Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот

Данный обзор содержит разделы, посвященные некоторым ключевым молекулярным механизмам посттранскрипционного контроля экспрессии генов. Рассматриваются процессы деградации мРНК, участие REP-последовательности в регуляции экспрессии генов, а также детерминанты экспрессии на уровне инициации трансляц...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	1994
Автори:	Крупская, И.В., Патон, Е.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 1994
Назва видання:	Биополимеры и клетка
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155400
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот / И.В. Крупская, Е.Б. Патон // Биополимеры и клетка. — 1994. — Т. 10, № 3-4. — С. 24-38. — Бібліогр.: 85 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155400
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1554002025-02-23T18:01:16Z Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот Деякі молекулярні механізми посттранскрипційної регуляції експресії генів прокаріот Some molecular mechanisms of the posttranscriptional regulation of procaryotic gene expression Крупская, И.В. Патон, Е.Б. Данный обзор содержит разделы, посвященные некоторым ключевым молекулярным механизмам посттранскрипционного контроля экспрессии генов. Рассматриваются процессы деградации мРНК, участие REP-последовательности в регуляции экспрессии генов, а также детерминанты экспрессии на уровне инициации трансляции: последовательность Шайна – Далгарно, расстояние от нее до инициаторного кодона, инициаторный и второй кодоны, редкие кодоны. Огляд містить розділи, присвячені молекулярном механізмам посттралскрипційного контролю експресії генів. Розглянуто процеси деградації мРНК, участь REP-послідовності в регуляції експресії генів, а також детермінанти експресії на рівні ініціації трансляції послідовність Шайна – Далгарно, відстань відстань до ініціаторного кодона, ініціаторний та другий кодони, рідкіснікодони. This review consist of parts dedicated to the molecular mechanisms of posttranscriptional control of gene expression. It is shown the mRNA degradation process, participation of REP-sequence in the regulation of gene expression, and also the determinants of expression on the level of transcriptional initiation: the Shaine – Dalgarno sequence, the distance from it to initiate-codone, initiated and second codones, and rare codones. 1994 Article Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот / И.В. Крупская, Е.Б. Патон // Биополимеры и клетка. — 1994. — Т. 10, № 3-4. — С. 24-38. — Бібліогр.: 85 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.0003AB https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155400 577.21 ru Биополимеры и клетка application/pdf Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Данный обзор содержит разделы, посвященные некоторым ключевым молекулярным механизмам посттранскрипционного контроля экспрессии генов. Рассматриваются процессы деградации мРНК, участие REP-последовательности в регуляции экспрессии генов, а также детерминанты экспрессии на уровне инициации трансляции: последовательность Шайна – Далгарно, расстояние от нее до инициаторного кодона, инициаторный и второй кодоны, редкие кодоны.
format	Article
author	Крупская, И.В. Патон, Е.Б.
spellingShingle	Крупская, И.В. Патон, Е.Б. Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот Биополимеры и клетка
author_facet	Крупская, И.В. Патон, Е.Б.
author_sort	Крупская, И.В.
title	Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот
title_short	Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот
title_full	Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот
title_fullStr	Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот
title_full_unstemmed	Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот
title_sort	некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	1994
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155400
citation_txt	Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот / И.В. Крупская, Е.Б. Патон // Биополимеры и клетка. — 1994. — Т. 10, № 3-4. — С. 24-38. — Бібліогр.: 85 назв. — рос.
series	Биополимеры и клетка
work_keys_str_mv	AT krupskaâiv nekotoryemolekulârnyemehanizmyposttranskripcionnojregulâciiékspressiigenovprokariot AT patoneb nekotoryemolekulârnyemehanizmyposttranskripcionnojregulâciiékspressiigenovprokariot AT krupskaâiv deâkímolekulârnímehanízmiposttranskripcíjnoíregulâcííekspresíígenívprokaríot AT patoneb deâkímolekulârnímehanízmiposttranskripcíjnoíregulâcííekspresíígenívprokaríot AT krupskaâiv somemolecularmechanismsoftheposttranscriptionalregulationofprocaryoticgeneexpression AT patoneb somemolecularmechanismsoftheposttranscriptionalregulationofprocaryoticgeneexpression
first_indexed	2025-11-24T06:34:52Z
last_indexed	2025-11-24T06:34:52Z
_version_	1849652509438640128
fulltext	УДК 577.21 И. В. Крупская, Е. Б. Патон НЕКОТОРЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОСТТРАНСКРИПЦИОННОЙ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ПРОКАРИОТ Данный обзор содержит разделы, посвященные некоторым ключевым молекулярным механизмам посттранскрипционного контроля экспрессии генов. Рассматриваются про цессы деградации мРНК, участие REP-последовательности в регуляции экспрессии ге нов, а также детерминанты экспрессии на уровне инициации трансляции: последователь ность Шайна — Далгарно, расстояние от нее до инициаторного кодона, инициаторный и второй кодоны, редкие кодоны. Вопрос о способах регуляции экспрессии генов является ключевым в современной молекулярной биологии как в теоретическом, так и в при кладном аспекте. В последнее время наши знания о разнообразии при родных механизмов регуляции экспрессии генов стремительно попол няются. Экспрессия генов в Escherichia coli определяется в первую оче редь эффективностью сигналов инициации транскрипции и трансляции. Предмет данного обзора составляет исследование разнообразных меха низмов посттранскрипционного контроля экспрессии генов. Роль стабильности мРНК в регуляции экспрессии. Стабильность матричной РНК играет важную роль в определении уровней белкового синтеза у про- и эукариот. Постоянный уровень функционирующей в клетке мРНК обусловлен скоростью ее распада. Следовательно, этот процесс важен при контроле экспрессии генов. Обычно уровень синтеза белка зависит от концентрации кодирующей его мРНК, которая, в свою очередь, определяется соотношением между скоростями ее синтеза и распада. Виды индивидуальных мРНК значительно отличаются по стабиль ности. В клетках млекопитающих мРНК временно экспрессирующихся генов (например, c-fos и с-тус) имеет период полужизни (/i/2) 15 мин, в то время как другие (такие как р-глобиновая мРНК) более стабиль ны. В отличие от эукариотических, бактериальные мРНК распадаются довольно быстро. Обычно период полужизни их равен 2—3 мин, хотя некоторые виды более стабильны. У мРНК Е. coli период полужизни составляет от нескольких секунд до 30 мин [1]. Различный уровень бактериальных матриц в живой клетке обус ловлен разной чувствительностью их к деградации клеточными эндо- нуклеазами и З'-экзонуклеазами, активность которых зависит от после довательности и структуры мРНК. Рибосомы и антисенс-РНК также способны влиять на стабильность транскриптов, с которыми они взаи модействуют. Отличия в стабильности матрицы могут приводить к раз личной экспрессии генов внутри полицистронных оперонов и к модуля ции экспрессии генов в ответ на изменения условий роста [2]. Мута ции, вызывающие понижение стабильности мРНК, возможно, таким образом снижают экспрессию гена, повышение же стабильности мат рицы увеличивает уровень белкового синтеза [3, 4]. В наибольшей степени стабильность мРНК in vivo зависит от дей ствия природных нуклеаз, которые хорошо изучены в Е. coli и других бактериях [5]. Рибонуклеазы, причастные к распаду мРНК, можно разделить на две категории: эндонуклеазы и экзонуклеазы. © И. В. КРУПСКАЯ, Е. Б. ПАТОН, 1994 24 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3--4 Только две эндонуклеазы: РНКаза III (продукт гена тс) и РНКаза Е (продукт гена те) способны подвергать деградации мат ричную РНК [2, 6]. РНКаза III специфично действует на двунитчатую РНК и узнает определенные длиннопетлевые