Transcription and translation are uncoupled in eukaryotes. This diagram depicts transcriptional, post-transcriptional, translational, and post-translational levels of control of gene expression for a eukaryotic protein-coding gene.
Mechanism Of Transcription
• RNA polymerase binds to a region on DNA called a promoter.
Bacterial promoter structure each has the same series of nucleotides conserved. Some variation in the sequence but certain nucleotides are present consensus sequence.
• It is convention to indicate the start of transcription by the number +1 and to use positive numbers to count farther down the DNA in the direction of transcription, the direction referred to as downstream. • Transkripsiyonun başlangıcını +1 sayısıyla belirtmek ve DNA'nın aşağı doğru transkripsiyon yönünde (aşağı akış olarak adlandırılan yön) geri sayımı için pozitif sayıları kullanmak bir gelenektir.
• The direction to the left side of transcription starting point (+1) is called upstream with the bases indicated by negative (-1) numbers.
• Centered at −10 is the consensus sequence TATAAT, which is also known as the TATA box or Pribnow box. • TATA kutusu veya Pribnow kutusu olarak da bilinen TATAAT konsensüs dizisi −10'da ortalanmıştır.
• Now, it is usually called the −10 sequence (or −10 region or element).
• Another region with similar sequences among many promoters is centered at −35. The consensus sequence at −35 is TTGACA.
• The spacing between the −10 and −35 sequences and the start point for transcription is important, and deletions or insertions that change the spacing are deleterious. • −10 ve −35 dizileri ile transkripsiyonun başlangıç noktası arasındaki boşluk önemlidir ve aralığı değiştiren silme veya eklemeler zararlıdır.
Structure of bacterial RNA polymerase core enzyme plus a transcription factor called the sigma factor.
The Core Enzyme
• The core enzyme is the component of the holoenzyme that catalyzes polymerization.
• The core enzyme has high affinity for most DNA.
• The σ factor is responsible for decreasing the nonspecific binding affinity of the RNA polymerase.
Sigma Factor
• The σ factor is primarily involved in recognition of gene promoters. • σ faktörü öncelikle gen promotörlerinin tanınmasında rol oynar.
• The −35 and the −10 sequences are necessary for recognition by the σ factor and core enzyme.
• Most of the σ factors share four regions of amino acid sequence homology that play a role in recognizing the promoter.
• Among the many different σ factors expressed in bacteria, the most abundant is a protein of 70 kDa, referred to as σ70. • Bakterilerde ifade edilen birçok farklı σ faktörü arasında en çok bulunanı, σ70 olarak adlandırılan 70 kDa'lık bir proteindir.
• It has a higher binding affinity for the RNA polymerase core enzyme than other σ factors. • RNA polimeraz çekirdek enzimine diğer σ faktörlerinden daha yüksek bağlanma afinitesine sahiptir.
• σ70 is required for specific binding of RNA polymerase to the promoter of the majority of • RNA polimerazın çoğunluğunun promotörüne spesifik bağlanması için σ70 gereklidir
• In general, organisms with more varied lifestyles contain more σ factors. • Genel olarak daha çeşitli yaşam tarzlarına sahip organizmalar daha fazla σ faktörü içerir.
• E. coli uses seven alternative σ factors to respond to some environmental changes (e.g. elevated temperatures induce the expression of heat shock proteins) and for the expression of flagellar genes. • E. coli, bazı çevresel değişikliklere (örneğin yüksek sıcaklıklar, ısı şoku proteinlerinin ekspresyonunu tetikler) yanıt vermek ve flagellar genlerin ekspresyonu için yedi alternatif σ faktörü kullanır.
• These alternative σ factors recognize a different promoter sequence than that recognized by σ70. • Bu alternatif σ faktörleri, σ70 tarafından tanınandan farklı bir promoter dizisini tanır.
Stages Of Transcription
The transcription process consists of three stages:
Initiation 1. Başlatma
Formation Of a Closed Promoter Complex
Formation Of an Open Promoter Complex
Promoter Clearance
•The complex then undergoes a structural transition to the “open” form in which approximately 18 bp around the transcription start site are melted to expose the template strand of the DNA. • Kompleks daha sonra, DNA'nın şablon zincirini ortaya çıkarmak için transkripsiyon başlangıç bölgesinin etrafındaki yaklaşık 18 bp'nin eritildiği “açık” forma yapısal bir geçişe uğrar.
