Antiterminación

En biología molecular , la antiterminación es la ayuda que brinda la célula procariota para corregir la terminación prematura durante la transcripción del ARN . Ocurre cuando la ARN polimerasa ignora la señal de terminación y continúa alargando su transcripción hasta que se alcanza una segunda señal. La antiterminación proporciona un mecanismo por el cual uno o más genes al final de un operón pueden activarse o desactivarse, dependiendo de que la polimerasa reconozca o no la señal de terminación .

Algunos fagos utilizan la antiterminación para regular la progresión de una etapa de expresión génica a la siguiente. El gen lambda N codifica una proteína antiterminación (pN) que es necesaria para permitir que la ARN polimerasa lea a través de los terminadores ubicados en los extremos de los genes tempranos inmediatos. Otra proteína antiterminación, pQ, es necesaria más adelante en la infección del fago. pN y pQ actúan sobre la ARN polimerasa cuando pasa por sitios específicos. Estos sitios están ubicados en diferentes posiciones relativas en sus respectivas unidades de transcripción.

La antiterminación se descubrió en las infecciones por bacteriófagos . Una característica común en el control de la infección por fagos es que muy pocos de los genes de los fagos pueden ser transcritos por la ARN polimerasa del huésped bacteriano . Sin embargo, entre estos genes hay reguladores cuyos productos permiten que se exprese el siguiente conjunto de genes de fagos. Uno de estos tipos de reguladores es una proteína antiterminación. En ausencia de la proteína antiterminación, la ARN polimerasa termina en el terminador. Cuando la proteína antiterminación está presente, continúa más allá del terminador. ^[1]

El ejemplo mejor caracterizado de antiterminación lo proporciona el fago lambda , en el que se descubrió el fenómeno. Se utiliza en dos etapas de la expresión del fago. La proteína antiterminación producida en cada etapa es específica para las unidades de transcripción particulares que se expresan en esa etapa.

La ARN polimerasa del huésped transcribe inicialmente dos genes, que se denominan genes tempranos inmediatos (N y cro). La transición a la siguiente etapa de expresión se controla impidiendo la terminación en los extremos de los genes tempranos inmediatos, con el resultado de que se expresan los genes tempranos retrasados. La proteína antiterminación pN actúa específicamente sobre las unidades de transcripción tempranas inmediatas. Más tarde, durante la infección, otra proteína antiterminación pQ actúa específicamente sobre la unidad de transcripción tardía, para permitir que su transcripción continúe más allá de una secuencia de terminación.

Las diferentes especificidades de pN y pQ establecen un principio general importante: la ARN polimerasa interactúa con las unidades de transcripción de tal manera que un factor auxiliar puede promover la antiterminación específicamente para algunas transcripciones. La terminación se puede controlar con el mismo tipo de precisión que la iniciación.

La actividad antiterminación de pN es altamente específica, pero el evento antiterminación no está determinado por los terminadores t _L1 y t _R1 ; el sitio de reconocimiento necesario para la antiterminación se encuentra aguas arriba en la unidad de transcripción, es decir, en un lugar diferente del sitio terminador en el que finalmente se realiza la acción.

Los sitios de reconocimiento necesarios para la acción de pN se denominan nut (para la utilización de N). Los sitios responsables de determinar la antiterminación hacia la izquierda y hacia la derecha se describen como nut _L y nut _G , respectivamente.

Cuando pN reconoce el sitio nut , forma un complejo antiterminación persistente en cooperación con varias proteínas hospedadoras de E. coli. Estas incluyen tres proteínas Nus hospedadoras, NusA, B y C. NusA es una proteína interesante. Por sí sola en E. coli , es parte del sistema de terminación de la transcripción. Sin embargo, cuando es cooptada por N, participa en la antiterminación. El complejo debe actuar sobre la ARN polimerasa para asegurar que la enzima ya no pueda responder al terminador. Las ubicaciones variables de los sitios nut indican que este evento no está vinculado ni a la iniciación ni a la terminación, sino que puede ocurrirle a la ARN polimerasa a medida que alarga la cadena de ARN más allá del sitio nut. Los fagos que están relacionados con lambda tienen diferentes genes N y diferentes especificidades antiterminación. La región del genoma del fago en la que se encuentran los sitios nut tiene una secuencia diferente en cada uno de estos fagos y, por lo tanto, cada fago debe tener sitios nut característicos reconocidos específicamente por su propio pN. Cada uno de estos productos pN debe tener la misma capacidad general de interactuar con el aparato de transcripción en una capacidad antiterminación, pero cada producto también tiene una especificidad diferente para la secuencia de ADN que activa el mecanismo.