структуры, расщепляя одну, а иногда и обе цепи [7]. Посредством РНКазы III положительно регулируется экспрессия генов фага 77 [8] и гена cIII фага лямбда [9], отрицательно — экспрессия гена ell фага лямбда [10]. РНКаза III предположительно участвует в процессинге транскриптов генов,. контролируемых антисенс-РНК [10, 11], а также, как показано, в уко рочении (trimming) dicF- РНК Е. coli и в процессинге транскриптов, кодирующих белки ЗЗЬ, 59 и 32 фага Т4 [6]. Расщепление РНКазой III в участках, которые могут образовы вать вторичную структуру, является лимитирующим этапом в распаде транскриптов rpsO-pnp [12], rnc-era [13] и metY-nusA-infB [14] оперо- нов Е. coli и int-гепа фага лямбда [15]. Помимо участия в деградации мРНК, РНКаза III способствует процессингу как рРНК, так и мРНК [16]. При исследовании оперона S15 рибосомного белка Е. coli обнару жено участие РНКазы III в деградации мРНК [6] и, следовательно, в контроле экспрессии генов. Транскрипты rpsO-pnp- оперона Е. coli (гены кодируют рибосомный белок S15 и полинуклеотидфосфорилазу) процессируются в четырех сайтах в межцистронной области длиной 249 нуклеотидов. Начальный этап процессинга рпр РНК осуществля ется РНКазой III, расщепляющей РНК в двух сайтах выше гена рпр. Расщепление в двух других сайтах зависит от аллели дикого типа ге на те, кодирующего эндонуклеолитический фермент РНКазу Е. Рас щепления происходят на расстоянии 37 нуклеотидов от основания шпильки р-зависимого аттенюатора, расположенного ниже гена rpsO. Расщепление ниже аттенюатора способствует образованию rpsO- мРНК, почти идентичной моноцистронному аттенюированному транс крипту, выше аттенюатора транскрипции — образованию мРНК rpsO, у которой отсутствует З'-концевая шпилечная структура. Быстрая де градация процессированной мРНК в те+-штамме по сравнению с мед ленной деградацией транскрипта, аккумулирующегося в /тге--штамме, предполагает, что РНКаза III инициирует распад rpsO-мессенджера в результате удаления стабилизирующей шпильки на З'-конце РНК. РНКаза Е была найдена как фермент, непосредственно участвую щий в созревании рибосомной РНК и расщепляющий однонитчатые РНК внутри последовательности, расположенной выше длиннопетле- вой структуры [17]. Очень интересна роль эндонуклеазы Е в природ ной регуляции экспрессии. Процессинг мРНК гена 32 РНКазой Е ста билизирует мессенджер 32, но в то же время ускоряет распад вышеле жащего участка мРНК [17, 18]. Более того, многие транскрипты фага Т4 стабилизируются в. штамме, дефектном по РНКазе Е [19]. РНКаза Е участвует в созревании рибосомной 5S РНК и расщепляет РНК I плазмиды ColEl [20]. Другие эндонуклеолитические расщепления, происходящие в 5'-лидерной области гена и в рибосом-связывающем участке, также влияют на стабильность мРНК и экспрессию генов [21]. Недавно открыта эндорибонуклеаза К (РНКаза К — Escherichia coli) [22], катализирующая сайт-специфическое расщепление транс криптов генов отрА и Ыа в 5'-области. Действие РНКазы К, в частно сти, инициация деградации мРНК, может быть одним из природных ме ханизмов регуляции экспрессии генов. Логично предположить, что если распад мРНК произошел благо даря случайному эндонуклеолитическому расщеплению, то он должен зависеть от размера и степени доступности внутринуклеотидных звень ев. Однако, по крайней мере у прокариот, не наблюдается корреляции между размером мРНК и скоростью ее распада [23]. Транскрипты, от личающиеся размером на 50 %, имеют сходную скорость распада. Две экзонуклеазы: полинуклеотидфосфорилаза (продукт гена рпр) и РНКаза II (продукт гена mb) —ферменты, ответственные за дегра дацию матричной РНК до мононуклеотидов [24, 25]. Они проявляют ISSN 0233-7G67. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3—4 25 б'-З'-экзонуклеазную активность и разрушают мРНК с З'-конца. РНКаза II и полинуклеотидфосфорилаза являются основными экзонук- леазами, вовлеченными в деградацию мРНК, и не определяют скорос ти распада большинства матриц. Возможно, существует взаимосвязь между стабильностью мРНК и процессом транскрипции, например, в том случае, если цепи мРНК хоть как-нибудь защищены от влияния неспецифических эндонуклеаз, но чувствительны к экзонуклеазам. Оп ределенная конфигурация мРНК при терминации транскрипции может обусловливать скорость ее распада. Бактериальные р-независимые сиг налы терминации транскрипции, которые содержат последовательнос ти, способные образовывать шпилечные структуры, также, по-видимо му, выполняют защитную функцию при действии З'-экзонуклеаз [2]. Шпилечные структуры могут стабилизировать определенные области полицистронных мРНК. Ген Е. coli, кодирующий ДНК-праймазу, рас положен в середине оперона, который начинается с гена рибосомного белка 52/ и заканчивается геном а-субъединицы РНК-полимеразы. Праймазный транскрипт распадается быстрее, чем два других участ ка, обладающих потенциальной возможностью образовывать шпилеч ную структуру в З'-терминальной области [26],. В мРНК эукариот структурные особенности З'-концевой области также способствуют «защите» цепи мРНК от экзонуклеазных атак. Так, некоторые мРНК гистонов, не имеющие поли (А) на З'-конце, терминируются последо вательностью, формирующей шпилечную структуру, вероятно, устойчи вую к З'-экзонуклеазе [27]. Одним из факторов, играющих важную роль в стабилизации мРНК, является ассоциация мРНК с рибосомами. Считается, что по следние могут стерически защищать потенциальные участки расщепле ния от действия эндонуклеаз. Вопрос о роли рибосом в определении стабильности мРНК довольно спорный. Предполагают [2], что отсут ствие рибосом будет снижать стабильность мРНК в том случае, если незащищенный участок содержит структуру или последовательность, чувствительную к эндонуклеазному расщеплению. В подтверждение участия «рибосомной защиты» в контроле экспрессии приводят пример генов /ас-оперона Е. coli [28], где дистальный цистрон мРНК (lacA) деградирует почти в два раза быстрее, чем проксимальный (IctcZ). Весьма интересный случай регуляции экспрессии за счет различ ной стабильности цистронов в полицистронном /ш/-опероне отмечается у Rhodobacter capsulatus [29]. Авторы обнаружили, что эффективность деградации отдельных сегментов РНК зависела от их локализации. В данном опероне отдельные сегменты РНК распадаются под действием определенных механизмов. Возможно, что участки мРНК, трансляция которых более эффективна, защищаются от деградации рибосомами. В то же время данное исследование показало, что этого недостаточно для защиты, поскольку деградация зависит от длины транслируемой матрицы (локализации искусственного терминирующего кодона). Ра нее было обнаружено [30], что шпилечная структура межцистронного района между pufA- и pufL-гепамп ответственна за относительную ста бильность /^///-специфического сегмента мРНК. С помощью рекомби- нантной плазмиды стоп-кодон гена pufA заменили на кодон для тиро зина. В результате этого трансляция могла продолжаться через меж- цистронную область, содержащую шпильку. Еще один стоп-кодон был помещен в правильной рамке считывания 32 нуклеотидами выше 3'- конца шпильки и 50 нуклеотидами выше начала гена pufL. Оказалось, что продолжение трансляции через шпильку вызывает критическое со кращение периода полужизни мРНК. Терминация трансляции вблизи 5'-конца кодирующей области гена pufL приводила не только к быст рой деградации остатка мРНК соответствующего pufL, но и ускоряла распад мРНК обоих генов, находящихся ниже сайта абортированной трансляции. Авторы заключают, что продолжение трансляции вдоль определенной мРНК может влиять на скорость распада участков мРНК, удаленных от транслируемого района. 26 ISSN 0233-7667. