Transkripcija pri arhejah
Uvod
Transkripcija, ali prepisovanje zapisa genetske informacije iz DNA na RNA, v nekaterih pogledih pri arhejah poteka podobno kot pri evkariontih, v drugih vidikih je proces bolj podoben tistemu pri bakterijah, seveda pa ima tudi nekatere povsem unikatne značilnosti. Pri arhejah, podobno kot pri bakterijah, ribosomi niso vezani na kak drug organel, temveč so prosto v citoplazmi, transkripcija je zato sklopljena s translacijo. RNA ne vsebuje kape na 5’ koncu, 3’ konec pa nima poliA repa, kar je očitna razlika v primerjavi z evkarionti. Po drugi strani pa RNA prepisi vsebujejo številne postranskripcijske modifikacije, kar je lastnost, ki jih druži z evkarionti. Pri arhejah se transkripcija, podobno kot pri evkariontih in bakterijah, deli na tri stopnje: iniciacijo, elongacijo in terminacijo.
Arhejska RNA polimeraza
Ključen encim transkripcije je arhejska RNA polimeraza, ki je sestavljena iz 11 do 13 podenot - 5 podenot sestavlja jedro, ostalih 6 do 8 podenot pa obkroža osrednjo katalitsko mesto in tvorijo domeno, imenovano pecelj. Pri arhejah, podobno kot pri bakterijah, obstaja zgolj en tip RNA polimeraze, ki je odgovorna za transkripcijo celotnega genoma, podenote te arhejske RNA polimeraze pa so homologne tistim pri evkariontski RNA polimerazi II. Zanimivo je, da je aminokislinsko zaporedje arhejske RNA polimeraze bolj podobno zaporedju vsaki od RNA polimeraz v evkariontih (I, II in III), kot so si ta zaporedja podobna med sabo. Poleg podobnosti v strukturi arhejske RNA polimeraze in RNA polimeraze ll, je podobnost med njima tudi to, da sta obe odvisni od podobnih elementov promotorja in aktivnosti dveh proteinov - transkripcijskega faktorja B (TFB, analog pri evkariontih je TFIIB) in TATA vezavnega proteina (TBP, analog pri evkariontih je TBP).
Iniciacija
Za prepoznavo promotorja sta pomembna zgolj dva dela zaporedja DNA, in sicer škatla TATA, ki se nahaja 25 baznih parov navzgor od mesta začetka transkripcije, ter prepoznavni element B (BRE). Za prepoznavanje škatle TATA je pomemben TATA vezavni protein (TBP). Ko se TBP veže na škatlo TATA, nastane kompleks, ki zaradi svoje simetričnosti sam po sebi ni zmožen določiti, v katero smer bo potekla transkripcija. Za določitev le-te je pomemben element BRE, ki se nahaja navzgor od škatle TATA in ki ga prepozna protein TFB. Po vezavi TBP in TFB na promotor je mogoče oblikovanje prediniciacijskega kompleksa z arhejsko RNA polimerazo.
Obstaja več izoformnih oblik tako TBP kot TFB in posledično več različnih parov TFB/TBP, vsak od katerih lahko sproži transkripcijo na več različnih promotorjih. To ni v skladu s teorijo, ki so jo molekularni biologi imeli, preden je bil mehanizem transkripcije pri arhejah dokončno obrazložen, da vsak unikaten par TBF/TFB prepozna zgolj eno, unikatno zaporedje na promotorju.
Pogosto je v tvorbo predinicijacijskega kompleksa vključen še en protein, ki optimizira kontakte znotraj samega kompleksa in med proteini in DNA. To je transkripcijski faktor E (TFE), čigar naloga je olajšanje oblikovanja prediniciacijskega kompleksa in spodbujanje iniciacije, če sta zaporedje na promotorju ali temperatura manj idealna - arheje so namreč znane po tem, da jih najdemo v ekstremno hladnih oziroma izredno vročih okoljih.
Aktivnost promotorja v največji meri določata škatla TATA in BRE, vendar se na DNA nahajata še dve zaporedji, od katerih nobeno ni ključno za to, da do iniciacije pride, temveč njuna prisotnost iniciacijo krepi. To sta iniciatorski element (INR) in promotorju bližnji element (PPE), ki se nahajata med škatlo TATA in mestom začetka transkripcije. Za oblikovanje prediniciacijskga kompleksa niso potrebni ostali transkripcijski faktorji, prav tako pa ne pride do hidrolize ATP, kar se zgodi pri evkariontih.
