISVVVIIIPPCGAALGRGKA parada | |
IlvB | MTTSMLNAKLLPTAPSAAVVVVRVVVVVGNAP parada | |
Leucina | MSHIVRFTGLLLLNAFIVRGRPVGGIQH parada | Líder del operón de leucina / motivo de ARN líder de Lactis-leu-phe |
Fenilalanina | MKHIPFFFAFFFTFP parada | Motivo de ARN líder de Lactis-leu-phe |
Atenuación en eucariotas
La investigación realizada sobre el procesamiento de microARN mostró evidencia de un proceso de atenuación en eucariotas . Después de la escisión endonucleolítica cotranscripcional por parte de Drosha 5 '-> 3', la exonucleasa XRN2 puede terminar la transcripción adicional mediante un mecanismo de torpedo.
Referencias
- ↑ a b c d Merino E, Yanofsky C (2005). "Atenuación de la transcripción: una estrategia reguladora altamente conservada utilizada por las bacterias". Trends Genet 21 : 260–4.
- ^ Gutie ́rrez-Preciado A, Henkin TM, Grundy FJ, et al . (2009). "Características bioquímicas e implicaciones funcionales del mecanismo regulador T-box basado en ARN". Microbiol Mol Biol Rev (73): 36-61.
- ^ Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S (2006). "Termómetros de ARN". FEMS Microbiol Rev (30): 3–16.
- ^ C. Yanofsky, "Atenuación en el control de la expresión de operones bacterianos", Nature 289: 751 (1981)
- ^ [1]
- Genes VI págs. 374–380
- M. Ballarino, "Procesamiento de ARN acoplado y transcripción de microARN primarios intergénicos", BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR, octubre de 2009, p. 5632–5638