•In contrast to most DNA polymerases, no primer is required for initiation by RNA polymerase• Çoğu DNA polimerazın aksine, RNA polimerazın başlatılması için hiçbir primer gerekli değildir
Elongation Uzama
• This leads simultaneously to the modification or loosening of RNA polymerase– DNA contacts, disruption of some σ contacts, and formation of a highly processive elongation complex. (to let RNA polimerase enzyme to move) • Bu, eş zamanlı olarak RNA polimeraz-DNA temaslarının modifikasyonuna veya gevşemesine, bazı σ temaslarının bozulmasına ve oldukça süreçsel bir uzama kompleksinin oluşmasına yol açar. (RNA polimeraz enziminin hareket etmesini sağlamak)
“bubble” as it unwinds the strands at the front and rewinds them at the back. Öndeki telleri çözüp arkadan geri sararken "kabarcık" yapar.
• Transcription continues in a processive manner as nucleotides are added to the growing RNA strand by RNA polymerase according to the rules of complementary base pairing.• Transkripsiyon, tamamlayıcı baz eşleşmesi kurallarına göre RNA polimeraz tarafından büyüyen RNA zincirine nükleotidlerin eklenmesiyle süreçli bir şekilde devam eder.
Termination
• The RNA polymerase core enzyme moves down the DNA until a stop signal or terminator sequence is reached by the RNA polymerase.
• There are two types of terminators recognized,
Rho-dependent terminators (Rho protein (Greek letter ρ).
Rho-independent terminators.
• Rho-dependent terminators require the Rho protein; without its RNA polymerase continues to transcribe past the terminator, a process known as readthrough.
• E. coli uses both kinds of transcript terminators.
• This is not true for all bacteria; a few such as Mycoplasma lack a rho gene.
• There is no evidence yet for a rho-like gene in eukaryotes.
Rho-independent termination
• Rho-independent terminators are characterized by a consensus sequence that is an inverted repeat. • Rho'dan bağımsız sonlandırıcılar, ters çevrilmiş bir tekrar olan bir konsensüs dizisi ile karakterize edilir.
• Stem-loop structures can form within the mRNA just before the last base transcribed, by the pairing of complementary bases within the inverted repeat. (GC rich) • Kök döngü yapıları, ters çevrilmiş tekrar içindeki tamamlayıcı bazların eşleştirilmesiyle, kopyalanan son bazdan hemen önce mRNA içinde oluşabilir. (GC zengini)
• The stem-loop structure may destabilize the transcription bubble, causing it to collapse. • Kök halka yapısı, transkripsiyon balonunun dengesini bozarak çökmesine neden olabilir.
Rho-dependent termination
• Rho-dependent termination is controlled by the ability of the Rho protein to gain access to the mRNA. • Rho'ya bağlı sonlandırma, Rho proteininin mRNA'ya erişim kazanma yeteneği ile kontrol edilir.
• Rho binds specifically to a C-rich site called a Rho utilization or rut site at the 5′ end of the newly formed RNA, as it emerges from the exit site of RNA polymerase. • Rho, RNA polimerazın çıkış bölgesinden ortaya çıktığı için, yeni oluşan RNA'nın 5' ucundaki Rho kullanımı veya tekerlek izi bölgesi adı verilen C açısından zengin bir bölgeye spesifik olarak bağlanır.
• Rho is a ring-shaped, hexameric protein with a distinct RNA-binding domain and an ATP-binding domain. • Rho, ayrı bir RNA bağlama alanına ve bir ATP bağlama alanına sahip, halka şeklinde, heksamerik bir proteindir.
Proofreading Düzeltme
involves two key events. iki önemli olayı içermektedir.
short backtracking kısa geri izleme
nucleolytic cleavage which occurs after a variable “pause” of the polymerase. Polimerazın değişken bir "duraklamasından" sonra meydana gelen nükleolitik bölünme.
• The mismatched bases are cleaved and removed • Uyumsuz bazlar bölünür ve çıkarılır
• In its backtracked state, the polymerase is able to cleave off and discard the most recently wrong added base(s) by nuclease activity. In this process, a new 3′ end is generated at the active site, ready for subsequent polymerization onto the nascent RNA chain. • Geriye dönük durumunda, polimeraz, nükleaz aktivitesi yoluyla en son yanlış eklenen baz(lar)ı parçalayabilir ve atabilir. Bu süreçte aktif bölgede yeni bir 3' ucu oluşturulur ve yeni oluşan RNA zinciri üzerinde daha sonra polimerizasyona hazır hale gelir.
