En genética , la atenuación es un mecanismo regulador de algunos operones bacterianos que da como resultado la terminación prematura de la transcripción . El ejemplo canónico de atenuación utilizado en muchos libros de texto introductorios de genética, [1] es la atenuación mediada por ribosomas del operón trp . La atenuación mediada por ribosomas del operón trp se basa en el hecho de que, en las bacterias, la transcripción y la traducción se producen 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 (se retrasa) en la región atenuadora en el líder del ARNm. Dependiendo de las condiciones metabólicas, el atenuador detiene la transcripción en ese punto o permite la lectura hasta la parte del gen estructural del ARNm y la síntesis de la proteína apropiada.
La atenuación es una característica reguladora presente en arqueas y bacterias que provoca la terminación prematura de la transcripción . [2] Los atenuadores son regiones reguladoras que actúan en 5'- cis y que se pliegan en una de dos estructuras de ARN alternativas que determinan el éxito de la transcripción. [3] El plegado está modulado por un mecanismo de detección que produce un terminador independiente de Rho , lo que da como resultado una transcripción interrumpida y un producto de ARN no funcional; o una estructura anti-terminadora, lo que da como resultado una transcripción de ARN funcional. Ahora hay muchos ejemplos equivalentes en los que la traducción, no la transcripción, se termina secuestrando la secuencia Shine-Dalgarno (sitio de unión ribosomal) en una estructura de horquilla. Si bien no cumplen con la definición anterior de atenuación (transcripcional), ahora se consideran variantes de los mismos fenómenos [3] y se incluyen en este artículo. La atenuación es un antiguo sistema regulador, predominante en muchas especies bacterianas, que proporciona una regulación rápida y sensible de los operones genéticos y se utiliza comúnmente para reprimir genes en presencia de su propio producto (o un metabolito posterior). [3]
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 desarrollaran temprano, tal vez antes de la separación entre arqueas y bacterias, y que desde entonces hayan evolucionado para utilizar varias moléculas de detección diferentes (se ha descubierto que el operón biosintético del triptófano utiliza tres mecanismos diferentes en diferentes organismos). [2]
En esta situación, la ARN polimerasa depende de la actividad (rezagada) del ribosoma; si el ribosoma se detiene debido a una carga insuficiente del ARNt, se favorece la estructura antiterminadora. El ejemplo canónico de atenuador del operón trp utiliza este mecanismo en E. coli . Se han encontrado mecanismos reguladores similares en muchos operones biosintéticos de aminoácidos. [4] [5]
Las secuencias de riboswitch (en la transcripción líder del ARNm) unen moléculas como aminoácidos, nucleótidos, azúcares, vitaminas, iones metálicos y otros ligandos pequeños [3] que causan un cambio conformacional en el ARNm. La mayoría de estos atenuadores son inhibidores y son utilizados por genes para enzimas biosintéticas o transportadores [3] 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 fluoruro, etc.
Estos elementos están unidos por ARNt no cargados específicos y modulan la expresión de los operones de la aminoacil-ARNt sintetasa correspondientes. [2] Los altos niveles de ARNt no cargados promueven la secuencia antiterminadora, lo que conduce a mayores concentraciones de ARNt cargado. Algunos consideran que estos son una familia separada de riboswitches [6], pero son significativamente más complejos que la clase anterior de atenuadores.
Las interacciones proteína-ARN pueden prevenir o estabilizar la formación de una estructura anti-terminadora. [2] .. karima eric discovery
Las formaciones de bucles dependientes de la temperatura introducen dependencia de la temperatura en la expresión de operones posteriores. Todos estos elementos actúan de manera dependiente de la traducción al controlar la accesibilidad de la secuencia Shine-Dalgarno, por ejemplo, la expresión de islas de patogenicidad de algunas bacterias al ingresar a un huésped. [3] [7] Datos recientes predicen la existencia de estructuras secundarias alternativas dependientes de la temperatura (incluidos terminadores independientes de Rho) aguas arriba de las proteínas de choque frío en E. coli . [3]
La atenuación fue observada por primera vez por Charles Yanofsky en el operón trp de E. coli . [8] La primera observación estaba vinculada a dos hechos científicos separados. Las mutaciones que anularon el gen trp R (represor) aún mostraban cierta regulación del operón trp (estos mutantes no fueron inducidos/reprimidos completamente por el triptófano). El rango total de regulación del operón trp es de aproximadamente 700 X (activado/desactivado). Cuando se anuló el represor trp, uno todavía obtuvo aproximadamente 10 X de regulación por la ausencia o presencia de trp. Cuando se determinó la secuencia del comienzo del operón trp, se vio un marco de lectura abierto (ORF) inusual inmediatamente antes de los ORF de los genes estructurales conocidos para las enzimas biosintéticas del 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 la normal. En segundo lugar, el ARNm en esta región contenía regiones de simetría diádica que le permitirían formar dos estructuras secundarias mutuamente excluyentes. Una de las estructuras parecía exactamente una señal de terminación de la transcripción independiente de rho. La otra estructura secundaria, si se formara, impediría la formación de esta estructura secundaria y, por lo tanto, del terminador. Esta otra estructura se llama "preemptor".
