La traduction favorise l’élongation de la transcription et régule la terminaison de la transcription. Le couplage fonctionnel entre la transcription et la traduction est causé par des interactions physiques directes entre le ribosome et l’ARN polymérase (« complexe expressome »), des modifications dépendantes du ribosome de la structure secondaire de l’ARNm naissant qui affectent l’activité de l’ARN polymérase (par ex. « atténuation »), et les changements dépendants du ribosome à la disponibilité de l’ARNm naissant pour le facteur de terminaison de la transcription Rho (« polarité »).
Complexe expressomeEdit
L’expressome est un complexe supramoléculaire composé de l’ARN polymérase et d’un ribosome suiveur lié par un transcrit ARNm partagé. Il est soutenu par les facteurs de transcription NusG et NusA, qui interagissent à la fois avec l’ARN polymérase et le ribosome pour coupler les complexes entre eux. Lorsqu’il est couplé par le facteur de transcription NusG, le ribosome se lie à l’ARNm nouvellement synthétisé et empêche la formation de structures secondaires qui inhibent la transcription. La formation d’un complexe expressome favorise également l’allongement de la transcription, le ribosome suiveur s’opposant au retour en arrière de l’ARN polymérase. Des modèles tridimensionnels de complexes ribosome-ARN polymérase expressome ont été déterminés par cryo-microscopie électronique.
Atténuation médiée par les ribosomesEdit
L’atténuation médiée par les ribosomes est un mécanisme d’expression génétique dans lequel un signal de terminaison transcriptionnelle est régulé par la traduction. L’atténuation se produit au début de certains opérons procaryotes au niveau de séquences appelées « atténuateurs », qui ont été identifiées dans des opérons codant pour des enzymes de biosynthèse des acides aminés, des enzymes de biosynthèse de la pyrimidine et des facteurs de résistance aux antibiotiques. L’atténuateur fonctionne via un ensemble d’éléments de séquence d’ARNm qui coordonnent l’état de la traduction à un signal de terminaison de la transcription :
- Un court cadre de lecture ouvert codant pour un « peptide leader »
- Une séquence de pause de transcription
- Une « région de contrôle »
- Un signal de terminaison de transcription
Une fois que le début du cadre de lecture ouvert leader a été transcrit, l’ARN polymérase s’arrête en raison du repliement de l’ARNm naissant. Cet arrêt programmé de la transcription laisse le temps à la traduction du peptide leader de commencer, et à la transcription de reprendre une fois couplée à la traduction. La « région de contrôle » en aval module alors la vitesse d’élongation du ribosome ou de l’ARN polymérase. Le facteur déterminant dépend de la fonction des gènes en aval (par exemple, l’opéron codant pour les enzymes impliquées dans la synthèse de l’histidine contient une série de codons histidine est la région de contrôle). Le rôle de la région de contrôle est de moduler le maintien du couplage entre la transcription et la traduction en fonction de l’état cellulaire (par exemple, une faible disponibilité d’histidine ralentit la traduction, ce qui entraîne un découplage, tandis qu’une disponibilité élevée d’histidine permet une traduction efficace et maintient le couplage). Enfin, la séquence terminatrice de transcription est transcrite. Le fait que la transcription soit couplée à la traduction détermine si cela arrête la transcription. Le terminateur nécessite un repliement de l’ARNm, et en déroulant les structures de l’ARNm, le ribosome choisit la formation de l’une ou l’autre de deux structures alternatives : le terminateur, ou un repliement concurrent appelé « antiterminateur ».
Pour les opérons de biosynthèse des acides aminés, ceux-ci permettent à la machinerie d’expression des gènes de détecter l’abondance de l’acide aminé produit par les enzymes codées, et d’ajuster le niveau d’expression des gènes en aval en conséquence : la transcription ne se produisant que si l’abondance de l’acide aminé est faible et que la demande en enzymes est donc élevée. Les opérons de biosynthèse de l’histidine (his) et du tryptophane (trp) en sont des exemples.
Le terme « atténuation » a été introduit pour décrire l’opéron his. Bien qu’il soit typiquement utilisé pour décrire les opérons de biosynthèse des acides aminés et d’autres métabolites, la terminaison programmée de la transcription qui ne se produit pas à la fin d’un gène a été identifiée pour la première fois dans le λ phage. La découverte de l’atténuation était importante car elle représentait un mécanisme de régulation distinct de la répression. L’opéron trp est régulé à la fois par l’atténuation et la répression, et a été la première preuve que les mécanismes de régulation de l’expression génique peuvent se chevaucher ou être redondants.
PolaritéEdit
« Polarité » est un mécanisme d’expression génique dans lequel la transcription se termine prématurément en raison d’une perte de couplage entre la transcription et la traduction. La transcription dépasse la traduction lorsque le ribosome fait une pause ou rencontre un codon stop prématuré. Cela permet au facteur de terminaison de la transcription Rho de se lier à l’ARNm et de mettre fin à la synthèse de l’ARNm. Par conséquent, les gènes situés en aval dans l’opéron ne sont pas transcrits, et donc pas exprimés. La polarité sert de contrôle de qualité de l’ARNm, permettant aux transcrits inutilisés d’être terminés prématurément, plutôt que d’être synthétisés et dégradés.
Le terme « polarité » a été introduit pour décrire l’observation que l’ordre des gènes dans un opéron est important : une mutation non-sens dans un gène amont affecte la transcription des gènes en aval. De plus, la position de la mutation non-sens au sein du gène amont module le « degré de polarité », les mutations non-sens au début des gènes amont exerçant une polarité plus forte (transcription plus réduite) sur les gènes aval.
Contrairement au mécanisme d’atténuation, qui implique une terminaison intrinsèque de la transcription à des sites programmés bien définis, la polarité est Rho-dépendante et la terminaison se produit à une position variable.