Regulation Of Gene Expression in Prokaryotes
• Growth and division of bacteria are regulated by genes. Their expression is controlled by the needs of the cell as it responds to its environment with the goal of increasing in mass and dividing. • Bakterilerin büyümesi ve bölünmesi genler tarafından düzenlenir. İfadeleri, kütlenin artması ve bölünmesi amacıyla çevresine tepki veren hücrenin ihtiyaçları tarafından kontrol edilir.
• Genes that generally are continuously expressed are constitutive genes (housekeeping genes). Examples include protein synthesis and glucose metabolism. • Genellikle sürekli olarak ifade edilen genler kurucu genlerdir (temizlik genleri). Örnekler arasında protein sentezi ve glikoz metabolizması yer alır.
• All genes are regulated at some level, so that as resources decrease the cell can respond with a different molecular strategy. • Tüm genler bir düzeyde düzenlenir, böylece kaynaklar azaldıkça hücre farklı bir moleküler stratejiyle yanıt verebilir.
• Prokaryotic genes are often organized into operons that are cotranscribed (transcribe together). • Prokaryotik genler genellikle birlikte kopyalanan (birlikte kopyalanan) operonlar halinde düzenlenir.
• A regulatory protein binds an operator sequence in the DNA adjacent to the gene array and controls production of the polycistronic (polygenic) Mrna• Düzenleyici bir protein, gen dizisine bitişik DNA'daki bir operatör dizisini bağlar ve polisistronik (poligenik) Mrna'nın üretimini kontrol eder.
The Jacob–Monod Operon Model
The Jacob–Monod operon model for the control of the synthesis of sugar-metabolizing enzymes predicted the existence of a repressor molecule that is produced from a regulator gene (R) and binds to an operator site (O) (called an operator “gene” in the original model), thereby stopping the expression of the structural genes (A, B) that follow the operator site. The repressor also binds an inducer (metabolite) that lowers the affinity of the repressor for the operator and allows expression of the structural genes. The model also predicted the existence of an RNA intermediate (messenger) in protein synthesis. Şekeri metabolize eden enzimlerin sentezinin kontrolüne yönelik Jacob-Monod operon modeli, bir düzenleyici genden (R) üretilen ve bir operatör bölgesine (O) (operatör "gen" olarak adlandırılır) bağlanan bir baskılayıcı molekülün varlığını öngördü. orijinal modelde), böylece operatör bölgesini takip eden yapısal genlerin (A, B) ekspresyonu durdurulur. Baskılayıcı aynı zamanda baskılayıcının operatöre olan afinitesini azaltan ve yapısal genlerin ekspresyonuna izin veren bir indükleyiciye (metabolit) de bağlanır. Model ayrıca protein sentezinde bir RNA ara maddesinin (haberci) varlığını da öngördü.
The Lac Operon of E. Coli
• E. coli expresses genes for glucose metabolism constitutively, but the genes for metabolizing other sugars are regulated in a “sugar specific” way. Presence of the sugar stimulates synthesis of the enzymes needed.
Lac genes.
a. b-galactosidase is lacZ.
b. Permease is lacY.
c. Transacetylase is lacA.
The genes are tightly linked in the order: lacZ-lacY-lacA.
The three genes are transcribed on one polycistronic (polygenic) RNA.
Allolactose (metabolized from lactose) is the inducer molecule to induce activity of lac genes.
The mRNA for the enzymes has a short half-life. When lactose is run out (absent) in the medium, lac transcription stops, (because allolactose cannot be metabolized from lactose) and enzyme levels drop rapidly.
• lacI (induce the synthesis of repressor protein) gene is constitutively expressed at low levels (weak promoter). Without lactose (If no lactose in the medium), lac repressor proteins bind to the lacO (operator) NEGATIVE REGULATION. No lactose- no induction.
b-galactosidase in wild-type E. coli growing with lactose as the sole carbon source converts lactose into allolactose.
Repressor bound with allolactose changes shape (allosteric shift) and dissociates from the lac operator. Free repressor–allolactose complexes are unable to bind the operator.
Allolactose induces expression of the lac operon by removing the repressor and allowing transcription to occur.
Positive Regulation
Binding of CAP–cAMP complex recruits RNA polymerase to the promoter, leading to transcription.
Both Glucose and Lactose Situation
• When both glucose and lactose are in the medium, E. coli preferentially uses glucose, due to catabolite repression.
• Glucose metabolism greatly reduces cAMP levels in the cell.