Elongacija
Ko se vzpostavi prediniciacijski kompleks in se veže na DNA, se faktor TFE zamenja z elongacijskim faktorjem Spt5, pri tem ta dva faktorja tekmujeta za vezavno mesto, njuna zamenjava pa omogoči, da RNA polimeraza uide iz promotorja. Vezava Spt5 povzroči konformacijske spremembe znotraj kompleksa RNA polimeraze, transkripcijski elongacijski kompleks, TEC, pa se po spremembi začne premikati po DNA. Elongacijski faktor Spt5 je homolog faktorju Spt5 v evkariontih in NusG v bakterijah. Sestavljen je iz dveh domen, NGN, ki je odgovorna za vezavo na RNA polimerazo in KOW, ki interagira z zunanjimi faktorji, z majhnim proteinom Spt4 pa tvori heterodimer. Strukturni elementi RNA polimeraze, ki so vključeni v elongacijo so hibrid DNA-RNA, vezavni kanal za DNA, Rpo2 Switch 3, čeljusti in pecelj in RNA polimeraze, vsi pa pripomorejo k stabilnosti TEC in posledično vplivajo na učinkovito elongacijo. Čeljusti RNA polimeraze so sestavljene iz dveh večjih podenot Rpo1 in Rpo2, ter majhne podenote Rpo5 in se vežejo na navzdol regulirano DNA. Funkcija in struktura čeljusti sta popolnoma enaki kot pri evkariontih. S poskusi so ugotovili, da je aktivnost RNA polimeraze brez podenote Rpo5 izrazito manjša, kar razlagajo s tem, da je Rpo5 nujno potreben protein za stabilnost RNA polimeraze. Faktor Rpo13, prav tako del čeljusti, je unikaten samo za arheje in se specifično veže na dvojno vijačnico DNA.
DNA se razpre dva bazna para navzdol od magnezijevega iona v katalitičnem mestu, tako nastane transkripcijski mehurček. Matrična veriga potuje skozi aktivno mesto, kodirajoča pa okoli Rpo1 vponke. Ko se začne transkripcija, nastane hibrid RNA-DNA, dolg 9 do 10 baznih parov, nato Rpo2 switch 3 loči RNA od matrične verige DNA. Učinkovitost in hitrost transkripcije je odvisna od uspešne ločitve hibrida in ponovne povezave obeh verig DNA. Na koncu je nastajajoča RNA usmerjena proti peclju RNA polimeraze, kjer se nahajata Rpo4 in Rpo7. Ti dve podenoti sta enaki kot pri evkariontih, pri bakterijah pa jih še niso odkrili. Mutacije na Rpo7 pokažejo nižjo hitrost transkripcije, če podenota Rpo7 manjka pa je možno, da transkripcija ne poteka, kar nakazuje da Rpo7 v peclju spodbudi fazo elongacije.
Večina arhejskih genomov zapisuje za histone, ki vežejo DNA, tako da nastane kromatin. Zgoščena DNA, bogata z vezanimi proteini, otežuje transkripcijo in zmanjšuje njeno hitrost. Pri regulaciji elongacije so v pomoč faktorji Spt4, Spt5 in TFS, ki je homolog TFIIS pri evkariontih in analog bakterijskim GreA in GreB. Ti faktorji omogočajo, da RNAP lažje prepotuje čez strukturo kromatina. Ko se RNA polimeraza ustavi ob oviri, se pomakne nazaj po DNA, kar povzroči izhajanje 3' konca nastajajoče RNA verige skozi izhodni kanal RNA polimeraze. Cepitveni faktor TFS interagira z RNA polimerazo skozi izhodni kanal in cepi nastajajočo RNA, tako nastane nov 3’ konec, ki je ponovno v aktivnem mestu. Nekateri paralogi TFS lahko delujejo kot inhibitorji RNAP in preprečijo iniciacijo ali elongacijo transkripcije, zato, ko so izraženi, predstavljajo vlogo toksinov.
Druge motnje pri transkripciji so tudi: specifični stop signali na zaporedjih, različnih moči in dolžin, pogosto zaporedja bogata z U; DNA okvare, kot so ciklobutan pirimdinski dimeri; proteini, ki so vezani na DNA. V najslabšem primeru se RNA polimeraza predhodno odcepi od kompleksa, ne da bi sintetizirala celotno RNA. Pri tem se ne more ponovno vezati in nadaljevati elongacije, saj se nastala RNA loči od TEC, RNA polimeraza pa mora začeti znova.
Terminacija
Elongacijski kompleks, ki se tvori za učinkovito prepisovanje RNA na podlagi matrične DNA, je zelo stabilen in se lahko dolgo ohrani na verigi. Ker pa je arhejski genom zelo gost in kompaktiran, je ključnega pomena, da pride do terminacije ob pravem času. V nasprotnem primeru se lahko transkripcija nadaljuje v sosednje gene ali operone, kar lahko vodi v sintezo nepravilnih transkriptov. Terminacija pri arhejah je lahko intrinzična, kjer se transkripcija zaustavi, ko elongacijski kompleks prepiše določeno zaporedje. Drug načini terminacije pa potečejo s pomočjo specifičnih proteinskih faktorjev.
