Atenuator (genetika)

U genetici, atenuacija je regulatorni mehanizam za neke bakterijske operone koji rezultira preranim prekidom transkripcije. Kanonski primjer atenuacije koji se koristi u mnogim uvodnim udžbenicima genetike, je [ribosomom posredovana atenuacija **trp* operona*. Ribosomom posredovana atenuacija *trp* operona* zasniva se na činjenici da se kod bakterija transkripcija i *translacija* odvijaju istovremeno. Atenuacija uključuje privremeni signal zaustavljanja (atenuator), koji se nalazi u segmentu DNK koji odgovara vodećoj sekvenci iRNK. Tokom atenuacije, ribosom se zaustavlja (odlaže) u atenuatorskoj regiji u vodećoj sekvenci iRNK. U zavisnosti od metaboličkih uslova, atenuator ili zaustavlja transkripciju u toj tački ili omogućava čitanje do strukturnog genskog dijela iRNK i sintezu odgovarajućeg proteina.

Atenuacija je regulatorna karakteristika koja se nalazi u svim *prokariotima, arhejama i bakterijama*, uzrokujući prerano završavanje *transkripcije]. Atenuatori su 5'-*cis* djelujući regulatorni regioni koji se savijaju u jednu od dvije alternativne strukture RNK koje određuju uspjeh transkripcije. Savijanje proteina je modulirano mehanizmom osjećanja koji proizvodi ili Rho-nezavisni terminator, što rezultira prekinutom transkripcijom i nefunkcionalnim RNK produktom; ili anti-terminatorsku strukturu, što rezultira funkcionalnim RNK transkriptom. Sada postoji mnogo ekvivalentnih primjera gdje se translacija, a ne transkripcija, prekida sekvestracijom Shine-Dalgarnove sekvence (mjesto vezivanja ribosoma) u strukturi ukosnice-petlje. Iako ne ispunjavaju prethodnu definiciju (transkripcijske) atenuacije, one se sada smatraju varijantama istog fenomena

### Atenuacija posredovana malim molekulama (ribosklopke) 
Sekvence ribosklopki (u vodećem transkriptu iRNK) vežu molekule kao što su aminokiseline, nukleotidi, šećeri, vitamini, metalni ioni i drugi mali ligandi ali su znatno složeniji od prethodne klase atenuatora.

### Atenuacija posredovana proteinima
Interakcije proteina i RNK mogu spriječiti ili stabilizirati formiranje anti-terminatorne strukture. Nedavni podaci predviđaju postojanje temperaturno zavisnih alternativnih sekundarnih struktura (uključujući Rho-nezavisne terminatore) uzvodno od proteina hladnog šoka u *E. coli*. Prvo zapažanje bilo je povezano s dvije odvojene naučne činjenice. Mutacije koje su izbacile trp R (represorski) gen i dalje su pokazivale određenu regulaciju trp operona (ovi mutanti nisu bili u potpunosti inducirani/represirani triptofanom). Ukupni raspon regulacije trp operona je oko 700 X (uključeno/isključeno). Kada je trp represor bio izbačen, i dalje se dobijala regulacija od oko 10 X zbog odsustva ili prisustva trp operona. Kada je određen početak sekvence trp operona, uočen je neobičan otvoreni okvir čitanja (ORF) neposredno prije ORF-ova za poznate strukturne gene za biosintetske enzime triptofana. Opće strukturne informacije prikazane u nastavku uočene su iz sekvence *trp* operona.

Prvo, Yanofsky je primijetio da ORF sadrži dva tandemska *Trp* kodona i da protein ima Trp postotni sastav koji je bio oko 10X normalan. Drugo, iRNK u ovoj regiji sadržavala je regije dijadne simetrije koje bi joj omogućile formiranje dvije međusobno isključive sekundarne strukture. Jedna od struktura izgledala je potpuno isto kao rho-nezavisni signal za terminaciju transkripcije. Druga sekundarna struktura, ako bi se formirala, spriječila bi formiranje ove sekundarne strukture, a time i terminatora. Ova druga struktura se naziva "preemptor".