• Glucose and cAMP work antogonistically in the cell. When glocose concentration increases, cAMP decreases (opposite).
• Adding cAMP to cells restored transcription of the lac operon, even when glucose was present.
DNA Looping DNA Döngüsü
•DNA looping allows multiple proteins to interact with RNA polymerase, some from adjacent sites and some from distant sites. •DNA döngüsü, bazıları bitişik bölgelerden ve bazıları uzak bölgelerden olmak üzere birden fazla proteinin RNA polimeraz ile etkileşime girmesine olanak tanır.
Control Of Gene Expression By RNA Gen İfadesinin RNA Tarafından Kontrolü
•It has long been known that differential folding of RNA plays a major role in transcriptional attenuation (weakening) in bacteria. • RNA'nın diferansiyel katlanmasının bakterilerdeki transkripsiyonel zayıflamada (zayıflamada) önemli bir rol oynadığı uzun zamandır bilinmektedir.
Riboswitches
• The expression of most genes is controlled by protein factors. • Çoğu genin ifadesi protein faktörleri tarafından kontrol edilir.
• However, specialized domains within certain mRNAs act as switchable “on–off ” elements or “riboswitches,” which selectively bind metabolites and control gene expression without the need for protein transcription factors. RNA can function as a sensor for signals as diverse as • Bununla birlikte, belirli mRNA'lar içindeki özel alanlar, seçici olarak metabolitleri bağlayan ve protein transkripsiyon faktörlerine ihtiyaç duymadan gen ekspresyonunu kontrol eden, değiştirilebilir "açma-kapama" elemanları veya "riboswitchler" gibi davranır. RNA, çok çeşitli sinyaller için bir sensör olarak işlev görebilir.
temperature,
salt concentration,
metal ions,
amino acids etc.
•In case of stress condition organism makes
allosteric organisation or
antiterminator and terminator hairpin,
steam loop structure,
attenuation mechanism to coordinate protein domains and organise gene expression according to the need of the cell.
Metabolite Sensors Metabolit Sensörleri
• The genes controlled by riboswitches often encode proteins involved in the biosynthesis or transport of the metabolite being sensed. • Riboswitch'ler tarafından kontrol edilen genler çoğunlukla algılanan metabolitin biyosentezi veya taşınmasında rol oynayan proteinleri kodlar.
•In most cases, the metabolite-sensing riboswitch is used as a form of feedback inhibition. • Çoğu durumda, metabolit algılayan riboswitch, bir geri bildirim inhibisyonu biçimi olarak kullanılır.
• Binding of the metabolite to the riboswitch serves as a genetic “off ” switch and decreases the expression of the gene products used to make the metabolite. • Metabolitin riboswitch'e bağlanması, genetik bir "kapama" anahtarı görevi görür ve metabolitin yapımında kullanılan gen ürünlerinin ekspresyonunu azaltır.
• Repression occurs either by terminating transcription to prevent the production of full-length mRNAs, or by preventing translation initiation once a full-length mRNA has been made. • Baskılama, tam uzunluktaki mRNA'ların üretimini önlemek için transkripsiyonu sonlandırarak veya tam uzunlukta bir mRNA yapıldıktan sonra çevirinin başlamasını önleyerek gerçekleşir.
RNA “Thermometers” RNA “Termometreler”
• Expression of many heat shock genes in Bradyrhizobium japonicum and other rhizobia (root nodule bacteria) is regulated by a conserved RNA sequence element called ROSE (repression of heat shock gene expression). • Bradyrhizobium japonicum ve diğer rhizobia'da (kök nodül bakterileri) birçok ısı şoku geninin ekspresyonu, ROSE (ısı şoku gen ekspresyonunun baskılanması) adı verilen korunmuş bir RNA dizisi elemanı tarafından düzenlenir.
• ROSE is a temperature-sensitive “RNA thermometer” riboswitch. • ROSE sıcaklığa duyarlı bir “RNA termometre” riboswitch'idir.
• The riboswitch responds to temperatures between 30 and 40°C. • Riboswitch 30 ila 40°C arasındaki sıcaklıklara yanıt verir.
• At low temperature, translation initiation is prevented once a full-length mRNA has been synthesized. • Düşük sıcaklıkta, tam uzunlukta bir mRNA sentezlendikten sonra çevirinin başlatılması önlenir.
• Ribosome access is blocked by an extended secondary structure in the mRNA. • Ribozom erişimi mRNA'daki genişletilmiş ikincil yapı tarafından engellenir.