Atenuaator (geneetika)

Atenuaator on spetsiifiline regulatoorne DNA järjestus, millelt transkribeeritud RNA moodustab sekundaarstruktuuri. Atenuaator mängib olulist regulatoorset rolli prokarüootides, kuna neis puudub tuum. See struktuur reguleerib translatsiooni aktiivsust sõltuvalt erinevatest faktoritest. Atenuatsiooni nähtus avastati E. coli trp-operonis. Heaks atenuatsiooni näiteks on trp-operon bakterites. Kui rakus on suur trüptofaani kontsentratsioon, siis ei ole vaja bakteril seda juurde sünteesida. Kui RNA polümeraas seondub trp-geenijärjestusele, hakkab ribosoom kohe transleerima. See erineb translatsioonist eukarüootides, kus RNA peab kõigepealt väljuma tuumast. Atenuatsioonijärjestus asub mRNA liiderjärjestuse (UTR-5´-järjestuse) ja trp-operoni geeni vahel ning sisaldab nelja domeeni, mis võivad sõltuvalt raku sisekeskkonna tingimustest omavahel spetsiifiliselt paarduda, ehk näiteks kolmas saab seonduda spetsiifiliselt kas teise või neljandaga. Atenuaatori esimeses domeenis on trüptofaani sisaldavate peptiidide sünteesi reguleeriv järjestus. Suur trüptofaani kontsentratsioon võimaldab ribosoomi transleerida esimesest ja teisest domeenist, mis omakorda võimaldab kolmandal ja neljandal domeenil moodustada juuksenõelastruktuuri. Selline olukord peatab transkriptsiooni trp-operoni pealt, mis tähendab, et trüptofaani enam ei sünteesita. Väikese trüptofaani kontsentratsiooni juures jääb ribosoom esimese domeeni peal seisma, mis võimaldab teisel ja kolmandal domeenil moodustada juuksenõelastruktuuri, kuid see ei peata transkriptsiooni. See tähendab, et ülejäänud operoni saab transkribeerida ning transleerida, mis omakorda suurendab trüptofaani kontsentratsiooni. Seega toimib neljas domeen atenuaatorina. Ilma selleta toimuks trüptofaani süntees sõltumatult selle kontsentratsioonist rakus. Atenuaator-järjestuse translatsioonil sünteesitakse liiderpeptiid, aga see ei ole trp-operoni järjestuse osa. Atenuaator annab piisavalt aega juuksenõelastruktuuride moodustumiseks, kuid selle pealt ei transleerita peptiidi, mida trüptofaani sünteesil kasutataks. Atenuatsioon on trp-operonis negatiivse tagasiside teine mehhanism. Esimene mehhanism toimib TrpR repressori vahendusel ning mõlema mehhanismi koostöö on trüptofaani sünteesi reguleerimiseks oluline. Atenuatsioon on prokarüootides võimalik seetõttu, et neil ei ole tuuma ning ribosoom saab alustada mRNA translatsiooni samal ajal, kui RNA polümeraas transkribeerib DNA-d. See võimaldab translatsiooni abil reguleerida transkriptsiooni. trp-operoni transkribeeritud geenide alguses on 140 nukleotiidi pikkune lõik, mida nimetatakse liidertranskriptiks (trpL). Selles transkriptis on 4 regiooni (1–4). Regioonid 1 ja 2, 2 ja 3 ning 3 ja 4 on omavahel osaliselt komplementaarsed, mis võimaldab neil moodustada juuksenõelastruktuure. Esimese ja teise regiooni hübridisatsioon tekitab nn 1–2-struktuuri, mis pärsib 2–3-struktuuri moodustumist, 2–3-struktuur aga pärsib 3–4-struktuuri moodustumist. 3–4 on transkriptsiooni terminatsioonijärjestus, mille tekkimisel RNA polümeraas dissotsieerub DNA-lt ning trp-operoni struktuursete geenide transkriptsioon katkeb. Osa liidertranskriptist kodeerib lühikest 14-aminohappelist peptiidi, mis ongi liiderpeptiid. Selle sees on kaks kõrvuti paiknevat trüptofaanijääki, mis on küllaltki haruldane aminohape (keskmises E. coli valgus on ligi üks aminohappejääk sajast trüptofaan). Kui ribosoom hakkab transleerima seda peptiidi trüptofaani väikese kontsentratsiooni juures, siis translatsioon seiskub ühel trüptofaani koodonitest. Peatunud ribosoom blokeerib transkripti esimest järjestust, takistades 1–2-juuksenõelastruktuuri