## Operon *trp*
thumb|400px|Mehanizam transkripcijskog slabljenja trp operona.
Primjer je *trp* gen u bakterijama. Kada postoji visok nivo triptofana u regiji, bakterija ne može efikasno sintetizirati više. Kada se RNK-polimeraza veže i transkribira *trp* gen, ribosom će početi s translacijom. (Ovo se razlikuje od eukariotskih ćelija, gdje RNK mora izaći iz jedra prije nego što translacija počne.) Atenuatorska sekvenca, koja se nalazi između vodeće sekvence iRNK (5' neprevedena regija UTR) i sekvence gena *trp* operona, sadrži četiri domena, gdje se domen 3 može upariti s domenom 2 ili domenom 4.

Atenuatorska sekvenca u domenu 1 sadrži instrukcije za sintezu peptida koja zahtijeva triptofane. Visok nivo triptofana omogućit će ribosomima da translatiraju atenuatorske sekvence domena 1 i 2, omogućavajući domenama 3 i 4 da formiraju strukturu ukosnica, što rezultira prekidom transkripcije *trp* operona. Budući da se geni koji kodiraju proteine ne transkribiraju zbog rho nezavisnog prekida, triptofan se ne sintetizira.

Nasuprot tome, nizak nivo triptofana znači da će se ribosom zaustaviti na domenu 1, uzrokujući da domene 2 i 3 formiraju drugačiju strukturu ukosnica koja ne signalizira prekid transkripcije. Stoga će ostatak operona biti transkribiran i translatiran, tako da se može proizvesti triptofan. Dakle, domen 4 je atenuator. Bez domena 4, translacija se može nastaviti bez obzira na nivo triptofana. Kodoni atenuatorske sekvence su prevedeni u vodeći peptid, ali nije dio genske sekvence trp operona. Atenuator omogućava više vremena domenima atenuatorske sekvence da formiraju strukture petlji, ali ne proizvodi protein koji se koristi u kasnijoj sintezi triptofana.

Atenuacija je drugi mehanizam negativne povratne sprege u *trp* operonu. Dok TrpR represor smanjuje transkripciju za faktor 70, atenuacija je može dodatno smanjiti za faktor 10, omogućavajući tako akumuliranu represiju od oko 700 puta. Atenuacija je omogućena činjenicom da kod prokariota (koji nemaju jedro), ribosomi počinju prevoditi iRNK dok RNK-polimeraza još uvijek transkribira DNK sekvencu. To omogućava procesu translacije da direktno utiče na transkripciju operona.

Na početku transkribovanih gena *trp* operona nalazi se sekvenca od 140 nukleotida nazvana vodeći transkript (trpL). Ovaj transkript uključuje četiri kratke sekvence označene sa 1-4. Sekvenca 1 je djelimično komplementarna sekvenci 2, koja je djelimično komplementarna sekvenci 3, koja je djelimično komplementarna sekvenci 4. Dakle, mogu se formirati tri različite sekundarne strukture (ukosnice): 1-2, 2-3 ili 3-4. Hibridizacija lanaca 1 i 2 da bi se formirala struktura 1-2 sprečava formiranje strukture 2-3, dok formiranje 2-3 sprečava formiranje 3-4. Struktura 3-4 je sekvenca za terminaciju transkripcije, nakon što se formira, RNK-polimeraza će se disocirati od DNK i transkripcija strukturnih gena operona se neće dogoditi.

