Die Translation fördert die Transkriptionsverlängerung und reguliert die Transkriptionstermination. Die funktionelle Kopplung zwischen Transkription und Translation wird durch direkte physikalische Interaktionen zwischen dem Ribosom und der RNA-Polymerase („Expressom-Komplex“), ribosomenabhängige Veränderungen der Sekundärstruktur der naszierenden mRNA, die die Aktivität der RNA-Polymerase beeinflussen (z. B. „Attenuation“) und ribosomabhängige Veränderungen der Verfügbarkeit naszenter mRNA für den Transkriptionsterminationsfaktor Rho („Polarität“).
Expressom-KomplexBearbeiten
Das Expressom ist ein supramolekularer Komplex, der aus der RNA-Polymerase und einem Trailing-Ribosom besteht, die durch ein gemeinsames mRNA-Transkript verbunden sind. Es wird von den Transkriptionsfaktoren NusG und NusA unterstützt, die sowohl mit der RNA-Polymerase als auch mit dem Ribosom interagieren, um die Komplexe miteinander zu verbinden. Wenn das Ribosom durch den Transkriptionsfaktor NusG gekoppelt ist, bindet es die neu synthetisierte mRNA und verhindert die Bildung von Sekundärstrukturen, die die Transkription hemmen. Die Bildung eines Expressom-Komplexes unterstützt auch die Verlängerung der Transkription, indem das nachlaufende Ribosom dem Zurücklaufen der RNA-Polymerase entgegenwirkt. Dreidimensionale Modelle von Ribosom-RNA-Polymerase-Expressom-Komplexen wurden durch Kryo-Elektronenmikroskopie bestimmt.
Ribosom-vermittelte AbschwächungBearbeiten
Die Ribosom-vermittelte Abschwächung ist ein Genexpressionsmechanismus, bei dem ein Transkriptionsterminationssignal durch Translation reguliert wird. Die Abschwächung erfolgt am Anfang einiger prokaryontischer Operons an Sequenzen, die als „Attenuatoren“ bezeichnet werden. Diese wurden in Operons identifiziert, die für Enzyme der Aminosäurebiosynthese, der Pyrimidinbiosynthese und für Antibiotikaresistenzfaktoren kodieren. Der Attenuator funktioniert über eine Reihe von mRNA-Sequenzelementen, die den Status der Translation mit einem Transkriptionsterminationssignal koordinieren:
- Ein kurzer offener Leserahmen, der für ein „Leader-Peptid“
- eine Transkriptionspausen-Sequenz
- eine „Kontrollregion“
- ein Transkriptionsterminationssignal
Wenn der Anfang des offenen Leserahmens transkribiert wurde, pausiert die RNA-Polymerase aufgrund der Faltung der naszierenden mRNA. Diese programmierte Unterbrechung der Transkription gibt Zeit für die Translation des Leader-Peptids und für die Wiederaufnahme der Transkription, sobald diese an die Translation gekoppelt ist. Die stromabwärts gelegene „Kontrollregion“ moduliert dann die Elongationsrate entweder des Ribosoms oder der RNA-Polymerase. Der Faktor, der dafür ausschlaggebend ist, hängt von der Funktion der nachgeschalteten Gene ab (z. B. enthält das Operon, das für Enzyme kodiert, die an der Synthese von Histidin beteiligt sind, eine Reihe von Histidin-Codons, die Kontrollregion). Die Kontrollregion hat die Aufgabe, die Kopplung von Transkription und Translation in Abhängigkeit vom Zellzustand zu steuern (z. B. verlangsamt eine geringe Verfügbarkeit von Histidin die Translation, was zur Entkopplung führt, während eine hohe Verfügbarkeit von Histidin eine effiziente Translation ermöglicht und die Kopplung aufrechterhält). Schließlich wird die Transkriptions-Terminatorsequenz transkribiert. Ob die Transkription an die Translation gekoppelt ist, entscheidet darüber, ob die Transkription dadurch gestoppt wird. Der Terminator erfordert eine Faltung der mRNA, und durch das Abwickeln von mRNA-Strukturen wählt das Ribosom die Bildung einer von zwei alternativen Strukturen: den Terminator oder eine konkurrierende Faltung, die als „Antiterminator“ bezeichnet wird.
Bei Aminosäure-Biosynthese-Operons ermöglichen sie es der Genexpressionsmaschinerie, die Menge der von den kodierten Enzymen produzierten Aminosäure zu erkennen und das Niveau der nachgeschalteten Genexpression entsprechend anzupassen: Die Transkription findet nur statt, wenn die Aminosäuremenge niedrig und der Bedarf an den Enzymen daher hoch ist. Beispiele hierfür sind die Histidin- (his) und Tryptophan- (trp) Biosynthese-Operons.
Der Begriff „Abschwächung“ wurde eingeführt, um das his-Operon zu beschreiben. Während er üblicherweise zur Beschreibung von Biosynthese-Operons von Aminosäuren und anderen Metaboliten verwendet wird, wurde die programmierte Transkriptionstermination, die nicht am Ende eines Gens auftritt, erstmals bei λ-Phagen identifiziert. Die Entdeckung der Abschwächung war insofern von Bedeutung, als sie einen von der Unterdrückung verschiedenen Regulationsmechanismus darstellt. Das trp-Operon wird sowohl durch Attenuation als auch durch Repression reguliert und war der erste Beweis dafür, dass sich die Mechanismen zur Regulierung der Genexpression überschneiden oder redundant sein können.
PolarityEdit
„Polarity“ ist ein Mechanismus der Genexpression, bei dem die Transkription aufgrund eines Verlusts der Kopplung zwischen Transkription und Translation vorzeitig beendet wird. Die Transkription ist schneller als die Translation, wenn das Ribosom pausiert oder auf ein vorzeitiges Stoppcodon trifft. Dies ermöglicht es dem Transkriptionsterminationsfaktor Rho, die mRNA zu binden und die mRNA-Synthese zu beenden. Folglich werden Gene, die dem Operon nachgeschaltet sind, nicht transkribiert und somit auch nicht exprimiert. Die Polarität dient der mRNA-Qualitätskontrolle, indem sie es ermöglicht, dass ungenutzte Transkripte vorzeitig beendet werden, anstatt sie zu synthetisieren und abzubauen.
Der Begriff „Polarität“ wurde eingeführt, um die Beobachtung zu beschreiben, dass die Reihenfolge der Gene innerhalb eines Operons wichtig ist: Eine Nonsense-Mutation in einem stromaufwärts gelegenen Gen hat Auswirkungen auf die Transkription der stromabwärts gelegenen Gene. Darüber hinaus moduliert die Position der Nonsense-Mutation innerhalb des stromaufwärts gelegenen Gens den „Grad der Polarität“, wobei Nonsense-Mutationen am Anfang der stromaufwärts gelegenen Gene eine stärkere Polarität (mehr reduzierte Transkription) auf die stromabwärts gelegenen Gene ausüben.
Im Gegensatz zum Mechanismus der Abschwächung, der eine intrinsische Beendigung der Transkription an genau definierten programmierten Stellen beinhaltet, ist die Polarität Rho-abhängig und die Beendigung erfolgt an variablen Positionen.