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3 - 4 REP-последовательности обнаружены в оперонах прокариот, бел ковые продукты которых выполняют биосинтетические, деградацион- ные, регуляторные и другие функции. Транскрипты, синтезирующиеся в этих оперонах, хорошо охарактеризованы. Установлено, что палинд ромы всегда находятся в транскрибируемых последовательностях, ло кализованы либо в интергенной области полицистронного оперона, ли бо в З'-нетранслируемой области транскрипционной единицы, располо женной выше терминатора [33]. Тот факт, что REP-последовательно сти часто встречаются в интергенных областях, позволяет предполо жить, что в определенном хромосомном контексте они могут термини ровать транскрипцию, образуя G—С-богатую длиннопетлевую струк туру, характерную для р-независимых терминаторов. В этом случае действие REP-последовательностей аналогично аттенюатору [34]. Этим они регулируют соотношение уровней экспрессии генов внутри оперонов [31, 35]. Однако к настоящему времени полной определен ности здесь нет. Эксперименты Штерна и др. [32] продемонстрирова ли, что REP-последовательности, как правило, не являются сигналами для терминации транскрипции. Эксперименты Гилсона и др. [36] по казали также, что: а) в случае клонирования REP-последовательно стей между каким-либо промотором и нижерасположенным геном зна чительного снижения экспрессии этого гена in vivo не отмечается; б) в системе транскрипции in vitro на REP-последовательностях не выяв лено терминации транскрипции даже в присутствии известных факто ров терминации, таких как rho и NusA\ в) при делетировании REP-по следовательности из his J — /nsQ-интергенной области хромосомного гистидинового транспортного оперона S. typhimurium не происходило существенного увеличения экспрессии данного оперона, слитного с lacZ; REP-последовательность в ZamB-таШ-интергенной области не способна терминировать транскрипцию. Следовательно, терминация транскрипции не является нормальной функцией REP-последователь ности. Вероятно, основная роль этой последовательности в контроле экспрессии генов связана с ее влиянием на стабильность мРНК. Как уже отмечалось, изменение в стабильности мРНК участвует в регуля ции экспрессии генов бактерий [4]. REP-последовательность обычно ответственна за неодинаковую стабильность различных сегментов мРНК внутри оперона. Таким образом, различия в стабильности, обу словленные REP-последовательностью, могут обеспечивать разный уровень экспрессии отдельных генов, представленных цистронами в полицистронных мРНК [32]. Экспериментально доказано, что мРНК, стабилизированная REP-последовательностью, участвует в контроле экспрессии генов бактерий [4]. Исследовалась также взаимосвязь функций REP-последователь ности и РНКазы III. РНКаза III расщепляет двойную цепь РНК [7], ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3 - 4 27 Участие REP-последовательности в регуляции экспрессии генов. REP-последовательность — важная детерминанта стабильности мРНК Е. coli и Salmonella typhimurium. REP (repetitive extragenic palindro mic— повторяющиеся экстрагенные палиндромные последовательно сти) являются высококонсервативными инвертированными повторами. Эти специфические последовательности, локализованные на 5'-конце молекулы мРНК, могут играть роль в определении их стабильности. Наличие REP-последовательности увеличивает период полужизни вы шерасположенной РНК и служит защитой от 3'—5'-экзонуклеазных атак. REP-последовательности формируют стабильную длиннопетле вую структуру в мРНК. Они могут встречаться единично или по четы ре стандартные копии, которые всегда инвертированы. На хромосоме Е. coli REP-последовательности представлены 500—1000 копиями [31—33]. REP-последовательности принято еще называть PUs (palindromic units) —палиндромными единицами [32]. Они имеют общий вид длиннопетлевая структура REP-последовательности могла бы служить субстратом для этого фермента. Однако экспериментально установле но, что мРНК, содержащая REP-последовательность, не расщепляется РНКазой HI in vitro [32]. В клеточных экстрактах РНКаза Ш+штам- мов мРНК в районе REP-последовательностей также не подвержена расщеплению. Хотя REP-последовательности в норме не являются участком для расщепления РНКазой III, возможно, что при определен ной хромосомной локализации REP-последовательности в результате изменения структуры становятся чувствительными к расщеплению. REP-последовательности защищают вышерасположенную мРНК от экзонуклеазного расщепления и могут стабилизировать эту мРНК. Специфическое накопление вышерасположенной мРНК происходит благодаря увеличению периода полужизни мРНК [4]. Примером мо жет служить оперон malEFG E. coli, в котором malE-мРНК стабиль нее, чем полная мРНК malEFG. Период полужизни malE равен 7—8 мин [37, 38], в то время как при делеции REP-последовательности из этого района он сокращался до 2 мин. Наоборот, при клонировании REP-последовательности в опероны, в которых она обычно не присут ствует, период полужизни вышерасположенной мРНК увеличивался в 10 раз. REP-последовательности слабо или вообще не влияют на ста бильность 'Нижерасположенной мРНК. На З'-конце гена или оперона REP-последовательности способны функционировать как детерминан ты стабильности мРНК [37, 38]. REP-стабилизированная мРНК может быть трансляционно актив ной. Предполагая, что мРНК, стабилизированная REP-последователь- ностью, играет какую-то роль в контроле экспрессии гена, исследовали вероятность ее трансляционной активности. Для этого измеряли пери од полужизни REP-стабилизированной мРНК после ингибирования дальнейшей транскрипции рифампицином. мРНК malE, стабилизиро ванная REP-последовательностью, оказалась трансляционно активной с периодом полужизни 7 мин. При делеции REP-последовательности из этого оперона, период полужизни сокращается до 2 мин. Эксперимен ты по удалению REP-последовательности из З'-концов gdhA- и glyA- генов, которое привело к сокращению синтеза GdhA- и GlyA-белков [39, 40], служат еще одним доказательством того, что REP-стабилизи рованная мРНК участвует в контроле экспрессии генов. Интересным объектом для изучения участия REP-последовательности в регуляции экспрессии генов является malEFG-оперон, полицистронная мРНК ко торого содержит две REP-последовательности в гаа/£-/ла//7-интерген- ной области [41]. В этом опероне ген malE кодирует полный белок пе риплазмы, присутствующий в 20—40-кратном избытке по отношению к ассоциированным с мембраной MalF- и Ma/G-белкам [42], гены кото рых расположены ниже. Локализация REP-последовательности в гаа/^-та/^-интергенной области позволяет предположить, что послед няя может обеспечивать увеличение стабильности malE-мРНК и, та ким образом, разный уровень экспрессии генов внутри этого оперона [4, 37]. Следовательно, в этом опероне существует очевидная корреля ция между соотношением стабильности malE- и malF-мРНК и относи тельным количеством соответствующих белковых продуктов. 1300 ну- клеотидов мРНК malE, т. е. его транскрипт, стабилизированный REP- последовательностью, может потенциально кодировать Л1а/£-белок. Если стабилизация этого транскрипта вносит свой вклад в регуляцию уровня экспрессии генов оперона malEFG, то стабилизированная мРНК является трансляционно активной и может направлять синтез MalE-белка. Чтобы определить, действительно ли REP-последователь ности дифференцируют экспрессию, была сконструирована делеция из 96 п. о. внутри хромосомной ma/f-ma/F-интергенной области, удаляю щая REP-последовательность из этого участка [37]. Как и предпола галось, эта делеция привела к меньшему накоплению мРНК. Кроме того, синтез MalE-белка значительно сократился. Это свидетельствует в пользу того, что различная стабильность мРНК благодаря наличию 28 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3-4. REP-последовательностей определяет различный уровень экспрессии генов внутри данного полицистронного оперона. Поскольку делеция REP-последовательностей сокращает синтез MalE-белка (в 5—6 раз) до уровня, лимитирующего транспорт мальтозы и хемотаксис, то по крайней мере в этом опероне стабилизация мРНК REP-последователь- ностями имеет физиологически важное значение. Предполагают, что REP-последовательности могут играть роль в организации прокариотической хромосомы, обеспечивая участки связы вания для нуклеоидного белка [32]. Таким образом, REP-последовательности способны выступать в ка честве детерминант стабильности матричной РНК и, как результат этого, экспрессии генов. Детерминанты экспрессии на уровне трансляции. Трансляция — это энергетически зависимый процесс, состоящий из трех стадий: ини циации, элонгации и терминации. В большинстве случаев гаибо iee важным этапом, контролирующим скорость трансляции, является ини циация. Элонгация также оказывает влияние на скорость образования полипептидной цепи. На ее скорость, в свою очередь, может влиять частота встречаемости редких кодонов, оказывающая влияние