La antiterminación en lambda es inducida por dos mecanismos bastante distintos. El primero es el resultado de la interacción entre la proteína lambda N y sus objetivos en las transcripciones tempranas del fago, y el segundo es el resultado de una interacción entre la proteína lambda Q y su objetivo en el promotor tardío del fago. Primero describimos el mecanismo N. Lambda N, una pequeña proteína básica de la familia de proteínas de unión al ARN con motivos ricos en arginina (ARM), se une a un tallo-bucle de 15 nucleótidos (nt) llamado BOXB. (Escribiremos en mayúsculas los nombres de los sitios en el ARN y en cursiva los nombres de las secuencias de ADN correspondientes; por ejemplo, BOXB y boxB ). boxB se encuentra dos veces en el cromosoma lambda, una en cada uno de los dos operones tempranos . Está cerca del punto de inicio de la transcripción del operón P _L y justo aguas abajo del primer gen traducido del operón P _R. Ni la distancia entre el sitio de inicio de la transcripción y boxB , ni la naturaleza del promotor (al menos en el caso de los promotores dependientes de sigma-70), ni la naturaleza del terminador son relevantes para la acción de N. Aunque la secuencia de boxB no está bien conservada en otros bacteriófagos de la familia lambda, la mayoría de estos fagos codifican proteínas que son análogas a lambda N y tienen secuencias capaces de formar estructuras similares a BOXB en sus operones P _L y P _R. En algunos casos, se ha demostrado que estas estructuras son reconocidas por los análogos N ​​cognados. Se cree que esto explica la especificidad del fago de la antiterminación mediada por N. ^[2]

La antiterminación procesiva requiere el complejo antiterminación completo. El ensamblaje de NusB, S10 y NusG en el complejo central involucra los nt 2 a 7 de lambda BOXA (CGCUCUUACACA), así como la región carboxilo-terminal de N, que interactúa con la ARN polimerasa. El papel de NusG en la reacción de antiterminación de N no está claro. NusG se une al factor de terminación Rho y a la ARN polimerasa. Estimula la tasa de elongación de la transcripción y es necesaria para la actividad de ciertos terminadores dependientes de Rho. NusG es un componente del complejo antiterminación completo y mejora la antiterminación de N in vitro. Sin embargo, la alteración de lambda BOXA a una variante llamada consenso de BOXA (CGCUCUUUAACA) permite que NusB y S10 se ensamblen en ausencia de NusG. Además, la eliminación de NusG no tiene efecto sobre la antiterminación de N lambda in vivo y, a diferencia de nusA, nusB y nusE, no se han aislado mutaciones puntuales en nusG que bloqueen la actividad de N. Un homólogo de NusG, RfaH, mejora la elongación de varias transcripciones en E. coli y S. typhimurium. La posibilidad de que RfaH y NusG sean redundantes para la antiterminación de N aún no se ha probado, aunque para varias otras funciones, las dos proteínas no son intercambiables.