Un ejemplo es el gen trp en las bacterias . Cuando hay un alto nivel de triptófano en la región, es ineficiente para la bacteria sintetizar más. Cuando la ARN polimerasa se une y transcribe el gen trp , el ribosoma comenzará a traducir. (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 el dominio 2 o el dominio 4.
La secuencia atenuadora del dominio 1 contiene instrucciones para la síntesis de péptidos que requieren triptófano. Un alto nivel de triptófano permitirá que los ribosomas traduzcan los dominios 1 y 2 de la secuencia atenuadora, lo que permite que los dominios 3 y 4 formen una estructura de horquilla, lo que da como resultado la terminación de la transcripción del operón trp. Dado que los genes codificadores de proteínas 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 lo tanto, el dominio 4 es un atenuador. Sin el dominio 4, la traducción puede continuar independientemente del nivel de triptófano. [9] La secuencia atenuadora 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 atenuadora formen estructuras de bucle, pero no produce una proteína que se use en la síntesis posterior de triptófano.
La atenuación es un segundo mecanismo de retroalimentación negativa en el operón trp. Mientras que el represor TrpR reduce la transcripción en un factor de 70, la atenuación puede reducirla aún más en un factor de 10, lo que permite una represión acumulada de aproximadamente 700 veces. La atenuación es posible gracias a que en los procariotas (que no tienen núcleo), los ribosomas comienzan a traducir el ARNm mientras la ARN polimerasa todavía está transcribiendo 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 lo tanto, se pueden formar tres estructuras secundarias distintas (horquillas): 1–2, 2–3 o 3–4. La hibridación de las cadenas 1 y 2 para formar la estructura 1–2 impide la formación de la estructura 2–3, mientras que la formación de 2-3 impide la formación de 3–4. La estructura 3–4 es una secuencia de terminación de la transcripción; una vez que se forma, la ARN polimerasa se disocia del ADN y no se produce 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 detenido, el ribosoma protege físicamente la secuencia 1 de la transcripción, impidiendo así que forme la estructura secundaria 1-2. La secuencia 2 queda entonces libre para hibridarse con la secuencia 3 para formar la estructura 2-3, que luego impide la formación de la horquilla de terminación 3-4. La ARN polimerasa queda libre para continuar transcribiendo el operón completo. 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 las secuencias 1 y 2. Las secuencias 3 y 4 quedan libres para formar la estructura 3-4 que termina la transcripción. El resultado es que el operón se transcribirá solo cuando el triptófano no esté disponible para el ribosoma, mientras que el transcrito trpL se expresa de forma constitutiva.
Para garantizar 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 .
El mecanismo propuesto de cómo esta estructura secundaria del ARNm y el péptido líder trp podrían regular la transcripción de las enzimas biosintéticas trp incluye lo siguiente.
La ubicación de los ribosomas determina qué estructuras secundarias alternativas se forman.
El descubrimiento de este tipo de mecanismo para controlar la expresión de genes en un operón biosintético condujo a su identificación en una amplia variedad de operones para los que nunca se habían descubierto represores. Por ejemplo:
Aunque un mecanismo de atenuación que involucra la traducción mientras la transcripción está en curso, como el mecanismo para el operón trp (y algunos otros operones biosintéticos de aminoácidos), no funcionaría en eucariotas, hay evidencia de atenuación en eucariotas . [10] La investigación realizada sobre el procesamiento de microARN proporciona evidencia de atenuación eucariota; después de la escisión endonucleolítica cotranscripcional por la exonucleasa Drosha 5'->3', XRN2 puede terminar la transcripción adicional por el mecanismo de torpedo.
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