на кине тику транслокации рибосом [43]. И н и ц и а ц и я т р а н с л я ц и и . Эффективность инициации тран сляции биосинтеза белка играет огромную роль в регуляции экспрес сии генов. Для Е. coli она является мультикомпонентным процессом, требующим взаимодействия между всеми видами РНК (мРНК, 16S рРНК и фМет-тРНКМе1), факторами инициации трансляции (IP-1, IF-2 и IF-3) и рибосомными белками. Информация, определяющая участок мРНК как сайт инициации трансляции, заключена в нескольких десятках нуклеотидов по обе сто роны от стартового кодона. Контекст этой области инициации трансля ции обусловливает функциональную роль. Сайты инициации трансля ции обычно остаются функциональными даже для чужеродной мРНК, поэтому логично считать, что существует механизм, защищающий их от спаривания с удлиненными участками мРНК. Очевидно [44], что бла годаря тесной взаимосвязи транскрипции и трансляции удаленные сайты матрицы не синтезируются во время первого раунда трансляции и, таким образом, не могут препятствовать инициации. Рибосом-связывающий участок (RBS — ribosome binding site"» оп ределяется как область мРНК, защищенная от нуклеазной атаки в инициаторном комплексе. RBS включает в себя участок мРНК на 20 нуклеотидов ниже и на 13 нуклеотидов выше стартового кодона [45]. Контекст этого участка, а также его вторичная структура влияют на эффективность образования инициаторного комплекса и, следователь но, на уровень экспрессии. Таким образом, к детерминантам эффек тивности инициации трансляции для данной мРНК относятся: последо вательность Шайна — Далгарно (Shine — Dalgarno — SD), расстояние от нее до инициаторного кодона, инициаторный и второй кодоны как первичной, так и вторичной структурой. Р о л ь п о с л е д о в а т е л ь н о с т и Ш а й н а — Д а л г а р н о и и н и ц и а т о р н о г о к о д о н а в и н и ц и а ц и и т р а н с л я ц и и . Два ключевых элемента определяют сайт, с которого начинается трансля ция: а) инициаторный кодон, обычно AUG, GUG, UUG или AUU; б) последовательность Шайна—Далгарно— короткая полипуриновая по следовательность, обычно 3—6 нуклеотидов, располагающаяся на 5— 12 нуклеотидов выше инициаторного кодона и комплементарная участ ку последовательности 3/-UUCCUCCA-5/ на З'-конце 16S рРНК. Отно сительно влияния стартового кодонана на эффективность инициации трансляции можно отметить следующее. У большинства бактериальных генов инициирующим кодоном (встречающимся в 90 % случаев) яв ляется AUG, реже используется GUG (8 %) или UUG (1 %) и в еди ничном случае — AUU или AUA [45]. Эукариотическая и мутантная мРНК Е. coli имеет в качестве стартового кодона ACG [46]. Среди бо- ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3 - 4 29 лее 600 известных генов Е. coli найдены восемь с UUG в качестве ини- циаторного: суа, lac A, fr lysis, ndh, deoA, car A, rpsT и pnp [47]. При нято считать, что наиболее эффективным стартовым кодоном является AUG [45]. Однако при наличии оптимального сайта связывания рибо сом инициация трансляции с кодонов, отличных от AUG, также может происходить эффективно. Гены proC P. putida, E. coli имеют SD-после- довательности 5'-AGGAGG-3' и 5'-GGGAG-3' на расстоянии семи ну- клеотидов от инициирующего кодона, вслед за которыми расположен триплет AAA: эти детерминанты оптимальны для инициации трансля ции [45]. Необычные инициирующие кодоны могут быть элементами сложных систем регуляции трансляции: в гене rpsT кодон UUG входит в состав операторного участка ауторегуляции, в гене infC регуляция трансляции осуществляется, как предполагается, за счет специфиче ских свойств инициирующего кодона AUU и продукта гена — фактора IF-3. Ген infC Bacillus stearothermophilus также использует AUU [47]. Наличие различных инициирующих кодонов (GUG и UUG) в гене гроС указывает на то, что регуляция уровня его экспрессии осущест вляется за счет селекции инициирующего кодона как одной из детер минант инициации трансляции. Вторым критическим элементом, определяющим эффективность сайта инициации трансляции является последовательность Шайна— Далгарно, имеющая гомологию с З'-концом 16S рРНК. Этот элемент «привлекает» 30S субчастицы рибосом к правильному стартовому сай ту. Роль последовательности Шайна — Далгарно подтверждена экспе риментами, в которых модификация aHTH-SD-последовательности 16S рРНК давала возможность рибосоме транслировать только мРНК, со храняющие комплементарность своей 16S рРНК [48]. Взаимодействие между мРНК и рРНК является очень важным фактором в процессе инициации белкового синтеза. Наибольшее увеличение эффективности инициации трансляции гена Ь в а/р-опероне Е. coli наблюдалось в слу чае, когда SD-область была комплементарна по крайней мере четырем основаниям З'-конца 16S рРНК [49]. Области, строго комплементар ные З'-концу 16S рРНК, являются пурин-богатыми [50]. Замена даже одного основания в SD-районе 16S рРНК отрицательно действует на уровень синтеза большинства клеточных белков. Один из наиболее хо рошо охарактеризованных функциональных районов рРНК Е. coli представляет собой расположенный на З'-конце 16S рРНК домен, про стирающийся с позиции 1400 до 1542. Этот домен участвует в инициации трансляции, контролируя ее правильность [48]. Произведена мутация в области SD в позиции 1538 16S рРНК Е. coli — замена цитидина на уридин. Показано, что рРНК с такой мутацией стабильно поддержива ется в клетке только тогда, когда ее транскрипция репрессирована. При индукции мутантная рРНК транскрибируется и включается в функцио нальную рибосому. Через 4 ч после индукции мутантные рибосомы со ставляют 65 % общего числа рибосом в клетке. Присутствие таких ри босом катастрофически действует на клетку, изменяя относительный уровень синтеза многих белков, поскольку количество продуцируемых белков прямо зависит от эффективности инициации трансляции, кото рая определяется степенью комплементарное™ между мРНК и рРНК. Часто ставится вопрос, является ли наличие SD-последовательно- сти и стартового кодона достаточным для обеспечения инициации трансляции? Был проведен очень интересный эксперимент. Фрагмента ми, в которых встречались как истинные, так и «фальстарты» инициа ции трансляции, замещали сайт инициации трансляции мРНК гена lacZ. Оказалось, что восстановление экспрессии \|3-галактозидазы обе спечивалось только фрагментами с истинными сайтами инициации трансляции, длина которых составляла 30—40 нуклеотидов вокруг ини- циаторного кодона. Следовательно, настоящий сайт инициации транс ляции (СИТ) способен инициировать трансляцию не только собствен ной, но и чужеродной мРНК. В случае (3-галактозидазы было показано также, что наиболее эффективная трансляция происходит только при наличии в мРНК гена lacZ нативного сайта инициации трансляции [51]. Влияние СИТ на эффективность инициации трансляции связано с некоторыми факторами. Обычно наиболее эффективны СИТ, где об ласть SD и стартовый кодон не вовлечены в спаривание. Статистичес кий анализ показал, что определенные основания или короткие после довательности в специфическом положении могут облегчать узнавание SD-последовательности и стартового кодона 30S субчастицей рибосо мы. Взаимодействия между основаниями З'-конца 16S рРНК, компле ментарных пурин-богатой области, расположенной выше инициаторно- го кодона AUG в мРНК, являются критическими для правильной ини циации белкового синтеза. Из всех оснований чаще всего выше и ниже стартового кодона встречается аденин, потенциально наименее способный к спариванию [52]. Проведенный теоретический анализ показал, что 71 пара нуклео- тидов в районе истинных стартов трансляции гораздо менее структури рована, чем ложных. Несмотря на тенденцию СИТ к сохранению наи большей свободной энергии, существует вероятность того, что удален ные от стартового кодона и SD-последовательности участки мРНК мо гут контактировать с аппаратом трансляции и повышать эффективность ее инициации. Это подтверждается статистическим анализом, выявив шим также детерминанты эффективности инициации трансляции в ви де дополнительных сайтов комплементарности 16S рРНК [53]. Струк турно-функциональный анализ различных сайтов инициации трансля ции осложнен способностью мРНК образовывать вторичную и третич ную структуры. Внутримолекулярные взаимодействия могут опреде ленно препятствовать инициации