Dio primarnog transkripta kodira kratki polipeptid od 14 aminokiselina, nazvan primarni peptid. Ovaj peptid sadrži dva susjedna ostatka triptofana, što je neobično, budući da je triptofan prilično rijetka aminokiselina (otprilike jedan od stotinu ostataka u tipskom proteinu *E. coli* je triptofan). Ako ribosom pokuša prevesti ovaj peptid dok su nivoi triptofana u ćeliji niski, zaustavit će se na jednom od dva *trp* kodona. Dok je zaustavljen, ribosom fizički štiti sekvencu 1 transkripta, sprječavajući ga tako da formira sekundarnu strukturu 1-2. Sekvenca 2 tada može slobodno hibridizirati sa sekvencom 3, kako bi formirala strukturu 2-3, što zatim sprječava formiranje ukosnice za terminaciju 3-4. RNK-polimeraza može slobodno nastaviti transkripciju cijelog operona. Ako su nivoi triptofana u ćeliji visoki, ribosom će prevesti cijeli vodeći peptid bez prekida i zaustavit će se samo tokom terminacije translacije na stop kodonu. U ovom trenutku ribosom fizički štiti obje sekvence 1 i 2. Sekvence 3 i 4 su stoga slobodne da formiraju strukturu 3-4 koja prekida transkripciju. Rezultat je da će se operon transkribirati samo kada triptofan nije dostupan ribosomu, dok je trpL transkript konstitutivno eksprimiran.
Da bi se osiguralo da se ribosom veže i započne translaciju primarnog transkripta odmah nakon njegove sinteze, u trpL sekvenci postoji mjesto pauze. Nakon dolaska do ovog mjesta, RNK-polimeraza pauzira transkripciju i očigledno čeka da translacija počne. Ovaj mehanizam omogućava sinhronizaciju transkripcije i translacije, ključni element u atenuaciji.

Sličan mehanizam atenuacije reguliše sintezu histidina, fenilalanina i treonina.

## Mehanizam u *trp* operonu
Predloženi mehanizam kako bi ova sekundarna struktura mRNA i trp vodeći peptid mogli regulirati transkripciju trp biosintetskih enzima uključuje sljedeće.

*RNAP inicira transkripciju trp promotora.
*RNAP pauzira na otprilike nukleotidu 90 na sekundarnoj strukturi.
*Ribosomi angažiraju ovu nascentnu iRNK i iniciraju translaciju vodećeg peptida.
**RNAP se zatim "oslobađa" iz svoje pauze i nastavlja transkripciju.
*Kada RNAP stigne do regije potencijalnog terminatora, da li će nastaviti ili ne zavisi od položaja ribosoma koji "zaostaje".
**Ako se ribosom zaustavi na tandemskim Trp kodonima, čekajući odgovarajuću tRNK, regija 1 se sekvestrira unutar ribosoma i stoga ne može spariti bazu s regijom 2. To znači da regije 2 i 3 postaju bazno uparene prije nego što se regija 4 može transkribirati. Ovo prisiljava regiju 4 da bude jednolančana, sprječavajući formiranje terminatorske strukture regije 3/4. Transkripcija će se tada nastaviti.
**Ako ribosom bez oklijevanja prevede vodeći peptid, on zatim prekriva dio regije 2, sprječavajući njegovo sparivanje baza s regijom 3. Zatim, kada se regija 4 transkribira, formira stablo i petlju s regijom 3 i transkripcija se prekida, generirajući transkript od cca. 140 baza.
*Ovaj mehanizam kontrole mjeri količinu dostupne, nabijene Trp-tRNK.
Položaj ribosoma određuje koje se alternativne sekundarne strukture formiraju.

## Ostali operoni kontrolirani atenuacijom
Otkriće ove vrste mehanizma za kontrolu ekspresije gena u biosintetskom operonu dovelo je do njegove identifikacije u širokom spektru takvih operona za koje represori nikada nisu bili otkriveni. Na primjer:

## Atenuacija kod eukariota
Iako mehanizam atenuacije koji uključuje translaciju dok je transkripcija u toku, poput mehanizma za *trp* operon (i neke druge biosintetske operone aminokiselina), ne bi funkcionirao kod eukariota, postoje dokazi o atenuaciji kod eukariota. Istraživanja provedena na obradi mikroRNK pružaju dokaze o eukariotskoj atenuaciji; nakon kotranskripcijskog endonukleaznog cijepanja pomoću Drosha 5'->3' egzonukleaze, XRN2 može prekinuti daljnju transkripciju torpednim mehanizmom.

## Reference
* Genes VI pp.&nbsp;374–380
* M. Ballarino, "Coupled RNA Processing and Transcription of Intergenic Primary MicroRNAs", MOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY, Oct. 2009, p.&nbsp;5632–5638

Kategorija:Ekspresija gena