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].Merino E, Yanofsky C (2005). "Transcription attenuation: a highly conserved regulatory strategy used by bacteria." Trends Genet 21:260–4. Atenuatori su 5'-cis djelujući regulatorni regioni koji se savijaju u jednu od dvije alternativne strukture RNK koje određuju uspjeh transkripcije.Naville M, Gautheret, D (2009). "Transcription attenuation in bacteria: theme and variations". Briefings in Functional Genomics 9 (2):178-189. 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 i uključene su u ovaj članak. Atenuacija je drevni regulatorni sistem, rasprostranjen kod mnogih bakterijskih vrsta, koji omogućava brzu i osjetljivu regulaciju genskih operona i obično se koristi za represiju gena u prisustvu njihovog vlastitog produkta (ili nizvodnog metabolita).
Klase atenuatora Atenuatori se mogu klasificirati prema vrsti molekule koja inducira promjenu u strukturi RNK. Vjerovatno je da su se mehanizmi transkripcijsko-atenuacijske atenuacije razvili rano, možda prije razdvajanja arheja/bakterija, i od tada su evoluirali da koriste niz različitih senzorskih molekula (utvrđeno je da triptofan biosintetski operon koristi tri različita mehanizma u različitim organizmima.)
Atenuacija posredovana ribosomima U ovoj situaciji RNK-polimeraza zavisi od (zaostale) aktivnosti ribosoma; ako ribosom pauzira zbog nedovoljne nabijene tRNK, tada je favorizirana anti-terminatorska struktura. Kanonski primjer atenuatora trp operonu koristi ovaj mehanizam u E. coli. Slični regulatorni mehanizmi pronađeni su u mnogim biosintetskim operonima aminokiselina.Landick, R., Turnbough, C.L., Yanovsky, C. (1996) Transcriptional attenuation. in Escherichia coli and Salmonella. Cellular and Molecular Biology (F. C. Neidhardt, Ed.) pp.1263–1286. American Society for Microbiology Press, Washington, DC
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 koji uzrokuju konformacijsku promjenu u iRNK. Većina ovih atenuatora su inhibitorni i koriste ih geni za biosintetske enzime ili transportere čija je ekspresija obrnuto proporcionalna koncentraciji njihovih odgovarajućih metabolita. Primjer – Biosinteza kobalamina, [ciklički AMP-GMP prekidač, biosinteza lizina, biosinteza glicina, fluoridni prekidač itd.
T-kutije Ovi elementi su vezani specifičnim nenabijenim tRNK i moduliraju ekspresiju odgovarajućih operona aminoacil-tRNK sintetaze. Visoki nivoi nenabijene tRNK promoviraju antiterminatornu sekvencu što dovodi do povećanih koncentracija nabijene tRNK. Neki ih smatraju zasebnom porodicom ribosklopki.Gutie ́rrez-Preciado A, Henkin TM, Grundy FJ, et al. (2009). "Biochemical features and functional implications of the RNA-based T-box regulatory mechanism." Microbiol Mol Biol Rev (73):36–61. ali su znatno složeniji od prethodne klase atenuatora.
Atenuacija posredovana proteinima Interakcije proteina i RNK mogu spriječiti ili stabilizirati formiranje anti-terminatorne strukture. .. otkriće Karime Erica
RNK termometri Temperaturno zavisne formacije petlji uvode temperaturnu zavisnost u ekspresiju nizvodnih operona. Svi takvi elementi djeluju na način zavisan od translacije kontrolirajući dostupnost Shine-Dalgarnove sekvence, naprimjer ekspresiju patogenih ostrva nekih bakterija pri ulasku u domaćina.Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S (2006). "RNA thermometers." FEMS Microbiol Rev (30):3–16. Nedavni podaci predviđaju postojanje temperaturno zavisnih alternativnih sekundarnih struktura (uključujući Rho-nezavisne terminatore) uzvodno od proteina hladnog šoka u E. coli.
Otkriće
Atenuaciju je prvi uočio Charles Yanofsky u trp operonu E. coli.C. Yanofsky, "Attenuation in the control of expression of bacterial operons", Nature 289:751 (1981) 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".