трансляции, что часто является глав ным фактором, контролирующим эффективность инициации. Таким об разом, вторичная структура может контролировать доступность SD-по следовательности, стартового кодона или других сигналов, узнаваемых 30S субчастицами рибосомы. Эксперименты по изучению трансляции а/р-генов Е. coll [49], кодирующих (3, 0, а, у и Е субъединицы Н+-АТФ- азы, показали, что участок от SD-последовательности до стартового кодона является G—С-богатым. По данным работы [54], высокий уро вень экспрессии может быть достигнут в случае, когда расстояние от SD до инициаторного кодона соответствует 6—13 нуклеотидам, а оп тимальное— 11. Длина SD-последовательности также влияет на эф фективность инициации трансляции. Обычно длинные SD-последова тельности «работают» намного лучше, чем короткие, в различных ини- циаторных комплексах, например, последовательность UAAGGAGG эф фективнее, чем AAGGA [45]. Получены, однако, и противоположные данные, свидетельствующие о том, что очень длинные SD наименее эффективны [45]. Показано, что удлинение последовательности Шай- на—Далгарно приводило к обратному эффекту — падению уровня экспрессии [55]. Присутствие двух SD в тандеме RBS может приводить к усилению экспрессии клонируемых генов [56]. В то же время есть и другие све дения [57, 58] : наличие двух функционально активных SD уменьшает трансляционную эффективность. На этом основании предполагают, что спирализация RBS ингибирует старт трансляции. Полученные в последнее время данные свидетельствуют о том, что короткие последовательности в более широкой, чем —20...+13, области облегчают узнавание последовательности SD и стартового кодона 30S субчастицей рибосомы и, таким образом, увеличивают эффективность инициации трансляции. Например, область —58...—4 мРНК содержит последовательность UGAUCC, комплементарную нуклеотидам 1529— 1534 16S рРНК, а область +4.. .+25 — последовательность UCAAACUCUUCAAUUU, комплементарную 1 —18 нуклеотидам 16S рРНК [59]. Анализ, проведенный Тханарай и Пандит [60], показал, что дополнительная область связывания рибосом «5'-UGAUCC» при сутствует в мРНК высокоэкспрессирующихся генов. Гены со слабым уровнем экспрессии контролируются только наличием последоватсль- ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. К? 3—4 31 ности Шайна—Далгарно. Участок на 16S рРНК (S'-GGAUCA-S') в по ложении 1529, который может спариваться с вышеуказанной последо вательностью, узнается основанием в позиции 2390 на 23S рРНК. В све те консервативной природы и топографии этих сайтов предполагается, что сайт на 16S рРНК играет двоякую роль. Вначале он связывается с мРНК высокоэкспрессирующихся генов, образуя прочный инициатор- ный комплекс с 30S субчастицей, а при ассоциации 50S субчастицы — связывается с 23S рРНК, в результате чего сайт на мРНК высво бождается. В т о р о й к о д о н . Помимо вышеперечисленных факторов, на эф фективность инициации трансляции в мРНК Е. coli влияют также ко- доны во втором положении. Анализ большого числа генов Е. coli пока зал, что частота встречаемости кодонов во втором положении сильно отклоняется от общей частоты встречаемости кодонов Е. coli и не явля ется случайной [52]. Кодоны, следующие за инициаторным, могут ока зывать либо отрицательное (АСА, GCG, UUC, CUG), либо положи тельное (AAA, GCU, UUU, CUU) действие на экспрессию гена [52]. По-видимому, влияние второго кодона зависит от окружающих его ну- клеотидов, т. е. контекста. Луман и соавт. обнаружили, что вторые ко доны, понижающие уровень экспрессии, в основном G—С-богатые, в то время как кодоны, дающие высокий уровень экспрессии, в основном А—U-богатые [52]. Но в то же время бактериофаг Т4 содержит много видов мРНК, у которых GCU-кодоны являются вторыми, и эти мРНК намного лучше транслируются [45]. В исследовании, проведенном Лу- маном и соавт. [52], установлено, что экспрессия гена lacZ зависит от того, какой кодон находится вслед за стартовым. Во второе положение вводились все 64 кодона, что приводило к разнице в уровне экспрессии гена в 15 раз. Не прослеживалось прямой зависимости между уровнем экспрессии (эффективности инициации трансляции) и количеством тРНК, соответствующих вторым кодонам. Кроме того, наблюдалось большое различие в уровне экспрессии для синонимических кодонов, использующих одинаковую тРНК. По мнению авторов, эффект измене ний в уровне экспрессии является следствием влияния нуклеотидов вто рого кодона на вторичную структуру RBS [52]. Аналогичные данные были получены и при изучении эффекта нуклеотидов, следующих за стартовым, на экспрессию в Е. coli гена соматотропина быка [61]. Очевидно, что влияние второго кодона может быть, по крайнем ме ре, двояким. С одной стороны, оно может проявляться в изменении ста бильности инициаторного комплекса, с другой — действие второго кодона может быть обусловлено его вкладом в формирование опреде ленной пространственной организации RBS. Можно предположить, что в отдельных случаях эффекты вторых кодонов имеют иную природу, связанную, к примеру, с общей стабильностью мРНК. Р е д к и е к о д о н ы . В высокоэкспрессирующихся генах Е. coli используются исключительно те кодоны, которые транслируются обиль ными тРНК, и фактически не содержатся кодоны, узнаваемые очень редкими тРНК [62]. Существуют экспериментальные доказательства того, что присутствие оптимальных кодонов (т. е. транслируемых ред кими тРНК) может снижать скорость трансляции [63—65]. Эффектив ность трансляции высокоэкспрессирующихся генов находится в прямой зависимости от количества редких кодонов. Таких кодонов 10, частота встречаемости их RSCU (relative synonymous codon usage) <0,05 [66]. Эти кодоны транслируются минорными видами тРНК. Единствен ным исключением является кодон CGA, узнаваемый обильной Arg тРНК, которая также транслирует CGU- и CGC-кодоны [66]. Минорные кодоны приводят к паузе при трансляции на мРНК. Близкорасположенный к стартовому редкий кодон вызывает остановку рибосомы. Чем ближе расположен сайт остановки рибосомы к иници- аторному участку, тем эффективней ингибиторное действие остановив шейся рибосомы на инициацию трансляции [67, 68] г Не только AGA/AGG-кодоны, но и большинство других редких кодонов предпо- 32 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3-4 чтительно локализованы в районе первых 25 кодонов мРНК Е. coll, следующих за инициаторным. Остановившаяся рибосома связывается с мРНК возле сайта инициации трансляции, предотвращая поступле ние других рибосом. Рибосома, сделавшая паузу, также блокирует образование полисом, в результате чего мРНК становится более уязви- мой для нуклеазного расщепления. Одним из факторов, определяющих эффективность трансляции мРНК, может быть наличие в ней редких кодонов не только в сайте инициации, но и на протяжении всей матрицы. По-видимому, негатив ный эффект присутствия редких кодонов вне сайта инициации транс ляции характерен лишь для определенных мРНК. Известно, например, что в гене lacZ E. coli встречается по 9 GGG- и ССС-кодонов. Показано также, что введение многочисленных редких кодонов, которые в норме отсутствуют в высокоэкспрессирующемся гене sspB Bacillus subtilis, не привело к снижению уровня экспрессии [69]. Вместе с тем имеются экспериментальные доказательства негативного влияния редких кодо нов на уровень экспрессии генов Е. coli. Введение редкого кодона AGG в высокоэкспрессирующийся ген снижало скорость трансляции [63], а введение редкого кодона GGG в контекст сайта инициации трансляции оказывало отрицательное дей ствие на уровень экспрессии гена rplJ E. coli [65]. Замена трех редких кодонов AGG на три GCT существенно увеличивала уровень экспрес сии генов [64]. Негативное влияние редких кодонов на эффективность инициации трансляции прослеживалось и в том случае, когда нативная последовательность сайта инициации трансляции мРНК lacZ заменя лась на полилинкерную, содержавшую кодоны AAU, 2 UGC, AGG, UCC и ССС [70]. Таким образом, редкие кодоны влияют на эффективность трансля ции в результате паузы в синтезе полипептидной цепи, которая необ ходима для отбора соответствующей минорной тРНК, либо изменяя вторичную структуру мРНК в б'-концевой области [65, 71]. В т о р и ч н а я с т р у к т у р а с а й т а и н и ц и а ц и и т р а н с л я ц и и . Многочисленными исследованиями показано влияние вторич ной структуры RBS на эффективность инициации трансляции у прока риот и, следовательно, на экспрессию генов [72—77]. С этим обстоя тельством связан тот факт, что во всей области от —20 до + 13 сущест вует тенденция к наличию большого числа аденинов [75]. Некоторые экспериментальные данные свидетельствуют о том, что прочная вторичная структура мРНК в сайте инициации отрицательно сказывается на эффективности трансляции. Например, показано, что введение двух замен, приводящих к более прочному спариванию нукле- отидов области —3...