moodustumist. Seetõttu moodustub 2–3-struktuur, mis pärsib termineeriva ehk 3–4-juuksenõelastruktuuri moodustumist. RNA polümeraas saab seda operoni edasi transkribeerida. Kuid juhul kui trüptofaani sisaldus on muutunud piisavalt suureks, transleerib ribosoom tervet liiderpeptiidi ilma takistusteta ning jääb seisma alles translatsiooni terminaatorkoodoni peal. Selles asendis blokeerib ribosoom nii esimese kui teise järjestuse. Kolmas ja neljas järjestus moodustuvad siis termineeriva 3–4-juuksenõelastruktuuri. Selle tulemusena saab operoni transleerida ainult siis, kui trüptofaani kontsentratsioon rakus on väike. Et tagada ribosoomi seondumist liidertranskriptile ning translatsiooni alustamist kohe pärast sünteesi, teeb RNA polümeraas trpL-järjestuses ühes kindlas kohas pausi. Selle järjestuseni jõudmisel RNA polümeraas peatub ja nähtavasti ootab translatsiooni algust. Selline mehhanism võimaldab transkriptsiooni ja translatsiooni sünkroonimist, mis on ka atenuatsiooni üks võtmetegureid. Samasugune atenuatsioonimehhanism reguleerib histidiini, fenüülalaniini ja treoniini sünteesi. Charles Yanofski avastas esimesena atenuatsiooni E. coli trp-operonis. Bakterirakkudes, milles trüptofaani repressorgeen inaktiveeriti, oli ikka näha trp-operoni regulatsiooni. Reguleeritavus oli TrpR-mutantidel seitsekümmend korda madalam kui metsiktüübil, kuid siiski märkimisväärne. Seega pidi olema veel mingi muu trüptofaani kontsentratsioonist sõltuv regulatsioonimehhanism. trp-operoni sekveneerimisel avastati ebatavaline avatud lugemisraam (ORF), mis paiknes vahetult enne trüptofaani biosünteesi ensüüme kodeerivate struktuursete geenide ORF-e. Alguses märkas Yanofski, et avastatud ORF sisaldas kahte tandeemset trüptofaanikoodonit ning selle peptiidis oli 10 korda rohkem trüptofaani kui tavaliselt. Siis selgus, et selle regiooni mRNA sisaldas palindroomset järjestust, mis võimaldas kahe üksteist välistava struktuuri moodustumist. Üks neist sarnanes rho-sõltumatu transkriptsiooni terminatsiooni signaaliga. Teine sekundaarstruktuur blokeeris esimese ehk terminaatorstruktuuri moodustumist. Seda struktuuri nimetatakse preemptoriks. Selle regulatsioonimehhanismi avastamine viis selle taasavastamiseni ka teistes operonides, kus varem ei olnud repressoreid teada. MiRNA-uuringud on viidanud, et atenuatsioon esineb ka eukarüootides. Crawford, I.P., Stauffer, G.V. Regulation of tryptophan biosynthesis. Annu Rev Biochem. 1980;49:163–195. The trp Operon – a repressible system Yanofsky, C.Attenuation in the control of expression of bacterial operons. Nature. 1981 Feb 26;289(5800):751–758. Platt, T.Termination of transcription and its regulation in the tryptophan operon of E. coli. Cell. 1981 Apr;24(1):10–23. Mechtler, Peter; Johnson, Sydney; Slabodkin, Hannah; Cohanim, Amir B.; Brodsky, Leonid; Kandel, Eugene S. "The evidence for a microRNA product of human DROSHA gene". RNA Biology. 14 (11): 1508–1513. Lee, F., Yanofsky, C.Transcription termination at the trp operon attenuators of Escherichia coli and Salmonella typhimurium: RNA secondary structure and regulation of termination. Proc Natl Acad Sci U S A. 1977 Oct;74(10):4365–4369. Stauffer, G. V., Zurawski, G., Yanofsky, C.Single base-pair alterations in the Escherichia coli trp operon leader region that relieve transcription termination at the trp attenuator. Proc Natl Acad Sci U S A. 1978 Oct;75(10):4833–4837. Zurawski, G., Yanofsky, C.Escherichia coli tryptophan operon leader mutations, which relieve transcription termination, are cis-dominant to trp leader mutations, which increase transcription termination. J Mol Biol. 1980 Sep 5;142(1):123–129.