Translatie bevordert transcriptie-elongatie en regelt de terminatie van transcriptie. De functionele koppeling tussen transcriptie en translatie wordt veroorzaakt door directe fysische interacties tussen het ribosoom en het RNA-polymerase (“expressoomcomplex”), ribosoomafhankelijke veranderingen in de secundaire structuur van het nascente mRNA die de activiteit van het RNA-polymerase beïnvloeden (b.v. “verzwakking”), en ribosoom-afhankelijke veranderingen in de beschikbaarheid van het nascente mRNA voor de transcriptiebeëindigingsfactor Rho (“polariteit”).
ExpressoomcomplexEdit
Het expressoom is een supramoleculair complex dat bestaat uit RNA-polymerase en een slepend ribosoom, verbonden door een gedeeld mRNA-transcript. Het wordt ondersteund door de transcriptiefactoren NusG en NusA, die zowel met RNA polymerase als met het ribosoom interageren om de complexen aan elkaar te koppelen. Gekoppeld door de transcriptiefactor NusG bindt het ribosoom nieuw gesynthetiseerd mRNA en voorkomt het de vorming van secundaire structuren die de transcriptie remmen. De vorming van een expressoomcomplex bevordert ook de verlenging van de transcriptie doordat het slepende ribosoom het terugsporen van RNA polymerase tegengaat. Drie-dimensionale modellen van ribosoom-RNA polymerase expressome complexen zijn bepaald door cryo-electron micrscopie.
Ribosoom-gemedieerde verzwakkingEdit
Ribosoom-gemedieerde verzwakking is een genexpressiemechanisme waarbij een transcriptioneel beëindigingssignaal wordt gereguleerd door translatie. Verzwakking treedt op aan het begin van sommige prokaryotische operons bij sequenties die “attenuators” worden genoemd en die zijn geïdentificeerd in operons die coderen voor aminozuurbiosynthesenzymen, pyrimidinebiosynthesenzymen en antibioticaresistentiefactoren. De attenuator functioneert via een reeks mRNA-sequentie-elementen die de status van de translatie coördineren tot een transcriptiebeëindigingssignaal:
- Een kort open leesframe dat codeert voor een “leader peptide”
- Een transcriptiepauzesequentie
- Een “controleregio”
- Een transcriptiebeëindigingssignaal
Als het begin van het open leesframe van de leader is getranscribeerd, pauzeert RNA polymerase als gevolg van de vouwing van het ontluikende mRNA. Deze geprogrammeerde stopzetting van de transcriptie geeft tijd voor de vertaling van het leidende peptide om te beginnen, en de transcriptie te hervatten zodra deze aan de translatie is gekoppeld. Het stroomafwaartse “controlegebied” moduleert dan de elongatiesnelheid van hetzij het ribosoom, hetzij het RNA-polymerase. De factor die dit bepaalt hangt af van de functie van de stroomafwaartse genen (zo bevat het operon dat codeert voor enzymen die betrokken zijn bij de synthese van histidine een reeks histidinecodons is het controlegebied). De rol van het controlegebied is te moduleren of transcriptie gekoppeld blijft aan translatie, afhankelijk van de toestand van de cel (bv. een geringe beschikbaarheid van histidine vertraagt de translatie en leidt tot ontkoppeling, terwijl een grote beschikbaarheid van histidine een efficiënte translatie mogelijk maakt en de koppeling in stand houdt). Tenslotte wordt de transcriptie terminator sequentie getranscribeerd. Of de transcriptie gekoppeld is aan translatie bepaalt of hierdoor de transcriptie stopt. De terminator vereist vouwing van het mRNA, en door het afwikkelen van mRNA-structuren kiest het ribosoom voor de vorming van een van de twee alternatieve structuren: de terminator, of een concurrerende vouwing die de “antiterminator” wordt genoemd.
Voor aminozuurbiosynthese-operons stellen deze de genexpressie-machinerie in staat de overvloed aan aminozuur aan te voelen die wordt geproduceerd door de gecodeerde enzymen, en het niveau van downstream genexpressie dienovereenkomstig aan te passen: transcriptie vindt alleen plaats als de overvloed aan aminozuur laag is en de vraag naar de enzymen derhalve hoog. Voorbeelden zijn de histidine (his) en tryptofaan (trp) biosynthetische operons.
De term “verzwakking” werd geïntroduceerd om het his operon te beschrijven. Hoewel het gewoonlijk wordt gebruikt om biosynthese-operons van aminozuren en andere metabolieten te beschrijven, werd geprogrammeerde beëindiging van de transcriptie die niet aan het eind van een gen plaatsvindt voor het eerst geïdentificeerd in λ faag. De ontdekking van verzwakking was belangrijk omdat het een reguleringsmechanisme vertegenwoordigt dat verschilt van repressie. Het trp operon wordt gereguleerd door zowel attenuatie als repressie, en was het eerste bewijs dat genexpressiereguleringsmechanismen elkaar kunnen overlappen of redundant kunnen zijn.
PolarityEdit
“Polarity” is een genexpressiemechanisme waarbij de transcriptie voortijdig wordt beëindigd door een verlies van koppeling tussen transcriptie en translatie. De transcriptie overtreft de translatie wanneer het ribosoom pauzeert of een voortijdig stopcodon tegenkomt. Hierdoor kan de transcriptiebeëindigingsfactor Rho zich aan het mRNA binden en de mRNA-synthese beëindigen. Bijgevolg worden genen die zich stroomafwaarts in het operon bevinden, niet getranscribeerd, en komen zij dus niet tot expressie. Polariteit dient als kwaliteitscontrole van het mRNA, waardoor ongebruikte transcripten voortijdig worden beëindigd, in plaats van gesynthetiseerd en afgebroken.
De term “polariteit” werd geïntroduceerd om de waarneming te beschrijven dat de volgorde van de genen binnen een operon belangrijk is: een nonsense mutatie in een upstream gen beïnvloedt de transcriptie van downstream genen. Bovendien moduleert de positie van de nonsense-mutatie binnen het upstream-gen de “mate van polariteit”, waarbij nonsense-mutaties aan het begin van de upstream-genen sterkere polariteit (meer verminderde transcriptie) op downstream-genen uitoefenen.
In tegenstelling tot het mechanisme van verzwakking, dat intrinsieke beëindiging van de transcriptie op welbepaalde geprogrammeerde plaatsen inhoudt, is polariteit Rho-afhankelijk en vindt beëindiging op variabele posities plaats.