Элонгация РНК: влияние условий роста бактериальных клеток
Механизмы преждевременной терминации транскрипции и антитерминации используются бактериями для регуляции внутриклеточного метаболизма при изменении условий роста клеток. В частности, скорости синтеза рРНК и тРНК строго координированы со скоростью роста, и наоборот, число делений клеток в единицу времени прямо зависит от скорости транскрипции соответствующих оперонов. Совокупность событий, развивающихся у бактерий в ответ на изменение скорости их роста при изменении содержания питательных веществ в среде, получила название строгого ответа (stringent response) . Первичной сигнальной молекулой строгого ответа является гуанозинтетрафосфат - ppGpp , который уменьшает скорость элонгации РНК-полимеразой и вызывает преждевременную терминацию транскрипции в rrnB-опероне .
Транскрипция оперонов рибосомных белков также контролируется на уровне элонгации. У E. coli транскрипция оперона, кодирующего S10 и десять других рибосомных белков, контролируется через задержку транскрипции, вызываемой продуктом третьего гена оперона - рибосомным белком L4 . Этот белок взаимодействует со шпилькой синтезируемой РНК, вызывая преждевременную терминацию транскрипции в лидерном участке гена S10 - первом гене оперона. В отличие от классической аттенюации альтернативные вторичные структуры РНК не являются причиной изменения эффективности транскрипции соответствующего участка ДНК. Белок L4 связывается со шпилькой на 70-80 нуклеотидов выше сайта терминации транскрипции. Шпилька в синтезируемой РНК образуется выше сайта терминации независимо от присутствия белка L4, однако без него молекула РНК-полимеразы не замечает сигнала терминации транскрипции. Этот механизм предотвращает накопление в клетке свободных рибосомных белков, не включившихся в состав рибосомных субчастиц.
Транскрипция оперона биосинтеза пиримидинов у E. coli регулируется и на уровне элонгации, и на этапе освобождения промотора. Первый тип регуляции является примером классической аттенюации, во втором случае реализуется нетривиальный механизм. Оперон индуцируется в присутствии низких внутриклеточных концентраций UTP. При повышении ее содержания транскрипционный комплекс продолжает эффективно формироваться на промоторе, однако во время инициации РНК-полимераза начинает реитеративный синтез гомополимера. Синтезируются длинные цепи поли(U), а в продуктивную фазу синтеза РНК фермент не вступает, потому что не может покинуть промотор. Такой же механизм контроля описан для оперона codBA E. coli. По мнению М. Чамберлина (1997 г.), аналогичный механизм может функционировать у эукариот.
Регуляция транскрипции оперона purB E. coli осуществляется на уровне элонгации РНК с помощью пуринового репрессора - ДНК- связывающего белка, взаимодействующего со специфической последовательностью нуклеотидов. Оперон purB является одним из девяти pur-оперонов, и два других гена также контролируются пуриновым репрессором. Однако только в опероне purB репрессор взаимодействует с ДНК значительно ниже сайта инициации транскрипции и создает препятствие элонгирующей РНК-полимеразе. Этот эффект не зависит от purB-промотора и не сопряжен с трансляцией.
У B. subtilis регуляция транскрипции оперонов биосинтеза пуринов и пиримидинов также связана с задержкой синтеза РНК, однако первичными регуляторами транскрипции являются не рибосомы, а новые белки, которые распознают другие элементы вторичной структуры РНК. Было предсказано образование альтернативных шпилек в РНК пуринового оперона под действием РНК-связывающего белка, ассоциированного с гуанином. Реализуемый механизм оказался аналогичным механизму репрессии биосинтеза триптофана .
Можно предположить, что биосинтез предшественников РНК, необходимых для синтеза пуринов и пиримидинов, должен оказывать прямое влияние на транскрипцию через изменение уровней соответствующих нуклеотидов. Действительно, у дрожжей, дефектных по фактору элонгации EFIIS , стимулирующему элонгацию РНК у эукариот, наблюдается повышенная чувствительность к 6-азаурацилу, который уменьшает внутриклеточный пул GTP и UTP. К такому же фенотипу приводили и некоторые мутационные изменения субъединиц РНК-полимеразы II S. cerevisiae. Для некоторых мутантных РНК- полимераз этого типа были характерны нарушения в элонгации транскриптов или взаимодействии с факторами элонгации in vitro. Все это указывает на универсальный характер тонкой координации в клетках метаболизма нуклеотидов и синтеза РНК.
Регуляция транскрипции не всех бактериальных оперонов биосинтеза аминокислот у бактерий следует сценарию аттенюации , характерному для trp-, his-, leu- и ilv-оперонов E. coli. В частности, транскрипция trp-оперона B. subtilis также регулируется на уровне элонгации, однако в этом случае в регуляции участвует РНК-связывающий белок TRAP, который взаимодействует с триптофаном. После образования комплекса с триптофаном белок TRAP приобретает способность связываться с РНК оперона в ее лидерном участке. Такое взаимодействие модифицирует вторичную структуру РНК, что способствует терминации транскрипции. Белок TRAP может оказывать негативное влияние на трансляцию полицистронной мРНК оперона при повышении внутриклеточного содержания триптофана. В отличие от E. coli на процесс транскрипции trp-оперона у B. subtilis рибосомы не оказывают прямого влияния.