+6 и —6...+9 в стебле шпильки, содержащей стартовый кодон мРНК гена белка оболочки фага MS2, как и предпо лагалось, снизило эффективность трансляции в результате стабилиза ции вторичной структуры [78]. Интересно, что в данном случае спари вание стартового кодона и последовательности SD не изменялось. Бо лее стабильной становилась вторичная структура в области—20...+ 13. Подсчет свободной энергии AG подтвердил предположенную ранее идею о том, что эффективность инициации трансляции определяется наличием неструктурированных RBS [76]. Негативное действие прочной вторичной структуры мРНК на эф фективность трансляции было прослежено и на примере гена термоста бильной протеазы В. subtilis [79]. Предполагая, что контекст в СИТ определяет вторичную структуру и, следовательно, доступность мРНК для образования инициаторного комплекса, последовательно изменяли вторичную структуру мРНК посредством модификаций в вероятных шпилечных участках. Обнаружилось, что присутствие прочной шпиль ки (—20 ккал/моль), начиная с 12-го кодона, не влияло на уровень экс прессии. Контекст мРНК выше стартового кодона также обусловливает эф фективность трансляции. В гене bst эффективность экспрессии резко ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3 - 4 3 - 4-860 33 возросла при наличии у него А—Т-богатого RBS. На примере вируса желтой лихорадки (YFV) обнаружено, что эффективность трансляции мРНК зависит от образования определенной вторичной структуры [80]. Эффективность трансляции in vitro отличалась в 1 —15 раз, кор релируя с возможностью б'-нетранслируемой последовательности обра зовывать стабильную вторичную структуру. Интересно, что присоеди нение 5'-нетранслируемого участка мРНК YFV к гетерологичной мРНК (вируса Germiston) повысило в два раза эффективность трансляции по сравнению с гомологичным транскриптом вируса Germiston. Таким образом, 5'-нетранслируемый участок мРНК YFV может выполнять функцию энхансера. Данные, полученные с помощью серии плазмид, сконструированных для слияния с 5'-районом генома YFV разных участков кодирующей последовательности, показали, что взаимодейст вие между нетранслируемой и транслируемой последовательностями может изменять эффективность трансляции мРНК. Эксперименты под твердили, что упрочение вторичной структуры при внесении в мРНК искусственных последовательностей вызывало в некоторых случаях снижение эффективности их трансляции. Почти полное ингибирование трансляции происходило, когда значение AG достигало —50 ккал/моль, соответствуя структуре, которая не может быть рас плетена передвигающейся 30S субчастицей рибосомы. Эти результаты очень интересны с точки зрения прикладного применения, так как они указывают на необходимость учета возможного влияния структур ных изменений мРНК на эффективность экспрессии гена. Еще одна важная роль вторичной структуры мРНК в контроле уровня экспрессии связана с РНК-белковым взаимодействием. Получены конкретные экс периментальные данные, свидетельствующие о том, что определенная вторичная структура, а не первичная структура мРНК необходима, на пример, для взаимодействия env мРНК вируса HIV с Rt-v-белком, контролирующим экспорт HIV мРНК из ядра в цитоплазму [81]. Существует целый ряд теоретических моделей вторичной структу ры инициаторных областей прокариотических мРНК, объясняющих влияние макроструктуры матрицы на специфичность узнавания ини- циаторного кодона [82]. Во всех подобных моделях для эффективного узнавания рибосомами инициаторной области мРНК постулируется не обходимость, по крайней мере, одной из детерминант матрицы, находя щейся в одноцепочечном участке. Результаты, полученные в работе [83], позволяют предположить влияние на эффективность инициации трансляции не только элементов вторичной структуры в области ини- циаторного кодона и SD-последовательности, но и в участках мРНК, удаленных от зоны инициации трансляции. Наиболее доступными для узнавания рибосомами являются те области матрицы, у которых детер минанты инициации трансляции могут быть экспонированы в составе протяженного одноцепочечного участка. При этом однонитчатый учас ток в области инициации трансляции, по-видимому, существует неко торое время по ходу синтеза мРНК, обеспечивая высокую эффектив ность узнавания инициаторной зоны рибосомами, либо образовывается под воздействием рибосом при терминации трансляции предыдущего цистрона или, наконец, формируется при взаимодействии по Шайну— Далгарно. Для узнавания матрицы, в принципе, достаточно одного инициа- торного кодона, экспонированного в составе участка РНК со слабой вторичной структурой. Структуры такого вида, вероятно, и обеспечива ют конкретную доступность инициаторного участка для узнавания ри босомами. Более сложная вторичная структура в природных мРНК маскирует инициаторный кодон, создавая возможность тонкой регуля ции синтеза белка на уровне инициации трансляции. Пример этому — сопряженность инициации трансляции в мРНК Lll—L1- и L10— L17/Ы2-оперопов [84]. Эффективность инициации трансляции зависит от энергетических затрат на разрушение инициаторного комплекса. 34 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. Л\ 3 -4 При создании искусственных гибридных оперонов с частично пе рекрывающимися генами с помощью машинного анализа показано, что по мере синтеза соответствующих мРНК может формироваться перво начально короткая шпилька (AG = —1,5 ккал/моль), характерная для транскрипта гена lacZy а последующий рост цепи приводит к образо ванию стабильных, (AG = — 7 или AG——9 ккал/моль) шпилечных структур, содержащих последовательность SD и кодон AUG в спарен ном участке [85]. Такая пространственная организация, по-видимому, и приводит к неэффективной трансляции этих мРНК. Последующее об разование еще одной шпильки с AG = —13 ккал/моль в кодирующей части мРНК может дополнительно стабилизировать вторичную структу ру 5'-концевого участка. Таким образом, на уровень инициации транс ляции, очевидно, в значительной мере задаваемый размером и структу рой однонитчатого участка, образуемого в инициаторной зоне под воз действием рибосом [82], может влиять доступность SD-последователь- ности для взаимодействия с З'-концом 16S рРНК, обусловленная значе нием AG инициаторной шпильки (и, возможно, третичной структурой), и скорость освобождения зоны мРНК транслирующей рибосомой, опре деляемая AG вторичной структуры прилежащего участка мРНК [83]. /. В. Крупська, G. Б. Патон ДЕЯК1 МОЛЕКУЛЯРН1 МЕХАН13МИ ПОСТТРАНСКРИПЦ1ЙНОХ РЕГУЛЯЦН ЕКСПРЕСН ГЕН1В ПРОКАРЮТ Р е з ю м е Огляд мютить розоили, приовячеш молекулярном мехажзмам посттралскрипщйного контролю експресп reHiB. Розгляиуто процеси деградаци мРНК, участь REP-no-oniAOB- ност! в .регуляцп експресп reHi,B, а також детерм таити експресп на равш шщ1ацп трансляцп: посл1до.вшсть Шайна — Далгарно, вщстань вщ mei* до йшщатормого кодон а, гтип'аторишй та другий кодови, рщюеш кодони. /. V. Kroupskaya, Е. В. Paton SOME MOLECULAR MECHANISMS OF THE POSTTRANSCRIPTIONAL REGULATION OF PROCARYOTIC GENE EXPRESSION S u m m a r y This review consist of parts dedicated to the molecular mechanisms of posttranscriptional control of gene expression. It is shown the mRNA degradation process, participation of REP-sequence in the regulation of gene expression, and also the determinants of expres sion on the level of transcriptional initiation: the Shaine — Dalgarno sequence, the di stance from it to initiate-codone, initiated and second codones, and rare codones. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Belasco J. G., Chen C.-Y. A. Mechanism of puf mRNA degradation: the role of an intercistronic stem-loop structure//Gene.—1988.—72, N 1—3.—P. 109—117. 2. Belasco J. G., Higgins C. F. Mechanism of mRNA decay in bacteria: perspective / / Ibid.