Intrinzična terminacija
Pri arhejah je intrinzična terminacija najpogostejši mehanizem prekinitve transkripcije. Poteka na zelo podoben način kot pri bakterijah, ki imajo, tako kot arheje, za vse vrste transkriptov zgolj eno RNA polimerazo. Pri evkariontih pa je način intrinzične terminacije odvisen od tipa RNA polimeraze.
Pri bakterijah intrinzična terminacija poteka na osnovi matričnega DNA zaporedja, ki vsebuje GC-bogat motiv, ki se ponovi v obratni smeri, kar omogoča tvorbo lasnične zanke s po 7-9 baznih parov na 3'-koncu. Zatem sledi še prepis dobro ohranjene regije DNA v 8-10 zaporednih uridinov. Slednji motiv se je izkazal za ključnega pri zaustavitvi transkripcije. Čeprav zapis za terminacijo torej nosi matrična DNA, je za proces ključna sekundarna struktura transkripta RNA. Podobno je pri arhejah ključen motiv oligo(T) na DNA, ki zapisuje z uridini bogate 3'-konce transkriptov. Za razliko od bakterij pa oblikovanje lasnične zanke ni nujno potrebno za terminacijo.
Terminacija s pomočjo proteinskih faktorjev
Ker nimajo vsi geni na koncu zapisa za motiv zaporednih uridinov, terminacija ne more vedno potekati intrinzično, temveč le s pomočjo proteinskih faktorjev.
Za arheje je tako kot pri bakterijah značilna sklopitev transkripcije in translacije. V bližini elongacijskega kompleksa, kjer poteka transkripcija, je prisoten tudi sledilni ribosom, ki tik po tvorbi mRNA slednjo že uporabi za tvorbo proteina. Ta mehanizem lahko deluje kot signal terminacije. Ko ribosom po koncu translacije mRNA v protein oddisociira z mRNA, postane elongacijski kompleks substrat za arheje značilen in univerzalno ohranjen terminacijski faktor FttA (angl. Factor that Terminates Transcription in Archaea). Ta je znan tudi kot aCPSF1 in je ortolog evkariontski CPSF73, ki je podenota cepitvenega in poliadenilacijskega kompleksa. Slednji ima vlogo pri terminaciji transkripcije pri evkariontskih RNA-polimerazah I in II. Terminacija s pomočjo FttA je poglaviten mehanizem prekinitve transkripcije v arhejah za gene, ki nimajo ustreznih sekvenc za intrinzično terminacijo oz. so te okvarjene.
FttA je znana endonukleaza in 5'-3' eksonukleaza, ki po oddisociaciji ribosoma prepozna nascentno RNA verigo. Terminacija s pomočjo FttA je najbolj stimulirana v primeru, da so na mRNA prisotne regije, bogate s citozini. To je analogno bakterijski od faktorja ro odvisni terminaciji, kjer se faktor ro prav tako veže na s citozini bogate regije. Zatem se premika v 5' proti 3' smeri, dokler ne doseže RNA polimeraze, nato pa razpusti transkripcijski elongacijski kompleks. Pri arhejah FttA ob vezavi na mRNA interagira z elongacijskim kompleksom in povzroči endonukleazno cepitev transkripta na točno določnem mestu. Zatem sledi še hitra 5'-3' eksonukleazna cepitev preostanka mRNA, kar slednjo povsem razgradi in prav tako povzroči razpad elongacijskega kompleksa, s tem pa zaključek transkripcije.
Zaključek
Regulacija transkripcije arhej torej združuje značilnosti tako bakterij kot tudi evkariontov. Glede na število komponent, ki sodelujejo v transkripciji, bi lahko rekli, da je ta nekoliko preprostejša kot pri evkariontih. Se pa njena kompleksnost pokaže pri različnih, med seboj kompleksno povezanih sistemih regulacije izražanja genov. V zadnjem času se odkriva vse več mehanizmov, povezanih s transkripcijo v arhejah, ki nam pomagajo tudi pri razumevanju podobnih procesov v bakterijah in evkariontih.
Viri
[1] B. R. Wenck, T. J. Santangelo: Archaeal transcription. Transcription. 2020, 11, 199-210.
[2] D. Langer, J. Hain, P. Thuriaux, W. Zillig: Transcription in archaea: similarity to that in eucarya. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1995, 92, 5768-5772.
[3] F. Werner: Molecular Mechanisms of Transcription Elongation in Archaea. Chem. Rev. 2013, 113, 8331-8349.
[4] T. J. Sanders, B. R. Wenck, J. N. Selan, M. P. Barker, S. A. Trimmer, J. E. Walker, T. J. Santangelo: FttA is a CPSF73 homologue that terminates transcription in Archaea. Nat. Microbiol. 2020, 5, 545-553.