La antiterminación procesiva puede ser mediada por ARN así como por proteínas. El colifago HK022, único entre los fagos lambdoides conocidos, no codifica un análogo de lambda N. En cambio, promueve la antiterminación de la transcripción temprana del fago a través de la acción directa de secuencias transcritas llamadas sitios put (para la utilización de la polimerasa). Hay dos sitios put estrechamente relacionados , uno ubicado en el operón P _L y el otro ubicado en el operón P _R , que corresponden aproximadamente a las posiciones de las secuencias nut en lambda y en otros parientes de lambda. Los sitios put actúan en cis para promover la lectura continua de terminadores corriente abajo en ausencia de todas las proteínas HK022. Se predice que las transcripciones put formarán dos bucles de tallo separados por un solo nucleótido desapareado. Esta predicción está respaldada por estudios mutacionales y el patrón de sensibilidad de los dos ARN a la escisión con endorribonucleasas específicas de cadena simple y doble . La estructura del ARN es fundamental para la antiterminación porque las mutaciones que impiden la formación de pares de bases en los tallos reducen la función, y estas mutaciones pueden suprimirse mediante mutaciones adicionales que restablezcan el apareamiento de bases. Al igual que lambda N y Q, las secuencias PUT suprimen la pausa de la polimerasa y promueven la antiterminación procesiva en un sistema de transcripción in vitro purificado. A diferencia de lambda N, no se requieren fagos ni factores bacterianos auxiliares. Las únicas mutaciones conocidas que bloquean la antiterminación mediada por PUT cambian aminoácidos altamente conservados ubicados en un dominio amino-proximal rico en cisteína de la subunidad beta' de la ARN polimerasa. Las cepas que portan estas mutaciones no pueden soportar el crecimiento lítico de HK022, pero son normales en todos los demás aspectos probados, incluido el crecimiento lítico de lambda y otros parientes de lambda. Los fenotipos restringidos a fagos que confieren estas mutaciones sugieren que alteran un dominio de la ARN polimerasa beta que interactúa específicamente con el ARN PUT naciente en el complejo de elongación de la transcripción, pero esta idea no se ha probado directamente. Se desconoce la estabilidad de la supuesta interacción PUT -ARN polimerasa y la naturaleza de la modificación inducida por PUT en el complejo de elongación.

La antiterminación procesiva se descubrió por primera vez en un bacteriófago, pero desde entonces se han encontrado ejemplos en operones bacterianos. Los operones rrn de E. coli están regulados por un mecanismo de antiterminación que depende de sitios que están estrechamente relacionados con lambda boxA y que se encuentran en la proximidad del promotor a los genes estructurales 16S y 23S en cada operón. Las secuencias de los sitios rrn BOXA son más similares al consenso del bacteriófago que las de lambda, y se unen a NusB-S10 de manera más eficiente. Aunque se encuentran estructuras de tallo-bucle análogas a BOXB en la proximidad del promotor a los sitios BOXA, no son esenciales para la antiterminación. Una secuencia rrn BOXA confiere una actividad antiterminación completa contra terminadores dependientes de Rho, pero no contra terminadores intrínsecos. BOXA también aumenta la tasa de elongación de la transcripción por RNAP. Las mutaciones puntuales en BOXA inducen la terminación prematura de la transcripción. La antiterminación de rrn requiere NusB in vivo, como se muestra mediante un experimento de depleción de NusB. NusA estimula la tasa de elongación de las cadenas de ARN de rrn que llevan BOXA. La observación de que la mutación nusA10 (Cs) inhibe tanto la antiterminación como la tasa de elongación de la transcripción en un operón rrn sugiere un papel para NusA. El papel de otros factores Nus en la regulación de rrn in vivo no está claro. In vitro, se forma un complejo antiterminación que incluye NusA, NusB, S10 y NusG en la secuencia BOXA de rrnG, pero estos componentes no son suficientes para la antiterminación por sí solos. Se requieren uno o más factores adicionales que puedan ser suministrados por un extracto celular, pero se desconocen sus identidades.

• Krebs, JE, Goldstein, ES, Lewin, B., y Kilpatrick, ST (2010). La antiterminación puede ser un evento regulado. En Lewin's essential genes (2.ª ed., págs. 287-291). Sudbury, Massachusetts: Jones and Bartlett Publishers
• Weisberg, RA y Gottesman, ME (1999). Antiterminación procesiva. Journal of Bacteriology, 181 (2), 359-367

• Revista de bacteriología de la Sociedad Estadounidense de Microbiología
• Los genes esenciales de Lewin en Google Books