—P. 15—23. 3. Klug G., Amams C. W., Belasco J. G. et al. Biological consequences of segmental alterations in mRNA stability: effect of deletion of the intercistronic hairpin-loop region of the R. capsulatis put operon//EMBO J.—1987.—6, N 11.—P. 3515—3520. 4. Newbury S. F., Smith N. H.t Robinson E. C. et al. Stabilization of translationally active mRNA by prokaryotic REP sequences//Cell.—1987.—48, N 2.—P. 297—310. 5. Doutscher M. P. E. coll RNAse: making sense alphabat soup//Ibid.— 1985 — 40 N 4.—P. 731—732. 6. Regnier P., Hajnsdorf N. Decay of mRNA encoding ribosomal protein S15 Escheri chia coli is initiated by an RNAse E-depended endonucleolytic cleavage that removes the З'-stabflising stem and loop structure//J. Mol. Biol.— 1991.— 217, N 2 — P. 283—292. ISSN 0233-7667. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3 - 4 3 * 35 7. Robertson H. D. Escherichia coli ribonuclease III cleavage sites//Cell.—1987.—48, N 1.—P. 5—6. 8. Sautio #., Richardson С. C. Processing of mRNA by ribonuclease III regulates ex pression of gene 1.2 of bacteriophage T7//Ibid.—1981.—27, N 3.—P. 533—542. 9. Altuvia S.t Locker-Gilaldi H., Koby S. et al. RNAse HI stimulaties the translation of the CIII gene of bacteriophage lambda//Proc. Nat. Acad. Sci. U S A - 1 9 8 7 . - 8 1 N 15.—P. 6511—6515. 10. Krinke L., Wulff D. L. Oop RNA produced from multicopy plasmids, inhibits lambda СП gene expression through an RNAse III depended mechanism//Genes Develop.— 1987.—1, N 3.—P. 1005—1013. 11. Simons R. W., Kleckner N. Biological regulation by antisense RNA in prokaryotes// Annu. Rev. Genet.— 1988.—22, N 2.—P. 567—600. 12. Portier C., Dondon L., Grunberg-Monago M., Gernier P. The first step in the functional inactivation of the E. coli polynucleotide phosphorylase messenger is a ribonuclease III processing at the 5' end/ /EMBO J.—1987.—6, N 5.— P. 2165—2170. 13. Bardweel J. C. A., Begnier P., Chen S. et al Autoregulation of RNAse operon by mRNA processing//Ibid.— 1989.— 8, N 7.—P. 3401—3407. 14. Regnier P., Grunberg-Monago M. Cleavage by RNAse III in the transcripts of the metY-nusA-infB operon of E. coli release the tRNA and initiates the decay of the downstream mRNA//J . Mol. Biol.—1989.—210, N 1.—P. 293—302. 15. Schmeissner V., McKenny K-, Rosenberg M., Court D. Removal of a terminator stru cture by RNA processing regulates into gene expression//J. Mol. Biol.— 1984.— 176, N 1.—P. 39—53. 16. Downing W. L., Sullivan S. L., Gottesman M. E., Dennis -P. P. Sequence and trans criptional pattern of the essentional E. coli secE-nusG operon/ /J . Bacteriol.— 1988.— 172, N 3.—P. 1621 — 1627. 17. Mudd E. A., Prentki P., Belin D.t Krisch H. M. Processing of unstable bacteriophage T4 gene 32 mRNAs into a stable species requires E. coli ribonuclease E // EMBO J.—1988.—7, N 11.—P. 3601—3607. 18. Carpousis A. J., Mudd E. A., Krisch H. M. Transcription and messenger RNA proces sing upstream of bacteriophage T4 gene 32/ /Mol . and Gen. Genet.— 1989.— 219, N 1.—P. 39—48 19. Mudd E. A., Carpousis A. J., Krisch H. M. E. coli RNAse E has a role in the decay of bacteriophage T4 RNA//Genes Develop.— 1989.— 4, N 1.—P. 873—881. 20. Tomcsanyi Т., Apirion D. Processing enzyme ribonuclease E specifically cleaves RNA I an in inhibitor of primer formation in plasmid DNA synthesis//J. Mol. Biol.— 1985.— 185, N 3.— P. 713—720. 21. Melefors O., von Gabain A. Site specific endonucleolytic cleavage and the regulation of stability of E. coli ompA mRNA / / Cell.—1988.—52, N 3.—P. 893— 901 22. Lunberg V., von Gabain A., Melefors O. Cleavages in the 5' region of the ompA and bla mRNA control stabilty: studies with an E. coli mutant altering mRNA stability and noval endoribonuclease//EMBO J.—1991.—9, N 9.—P. 2731—2741. 23. Browerman G. Determination of messenger RNA stability//Cell.— 1987.— 48, N 1.— P. 6—7. • 24. Kingscherf T. G., Apirion D. Polynucleotide phosphorylase can participate in decay of mRNA in Escherichia coli in the absence of ribonuclease I I / /Mol . and Gen. Ge net.— 1975.— 139, N 2.—P. 357—362. 25. Donovan W. P., Kushner S. R. Polynucleotide phosphorylase and ribonuclease II are required for cell viability and mRNA turnover in Escherichia coli K-12//Proc. Nat. Acad. Sci USA.— 1986.—83, N 1.—P. 120—124. 26. Burton Z. F., Gross C. A., Watanabe K. K., Burgess R. R. The open that encodes the sigma subunit of RNA polymerase also encodes ribosomal protein S12 DNA pri- mase in E. coli K-12 / / Cell.— 1983.— 32, N 3.—P. 335—349. 27. Georgiev N. K., Birnstiel H. J. The conserved CAAGAAAGA spacer sequence is an essential element for the formation of 3' termini of the sea urchin H3 histone mRNA by RNA processing / / EMBO J.— 1985.—4, N 2.—P. 481—489. 28. Kennel D., Riezman H. Transcription and translation initiation frequences of the Es cherichia coli lac operon/ /J . Mol. Biol.—1977.—114, N 1.—P. 1—21. 29. Klug G.f Cohen S. H. Effects of translation on degradation of mRNA segments trans cribed from the polycistronic puf operon Rhodobacter capsulatus / / J. Bacteriol.— 1991.—173, N 4.—P. 1478—1484. 30. Belasco J. G., Beatty J. Т., Adams C. W. et al. Differential expression of photosyn- thetic genes in R. capsulata results from segmental differences in stability within the polycistronic transcript//Cell.—1985.—40, N 1.—P. 171—181. 31. Higgins C. F., Ames G. F.-L., Barnes W. M. et al. A novel intercistronic regulatory element of prokaryotic operons//Nature.—1982.—298, N 2.—P. 760—762. 32. Stern M. J., Ames G. F.-L., Smith N. H. et al. Repetitive extragenic palindromic se quences: a major component of the bacterial genome//Cell.— 1984.— 37, N 3.— P. 1015—1026. 33. Higgins С F.f McLoren R. S., Newbury S. F. Repetitive extragenic palindromic se quences mRNA stability and gene expression: evolution by gene conversion — a re view//Gene.—1988.—72, N 1.—P. 3—14. 34. Hundson G. S., Davidson В. Е. Nucleotide sequence and transcription of the pheny lalanine and tyrosine operons of E. coli K-12 / / J . Mol. Biol.—1984.—180, N 4.— P. 1023—1051. 36 ISSN 0233-7667. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3 - 4 35. Valentin-Hausen P., Hammer-J espersen K., Boetius F. et al. Structure and function of the intercistronic regulatory deoC-deoA element of Escherichia coli K-12 / / Ibid.— P. 179—183. 36. Gilson E., Rousset J. P., Clement J.-M., Hotming M. A subfamily of E. coti palindro mic units implicated in transcription — termination//Annu. Inst. Pasteur.— 1986.— 137B — P. 259—270. 37. Nuwbury S. F., Smith N. H., Higgins C. F. Differential mRNA stability controls re lative gene expression within polycistronic operon / / Cell.— 1987.— 51, N 6.— P. 1131 — 1143. 38. Merino E., Becerrie В., Valle F., Bolivar F. Deletin of a repetitive extragenic palin dromic (REP) sequence downstream from the structural gene of Escherichia coli giu- tamate dehydrogenase affects the stabilty of its mRNA//Gene.— 1987.—58, N 1 — 3.— P. 305—309. 39. Becerrial В., Valle F., Mermo E. et al. Repetitive extragenic palindromic (REP) se quences in the Escherichia coli gdhA gene// Ibid.— 1985.— 37, N 1—3.—P. 53—62. 40. Plamann M. D., Stauffer G. V. Characterization of a cis-acting regulatory mutation that maps at the distal end of the Escherichia coli glyA gene / / J . Bacterid1.—1985.— 161.—P. 650—654. 41. Froshauer S., Beckwith J. The nucleotide sequence of the gene for malF protein. An inner membrane component of the maltose transport systems of Escherichia coli // J. Biol. Chem.— 1984.—259, N 19.—P. 10896—10903. 42. Manson M. D., Boos W., Bassford P. J., Rasmussen B. A. Dependence of maltose transport -and ohemotaxis on the amount of maltose binding protein//Ibid.— 1985.— 260, N 17.—P. 9727—9733. 43. Surrensen M. A., Kurland С G., Pedersen S, Codon usage determines translation rate in Escherichia coli// J. Mol. Biol.—1989.—207, N 2.—P. 365—377. 44. Jacques N., Dreifus M. Translation initiation in Escherichia coli // Mol. Microbiol.— 1990.—4, N 7.—P. 1063—1067. 45. Gold L. Posttranscriptional regulatory mechanisms in Escherichia coli // Annu. Rev. Biochem.— 1988.— 57, N 1.—P. 199—233. 46. Peabody D. S. Translation initiation at non-AUG triplets in mammalian cells / / J. Biol. Chem.— 1989.—264, N 11.— P. 5031—5035. 47. Вони И. В., Воронин А. М. Редкие инициирующие кодой ы-— регуляторы экспрессии гена гроС I/ Биоорг. химия.—1990.—16, № 18 — С. 1134—1137. 48. Jacob W. F., Santer M., Dahlberg A. Е. A single base change in the Shine — Dalgarno region of 16S rRNA of Escherichia coli affects translation of many proteins//Proc. Nat. Acad. Sci. USA.—1987.—84, N 14.—P. 4757—4761. 49. McCarthy J. E. G., Bokelmann C. Determinants of translations! initiation efficiency in the atp operon of Escherichia coli//Mol. Microbiol.— 1988.— 2, N 4.— P. 455— 465. 50. Min К. Т., Kim M. #., Lee D.-S. Search for the optimal sequence of the ribosomal binding site by random oligonucelotide-directed mutagenesis / / Nucl. Acids Res.— 1988.—16, N 11.—P. 5075—5088. 51. Looman A. C, de Gruyter M., Vogelar A., Knippenberg P. H. Effects of heterologous ribosomal binding sites on the transcription and translation of the lacZ gene of Es cherichia coli I/ Gene.— 1985.— 37, N 1.—P. 145—154. 52. Looman A. C, Bodlaender J., Comstok L. J. et al. Influence of the codon following the AUG initiation codon on the expression of a modified lacZ gene in Escherichia coli l/EMBO J.—1987.—6, N 8.—P. 2489—2492. 53. Petersen G. В., Stokwell P. A., Hill D. F. Messenger RNA recognition in Escherichia coli: a possible second site of interaction with 16S ribosomal RNA//Ibid.— 1988,— 7, N 11.—P. 3957—3962. 54. Dalboge H., Cartsen S., Jensen E. B. et al. Expression of recombinant growth gor- mone in Escherichia coli: effect of the region between the Shine — Dalgarno sequence and ATG initiation codon//DNA.—1988.—7, N 6.—P. 399—405. 55. De Boer С D.t Shepard S. K. Strategius for optimizing foregn gene expression in Escherichia coli // Genes, structure and expression. Horizons in biochemistry and bio physics/Ed. A. M. Kroon.—New York, 1983.—Vol. 7.—P. 205—248. 56. Grundstrom Т., von Gabain A., Nilsson G. et al. Expression of an interferon-alfa ge ne variant in E. coli using tandemly repeated synthetic ribosomal binding sites / / DNA.—1987.—6, N 1.—P. 41—46. 57. McCarthy J. E. G., Schaunder В., Ziemke P. Posttranscriptional control in Escherichia coli; transnational and degradation of the atp operon mRNA//Gene.— 1988.— 72, N 1—3.—P. 131—139. 58. Berkhout В., Kastelein R. A., van Duin J. Translational interference at overlapping reading frames in prokaryotic messenger RNA//Ibid.— 1985.— 37, N 1—3.— P. 171—179. 59. McCarthy J. E. G., Gualerzy С Translational control of prokaryotic gene expres sion//Trends Genet.—1990.—6, N 3.—P. 78—85. 60. Thanaraj T. A., Pandit M. W. An additional ribosome binding site on mRNA of highly expressed genes and a bifunctional site on the colicin fragment of the 16S RNA from Escherichia coli: important determinants of the efficiency of translation initiation / / Nucl. Acids Res.—1989.—17, N 8.—P. 2973—2985. 61. Tomich C.-S. C, Olson E. R., Olsen M. K. et al. Effect of nucleotide sequence directly downstream from the AUG on the expression of the bovine somatotropin in E. coli f/ Ibid.—P. 3179—3187. ISSN 0233-7G57. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 10. № 3—4 37 62. Ikemura T. Correlation between the abudance of Escherichia coli transfer RNAs and the occurence of the respective codons in its proteins genes / / J . Mol. Biol.—198L— 146, N 1.—P. 1—21. 63. Robinson M., Linney R., Littile S. et al. Codon usage can effect efficiency of trans lation of genes in Escherichia roft"//Nucl. Acids R ^ - 1 9 8 1 - 1 2 , N 17,-P. 6663- 6671. 64. Bonekamp F., Andersen H. D., Christensen Т., Jensen K. F. Codon-defined ribosomal pausing in Escherichia coli detected by using the pyrE attenuator toprobe the coup ling between transcription and translation//Ibid.—1985.—13, N 11.— P. 4113—4123. 65. Крупская И. В., Патон Е. Б. Влияние редких кодонов в 5х-концевой области *на эффективность экспрессии генов rpU'-lacZ и rplL'-lacZ //Биополимеры и клетка.— 1990.—6, № 4.—С. 112—115. 66. Sharp Р. М., Li W.-H. Codon usage in regulatory genes in Escherichia coli does not reflect selection for «rare» codons//Nucl. Acids Res.—1986.—16, N 19.—P. 7737— 7749. 67. Chen G., Inouye M, Suppression of the negative effect of minor arginine codons on gene expression: preferential usage of minor codons within the first 25 codons of . the Escherichia coli genes / / Ibid.— 1990.— 18.— P. 1465—1473. 68. Inouye M., Chen G. Regulation of gene expression by minor codons in Escherichia coli; minor codon modulator hypothesis / / Post-transcriptional control of gene exp ression//Eds J. E. G. McCarthy, M. F. Tuite.—Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1990.— Vol. H49.—P. 217—225. 69. Loshon C. A., Tover-Rojo F., Goldrich S. E., Setlow P. The expression of a highly expressed Bacillus subtilis gene is not reduced by introduction of multiple codons normally not present in such genes/ /FEMS Microbiol. Lett.— 1989.— 65, N 1.— P. 59—64. 70. Lootnan A. C, de Gruyter M., Vogelaar A., Knippenberg P. H. Effects of heterologous ribosomal binding sites on the transcription and translation of the lacZ gene of Es cherichia coli//Gene.— 1985.— 37, N 1—3.—P. 145—154. 71. Lusting F., Boren Т., Guindy Y. S. et al. Codon descrimination and anticodon stru- ctural Context//Proc. Nat. Acad. Sci. USA.—1989.—86, N 18.—P. 6873—6877. 72. Buell G., Schultz M.-F., Chollet A. et al. Optimizing the expression in E. coli of a synthetic gene encoding somatomedin-C (IGF-1)//Nucl. Acids Res.— 1985.— 12, N 2.—P. 1923—1938. 73. Lootnan A. C, van Knippenberg P. H. Effects of GUG and AUG initiation codons on the expression of lacZ in Escherichia coli // FEBS Lett.— 1986.— 197, N 1.— P. 315—320. 74. Shinedling S., Gayle M., Pribnow D., Gold L. Mutations effecting translation of the bacteriophage T4 rllB gene cloned in Escherichia coli//№o\. and Gen. Genet.— 1987.—207.—P. 224—232. 75. Spanjaard R. A., van Dijk M. C. M., Turion J., van Duin J. Expression of the rat in- terferon-al gene in Escherichia coli controlled by the secondary structure of the translation initiation region//Gene.—1989.—80, N 1—3.—P. 345—351. 76. De Smit M. H., van Duin J. Control of prokaryotic translational initiation by mRNA secondary structure//Progr. Nucl. Acid Res. and Mol. Biol.— 1990.—38, N 1.— P. 1—35. 77. Gren E. J. Recognition of messenger RNA during translational initiation in Escheri chia co/iV/Biochimie.— 1984.— 6, -N 1.—P. 1—29. 78. Skripkin E. A., Adhin M. R., de Smit M. H., van Duin J. Secondary structure of the central region of bacteriophage MS2 RNA/ / J . Mol. Biol.—1990.—211, N 2.— p. 447—463. 79. Kubo M., Imanaka T. mRNA secondary structure in an open reading frame reduces translation efficiency in Bacillus subtilis // J. Bacteriol.— 1989.—171, N7.— P. 4080—4082. 80. Ruiz-Linares A., Bouloy M., Girard M., Cahour A. Modulations of the in vitro trans lational efficiencies of Yellow Fever virus mRNAs: interactions between coding and noncoding regions//Nucl. Acids Res.—1989.—17, N 7.—P. 2463—2477. 81. Olsen H. S., Nelbock P., Cochrane A. W., Rosen С A. Secondary structure is the major determinant for interaction of HIF rev protein with RNA//Science.— 1990.— 247, N 3.—P. 845—848. 82. Худяков Ю. E. .Последовательность Шайна — Далгарно <и эффективность инициа ции трансляции / / Молекуляр. биология.— 1085.— 19, № 3.— С. 702—716. 83. Худяков Ю. Е., Калинина Т. И., Неплюева В. С, Смирнов В. Д. Корреляция между эффективностью иницации трансляции и вторичной структурой мРНК у 'гибридного гена cro-lacZ / /Там же.— 1987.— 21, № 8.—С. 1504—1512. 84. Nomura N. Regulation of the synthesis of ribosomes and ribosomal component in Escherichia coli: translational regulation and feedback loops//Regulation of gene expression: Symp. of the Soc. for general microbiology / Eds I. Booth, С Higgins.— Cambridge: Univ. press, 1986.—P. 199—220. 85. Овчинников Ю. А., Свердлов E. Д., Царев С. А., Монастырская F. С. Свойства аль фа-интерферона человека F -и гибридного .интерферона F/D, полученных из реком- бинантных бактерий//Докл. АН СССР.— 1983.—268.—С. 996—1000. И-н-т клеточ. биологии и генет. инженерии Получено 21.12.93 НАН Украины, Киев 38 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1994. Т. 16. № 3-4

Некоторые молекулярные механизмы посттранскрипционной регуляции экспрессии генов прокариот

Репозитарії

Схожі ресурси